摘 要： 防止轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害是駕駛員保護(hù)的一項重要指標(biāo)，是國家強制性檢驗和CCC認(rèn)證項目。人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠關(guān)系到汽車生產(chǎn)商和廣大消費者的切身利益，具有重要的意義。根據(jù)相關(guān)防止轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)研究人體模塊試驗數(shù)據(jù)測量儀器的技術(shù)要求，并開發(fā)出適合人體模塊試驗的觸發(fā)準(zhǔn)確、多通道同步高速采集、準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對提高汽車檢測水平和檢測效率具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向機構(gòu)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

0 引言

　　GB 11557-2011、ECE R12和FMVSS 203人體模塊撞擊試驗是評價汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員保護(hù)性能的測試項目之一，一直以來是國家強制性檢驗和CCC認(rèn)證項目。試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到汽車生產(chǎn)商和廣大消費者的切身利益，研究準(zhǔn)確、可靠、抗干擾能力強的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有重要的意義。為了提高汽車檢測水平，采用先進(jìn)的試驗數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)字信號處理技術(shù)，并結(jié)合大量的人體模塊撞擊試驗的經(jīng)驗，開發(fā)出適合人體模塊撞擊試驗的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。此數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)價格合理、功能完善、性能先進(jìn)可靠，集試驗數(shù)據(jù)采集、處理和試驗報告生成于一體，可提高汽車檢測效率。

1 人體模塊撞擊試驗標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)技術(shù)要求

　　1.1 人體模塊撞擊試驗技術(shù)要求

　　GB 11557-2011、ECE R12和FMVSS 203均要求人體模塊以24.1 km/h的速度撞擊安裝在前半截車身或模擬轉(zhuǎn)向機構(gòu)安裝構(gòu)架上的轉(zhuǎn)向操縱裝置即轉(zhuǎn)向盤。GB 11557-2011要求水平方向的沖擊力不超過11 123 N[1]，而ECE R12要求沖擊合力不超過11 110 N[2]，F(xiàn)MVSS 203 要求持續(xù)時間大于3 ms的沖擊合力不得超過11 120 N[3]。

　　1.2 人體模塊撞擊試驗測量儀器技術(shù)要求

　　人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)速度的測量精度應(yīng)在±1%以內(nèi)；測量儀器應(yīng)滿足ISO 6487-2002,傳感器的響應(yīng)值CFC（濾波等級）為600, CAC（通道幅值等級）為2T。ISO 6487-2002要求試驗數(shù)據(jù)采樣頻率不得低于濾波等級的10倍，即人體模塊撞擊試驗數(shù)據(jù)采樣頻率不得低于 6 kHz[4]。測量儀器應(yīng)包含3個力信號采集通道、2個加速度采集通道和2個速度采集通道。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案及功能

　　數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要由力和加速度傳感器、兩對激光對射式光電開關(guān)、24 V開關(guān)電源、輸入信號調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、USB通信模塊和數(shù)據(jù)處理計算機等組成。

　　2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能

　　2.1.1 輸入信號調(diào)節(jié)模塊

　　輸入信號調(diào)節(jié)模塊主要完成各通道信號增益放大和抗混濾波等功能，預(yù)處理試驗過程中傳感器的電壓信號經(jīng)放大處理后送入數(shù)據(jù)采集模塊。本系統(tǒng)采用隔離應(yīng)變輸入模塊ADAM-3016。ADAM-3016的帶寬為2.4 kHz，包括mV或V輸入的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、電壓或電流輸出轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和1 000 V DC 3路光隔離。

　　力或加速度信號由傳感器測量得到，微電壓信號(mV)需經(jīng)過ADAM-3016的放大處理輸入到數(shù)據(jù)采集模塊。標(biāo)準(zhǔn)要求試驗數(shù)據(jù)采樣頻率不低于6 kHz，試驗采樣頻率通常為10 kHz或20 kHz。根據(jù)Nyquist采樣定理：在進(jìn)行模擬、數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，采樣頻率不得低于信號最高頻率的2倍。一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5~10倍。ADAM-3016的帶寬為2.4 kHz，滿足10 kHz或20 kHz的采樣頻率要求。

　　此外，本系統(tǒng)采用2對激光對射式光電開關(guān)測速，光電開關(guān)選用QS186E+QS18VP6R。測速原理是通過2對光電開關(guān)之間的距離s以及運動物體通過2對光電開關(guān)的時間間隔t，相除得到其平均速度。QS186E+QS18VP6R的激勵電壓和反饋信號電壓為24 V，其反饋信號需進(jìn)行分壓，小于10 V后方可輸入到數(shù)據(jù)采集模塊模擬輸入通道。分壓電路如圖2所示。

　　2.1.2 數(shù)據(jù)采集和USB通信模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集觸發(fā)等功能。為了便攜和操作方便，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)擬使用USB通信方式。

　　本系統(tǒng)采用USB-4716即插即用數(shù)據(jù)采集模塊，如圖3所示。此模塊帶有16位多功能USB通信模塊，可與任何帶有USB端口的計算機進(jìn)行通信。模塊包含16路16位分辨率模擬輸入通道、8路數(shù)字輸入輸出通道、2路模擬輸出通道和2路16位計數(shù)器。其功能可靠穩(wěn)定，最高采樣頻率可達(dá)到200 kS/s。

　　人體模塊撞擊試驗需要采集3個力信號、2個加速度信號和2個速度信號共7個模擬輸入通道。模擬輸入通道電路如圖4所示。

　　USB-4716數(shù)據(jù)采集模塊有外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)兩種觸發(fā)方式。USB-4716有10 MHz時鐘計時器，響應(yīng)速度快，可以滿足實時觸發(fā)采集試驗數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用內(nèi)部觸發(fā)方式，程序監(jiān)測模擬輸入通道AI1的信號，當(dāng)人體模塊通過光電開關(guān)時，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試

　　系統(tǒng)軟件程序采用Visual Basic設(shè)計，通過USB-4716驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行指令操作。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括USB-4716觸發(fā)、速度采集、原始數(shù)據(jù)濾波、碰撞力采集及傷害評價指標(biāo)計算和試驗報告的生成等。

　　2.2.1 數(shù)據(jù)處理

　　原始試驗數(shù)據(jù)采用Butterworth數(shù)字濾波方式，濾波等級為CFC 600，濾波程序詳見ISO 6487-2002附錄A。由濾波后的試驗數(shù)據(jù)計算出合力和水平合力，并求出持續(xù)時間不小于3 ms的最大合力值。最后，繪制相應(yīng)的力—時間歷程曲線，生成試驗報告如圖5所示。

　　2.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

　　試驗時，首先設(shè)置試驗參數(shù)。程序監(jiān)測人體模塊是否通過光電開關(guān)信號，當(dāng)人體模塊通過光電開關(guān)時，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊開始采集試驗數(shù)據(jù)，同時程序采集計算人體模塊的飛行速度，生成試驗報告。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標(biāo)定驗證

　　依據(jù)JJF 1048-1995對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行驗證，測量系統(tǒng)的采樣頻率、線性度、誤差限、時間漂移和通道間串?dāng)_[5]。系統(tǒng)各項指標(biāo)驗證原理如下：

　?、挪蓸宇l率測試：采用標(biāo)準(zhǔn)周期信號源接通系統(tǒng)通道，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計N個信號周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)個數(shù)nN，系統(tǒng)通道采集速率為v。有：

　　其中，f為標(biāo)準(zhǔn)周期信號的頻率。

　?、凭€性度測試：在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)選取11個校準(zhǔn)信號點，標(biāo)準(zhǔn)直流信號源接入通道提供相應(yīng)電壓，分析采集電壓信號的線性度。

　　⑶誤差限測試：求出線性度測試試驗中11個校準(zhǔn)點的誤差限值，以其中的最大值作為通道誤差限的實測值。被測通道在信號E處的誤差限A的計算如下：

　　其中，為通道采集數(shù)據(jù)的平均值，σ為采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，E為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。

　　時間漂移技術(shù)指標(biāo)零點漂移特性參數(shù)、增益漂移特性參數(shù)和通道間串?dāng)_技術(shù)指標(biāo)串?dāng)_抑制比均根據(jù)JJF 1048-1995中相應(yīng)計算公式由被測通道采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)信號計算得出，不再贅述。

4 結(jié)論

　　本文介紹了一種適用于人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)符合相關(guān)防止轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對測量儀器的要求，觸發(fā)準(zhǔn)確，功能完善、性能先進(jìn)可靠，集試驗數(shù)據(jù)采集、處理和試驗報告生成于一體，極大地提高了汽車檢測效率，全面提升了汽車檢測水平。

參考文獻(xiàn)

　　[1] GB 1557-2011. 防止轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員的傷害[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

　　[2] ECE R12. Uniform previsions concerning the approval of vehicles with regard to the driver against the steering mechanism in the event of impact[S]. Geneva: Economic Commission of Europe, 2006.

　　[3] FMVSS 203. Impact protection for the driver from the steering control system[S]. Washington,1990.

　　[4] ISO 6487-2002. Road vehicle-measurement techniques in impact tests-instrumentation[S]. Geneva, 2002.

　　[5] JJF 1048-1995. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范[S]. 北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1995.