摘 要： 防止轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害是駕駛員保護(hù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是國(guó)家強(qiáng)制性檢驗(yàn)和CCC認(rèn)證項(xiàng)目。人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠關(guān)系到汽車(chē)生產(chǎn)商和廣大消費(fèi)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(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)研究人體模塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器的技術(shù)要求，并開(kāi)發(fā)出適合人體模塊試驗(yàn)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(duì)提高汽車(chē)檢測(cè)水平和檢測(cè)效率具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向機(jī)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(yàn)是評(píng)價(jià)汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員保護(hù)性能的測(cè)試項(xiàng)目之一，一直以來(lái)是國(guó)家強(qiáng)制性檢驗(yàn)和CCC認(rèn)證項(xiàng)目。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到汽車(chē)生產(chǎn)商和廣大消費(fèi)者的切身利益，研究準(zhǔn)確、可靠、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有重要的意義。為了提高汽車(chē)檢測(cè)水平，采用先進(jìn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，并結(jié)合大量的人體模塊撞擊試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出適合人體模塊撞擊試驗(yàn)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(jià)格合理、功能完善、性能先進(jìn)可靠，集試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和試驗(yàn)報(bào)告生成于一體，可提高汽車(chē)檢測(cè)效率。

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

　　1.1 人體模塊撞擊試驗(yàn)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(chē)身或模擬轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝構(gòu)架上的轉(zhuǎn)向操縱裝置即轉(zhuǎn)向盤(pán)。GB 11557-2011要求水平方向的沖擊力不超過(guò)11 123 N[1]，而ECE R12要求沖擊合力不超過(guò)11 110 N[2]，F(xiàn)MVSS 203 要求持續(xù)時(shí)間大于3 ms的沖擊合力不得超過(guò)11 120 N[3]。

　　1.2 人體模塊撞擊試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器技術(shù)要求

　　人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)速度的測(cè)量精度應(yīng)在±1%以?xún)?nèi)；測(cè)量?jī)x器應(yīng)滿足ISO 6487-2002,傳感器的響應(yīng)值CFC（濾波等級(jí)）為600, CAC（通道幅值等級(jí)）為2T。ISO 6487-2002要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣頻率不得低于濾波等級(jí)的10倍，即人體模塊撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣頻率不得低于 6 kHz[4]。測(cè)量?jī)x器應(yīng)包含3個(gè)力信號(hào)采集通道、2個(gè)加速度采集通道和2個(gè)速度采集通道。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)激光對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、24 V開(kāi)關(guān)電源、輸入信號(hào)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(jì)算機(jī)等組成。

　　2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能

　　2.1.1 輸入信號(hào)調(diào)節(jié)模塊

　　輸入信號(hào)調(diào)節(jié)模塊主要完成各通道信號(hào)增益放大和抗混濾波等功能，預(yù)處理試驗(yàn)過(guò)程中傳感器的電壓信號(hào)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(hào)由傳感器測(cè)量得到，微電壓信號(hào)(mV)需經(jīng)過(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)采樣頻率不低于6 kHz，試驗(yàn)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(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采樣頻率不得低于信號(hào)最高頻率的2倍。一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)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(duì)激光對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)測(cè)速，光電開(kāi)關(guān)選用QS186E+QS18VP6R。測(cè)速原理是通過(guò)2對(duì)光電開(kāi)關(guān)之間的距離s以及運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)2對(duì)光電開(kāi)關(guān)的時(shí)間間隔t，相除得到其平均速度。QS186E+QS18VP6R的激勵(lì)電壓和反饋信號(hào)電壓為24 V，其反饋信號(hào)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(jì)算機(jī)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(jì)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(yàn)需要采集3個(gè)力信號(hào)、2個(gè)加速度信號(hào)和2個(gè)速度信號(hào)共7個(gè)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(shí)鐘計(jì)時(shí)器，響應(yīng)速度快，可以滿足實(shí)時(shí)觸發(fā)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用內(nèi)部觸發(fā)方式，程序監(jiān)測(cè)模擬輸入通道AI1的信號(hào)，當(dāng)人體模塊通過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，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(jì)及調(diào)試

　　系統(tǒng)軟件程序采用Visual Basic設(shè)計(jì)，通過(guò)USB-4716驅(qū)動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算和試驗(yàn)報(bào)告的生成等。

　　2.2.1 數(shù)據(jù)處理

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

　　2.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

　　試驗(yàn)時(shí)，首先設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。程序監(jiān)測(cè)人體模塊是否通過(guò)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)人體模塊通過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)始采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)程序采集計(jì)算人體模塊的飛行速度，生成試驗(yàn)報(bào)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(yàn)證

　　依據(jù)JJF 1048-1995對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量系統(tǒng)的采樣頻率、線性度、誤差限、時(shí)間漂移和通道間串?dāng)_[5]。系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)證原理如下：

　　⑴采樣頻率測(cè)試：采用標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào)源接通系統(tǒng)通道，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)N個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)個(gè)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(hào)的頻率。

　?、凭€性度測(cè)試：在系統(tǒng)測(cè)量范圍內(nèi)選取11個(gè)校準(zhǔn)信號(hào)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)源接入通道提供相應(yīng)電壓，分析采集電壓信號(hào)的線性度。

　?、钦`差限測(cè)試：求出線性度測(cè)試試驗(yàn)中11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差限值，以其中的最大值作為通道誤差限的實(shí)測(cè)值。被測(cè)通道在信號(hào)E處的誤差限A的計(jì)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(hào)。

　　時(shí)間漂移技術(shù)指標(biāo)零點(diǎn)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(jì)算公式由被測(cè)通道采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)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(jī)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(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求，觸發(fā)準(zhǔn)確，功能完善、性能先進(jìn)可靠，集試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和試驗(yàn)報(bào)告生成于一體，極大地提高了汽車(chē)檢測(cè)效率，全面提升了汽車(chē)檢測(cè)水平。

參考文獻(xiàn)

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