摘要：針對(duì)目前機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能中檢測(cè)依靠車管部門強(qiáng)制檢測(cè)所帶來(lái)的檢測(cè)周期長(zhǎng)、自主檢測(cè)能力差的問(wèn)題，利用三軸傳感器的特性結(jié)合改進(jìn)的向后積分算法實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)性能信息并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的硬件組成與操作流程。該系統(tǒng)功能齊全、成本低廉、安裝方便具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)是其安全運(yùn)行的重要保障，其性能是否合格直接關(guān)系到機(jī)動(dòng)車駕乘人員的人身財(cái)產(chǎn)安全，因此國(guó)家制定了GB7258—2012(機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件)以及GB12676—1999(汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)提出了明確的檢驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)。機(jī)動(dòng)車制動(dòng)系包括行車制動(dòng)、駐車制動(dòng)以及應(yīng)急制動(dòng)，我們?nèi)粘Ｖ饕獧z測(cè)行車制動(dòng)性能。GB7258中規(guī)定了兩種行車制動(dòng)性能檢測(cè)方法即路試檢驗(yàn)和臺(tái)式檢驗(yàn)，其中路試法因?yàn)楦呔C合性，更貼近于實(shí)際情景，所以在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)用最廣。路試檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)主要有制動(dòng)距離、充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動(dòng)初速度、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間。

目前整車制動(dòng)性能檢測(cè)通常使用五輪儀或非接觸式測(cè)速傳感器來(lái)測(cè)量制動(dòng)距離，測(cè)試過(guò)程繁瑣，不利于常態(tài)化監(jiān)測(cè)。采用加速度傳感器可以準(zhǔn)確地記錄制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)加速度，結(jié)合相應(yīng)的算法可以得到制動(dòng)距離等參數(shù)。三軸加速度傳感器可以同時(shí)記錄制動(dòng)過(guò)程中機(jī)動(dòng)車行進(jìn)方向、水平方向以及機(jī)動(dòng)車的縱向加速度。通過(guò)對(duì)三軸向加速度數(shù)據(jù)的處理可以去除制動(dòng)開始過(guò)程中的點(diǎn)頭誤差，震動(dòng)誤差等對(duì)制動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的干擾。針對(duì)目前制動(dòng)性能檢測(cè)依賴于交通管理部門每年強(qiáng)制性檢測(cè)所帶來(lái)的檢測(cè)間隔周期長(zhǎng)、自主性檢測(cè)能力差的問(wèn)題，提出了聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)的形式。通過(guò)改進(jìn)后的制動(dòng)性能檢測(cè)儀可以定時(shí)，定性的對(duì)車輛的制動(dòng)性能進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)管理部門，并可由上級(jí)部門控制儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而形成從檢測(cè)到監(jiān)管的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，極大地提高了對(duì)車輛安全監(jiān)測(cè)的透明性，實(shí)時(shí)性。在客運(yùn)公司，危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)葘?duì)車輛安全有較高要求的單位具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)主要由三軸加速度傳感器、微控制器(MCU)、踏板力傳感器、3G模塊、鐵電存儲(chǔ)器等組成，硬件組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)每輪檢測(cè)以踏板開關(guān)踩下為開始信號(hào)，單片機(jī)的AD(數(shù)模轉(zhuǎn)換)模塊開始對(duì)踏板力傳感器輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，與此同時(shí)通過(guò)I2C接口讀取加速度傳感器的加速度數(shù)據(jù)。進(jìn)人數(shù)據(jù)處理程序后，分析整個(gè)制動(dòng)過(guò)程，并計(jì)算機(jī)動(dòng)車在制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)初速度、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離，充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間(BCT)等參數(shù)。并與規(guī)定數(shù)值比較，得到本次制動(dòng)性能檢測(cè)的最終結(jié)果。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器內(nèi)后，通過(guò)3G模塊EM770W將結(jié)果上傳到監(jiān)控終端，并可根據(jù)上位機(jī)的要求上傳基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便供進(jìn)一步分析處理。在接收完上位機(jī)指令后把指令存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，以備下一次檢測(cè)。

1. 2 加速度傳感器選型及接口設(shè)計(jì)

路試測(cè)試中，加速度數(shù)據(jù)是計(jì)算制動(dòng)初速度、制動(dòng)距離、MFDD等關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)，因而需要選擇合適的加速度傳感器及適當(dāng)?shù)乃惴?。目前市?chǎng)上的便攜式制動(dòng)測(cè)試儀普遍采用單軸或雙軸加速度傳感器。因而在測(cè)試過(guò)程中對(duì)于儀器的放置有著嚴(yán)格的要求，必須將一個(gè)方向與車輛行駛方向重合。這給檢測(cè)帶來(lái)了很大的不便，同時(shí)由于在制動(dòng)過(guò)程開始時(shí)存在點(diǎn)頭誤差以及路邊的顛簸導(dǎo)致的車輛整體晃動(dòng)或者抖動(dòng)直接影響測(cè)量結(jié)果。選用三軸加速度傳感器可以隨便放置，由于計(jì)算的是三軸的和加速度，從而降低點(diǎn)頭誤差及路面顛簸對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1.2.1 三軸MEMS加速度傳感器選型

加速度傳感器采用飛思卡爾的MEMS三軸數(shù)字輸出加速度傳感器MMA8451Q。MMA8451Q具有可配置的量程(±2g/±4 g/±8 g)、可配置的分辨率(14位、12位、10位)和嵌入式功能，可以通過(guò)相應(yīng)的寄存器配置實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析。同時(shí)具有低功耗的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需求配置采樣速率，擁有六種用戶可配置的數(shù)據(jù)輸出速率，采樣速率范圍從1.5～800 Hz，具備休眠和喚醒模式，最低工作電流只有6 μA。MMA 8451Q具有兩個(gè)可編程中斷引腳，可供七個(gè)中斷源使用，通過(guò)I2C接口與控制器通信，工作電壓1.95 V～3.6 V，接口電壓1.6 V～3.6 V，采用3 x3 x 1mm的QFN小型封裝。其與MSP430的連接如圖2所示。

1. 3 踏板力傳感器選型及接口設(shè)計(jì)

《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中對(duì)液壓制動(dòng)系的機(jī)動(dòng)車的踏板力大小提出了明確要求，其最大合格壓力值為700 N。因而踏板力傳感器的量程選擇為0～1 000 N。踏板力傳感器選用的是北京龍鼎科技的LDCZL～TL，該踏板力傳感器是電阻應(yīng)變片式傳感器，可以進(jìn)行壓向力測(cè)試，輸出對(duì)稱性好。具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小等特點(diǎn)。其體積呈扁平狀態(tài)，可靈活方便地裝于汽車踏板上，采用孔幅結(jié)構(gòu)，具有先天的抗踩踏的偏置力且體積小、抗振能力強(qiáng)、輸出電壓信號(hào)。工作電壓在±10 V DC，靈敏度1.5 mV/V，可以滿足系統(tǒng)的測(cè)試精度要求。

由于踏板力傳感器安裝在汽車踏板上，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)電機(jī)等強(qiáng)干擾源。并且由于駕駛員和各測(cè)試項(xiàng)目的要求不同，電橋的輸出信號(hào)變化范圍大，要求信號(hào)檢測(cè)電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪、增益大范圍可調(diào)等性能，根據(jù)以上要求選擇儀表放大器AD623作為踏板力信號(hào)放大器。AD623是集成的單電源儀表放大器，其通過(guò)提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差，線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達(dá)200 Hz時(shí)仍保持恒定而受到抑制。

它能夠在單電源(+3 V～+12 V)下提供軌對(duì)軌輸出，允許通過(guò)增益調(diào)節(jié)電阻進(jìn)行增益編程，從而具有良好的靈活性，其增益最高可達(dá)1000倍，增益調(diào)節(jié)電阻大小由下式求得：

RG=100 kΩ/(G-1)

踏板力傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

1.4 微控制器選型

為了設(shè)備能夠在多種情景下工作，采用兩路供電，通過(guò)開關(guān)選擇，一路由鋰電池供電，一路由汽車內(nèi)部12 V DC直接供電。同時(shí)為了滿足持續(xù)監(jiān)控的使用要求，選擇支持超低功耗的MSP430系列單片機(jī)，其擁有4種省電模式，其中LPM4的最低工作電流只有0.1μA，可以通過(guò)內(nèi)部指令在不同工作模式下快速切換，因而MSP430系列單片機(jī)在電池供電的情況下?lián)碛袠O大的優(yōu)勢(shì)。

MSP430系列是16位混合信號(hào)處理器，其擁有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有硬件乘法器、兩個(gè)具有PWM功能的16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MSP430可以提供內(nèi)置參考電壓源(2.5 V)、一個(gè)看門狗定時(shí)器、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器并且支持8 M的時(shí)鐘。同時(shí)

MSP430擁有豐富的具有中斷功能的I/O端口，并擁有大容量的Flash和RAM。

綜上所述，MSP430擁有的豐富資源可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)時(shí)間，降低系統(tǒng)成本，其低功耗特性更是能夠提高系統(tǒng)的便攜性，因而使用其作為制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的處理器。

2 軟件及算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以三軸加速度傳感器為核心，系統(tǒng)開機(jī)后從存儲(chǔ)器上讀取上次檢測(cè)后上位機(jī)發(fā)回的指令及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的末地址，在踏板力傳感器被踩下后，進(jìn)入加速度數(shù)據(jù)與踏板力數(shù)據(jù)采集階段，并同時(shí)通過(guò)MSP430內(nèi)部定時(shí)器對(duì)制動(dòng)過(guò)程計(jì)時(shí)，采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，記錄該數(shù)據(jù)的采集時(shí)間點(diǎn)。在制動(dòng)過(guò)程完成后，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中的踏板力、平均制動(dòng)減速度等參數(shù)并將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)回到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖形化顯示及記錄等操作。下位機(jī)等待上位機(jī)的控制指令，收到指令后將之存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，完成后返回預(yù)讀系統(tǒng)初值狀態(tài)，至此完成一次閉環(huán)檢測(cè)與上報(bào)。

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采取模塊化的思想，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，系統(tǒng)流程圖如圖4。

2.2 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自踏板力傳感器檢測(cè)到壓力且超過(guò)閥值時(shí)開始采集加速度信號(hào)。由于踏板力在制動(dòng)開始階段未達(dá)到最大值，故而在制動(dòng)開始后，利用定時(shí)器開關(guān)中斷以10 Hz的頻率采集踏板力數(shù)據(jù)。同時(shí)從加速度傳感器讀取加速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集在連續(xù)采集到10組低于0.1g的加速度數(shù)據(jù)后停止，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理流程，計(jì)算制動(dòng)初速度，平均制動(dòng)減速度，制動(dòng)距離等參數(shù)。

機(jī)動(dòng)車制動(dòng)過(guò)程可以分成三個(gè)部分，如圖5所示，分別為t1：機(jī)械反應(yīng)時(shí)間;t2：制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間;t3：制動(dòng)力持續(xù)時(shí)間。機(jī)械反應(yīng)時(shí)間t1以踏板力采集到踩踏的時(shí)間開始持續(xù)到制動(dòng)力開始上升為止。制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間t2是指制動(dòng)減速度由0上升到穩(wěn)定制動(dòng)階段所需要的時(shí)間。t2結(jié)束點(diǎn)作為制動(dòng)力持續(xù)時(shí)間t3的開始點(diǎn)，由圖5可知在制動(dòng)完成時(shí)，由于機(jī)動(dòng)車前后輕微抖動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的加速度，將這個(gè)點(diǎn)作為制動(dòng)完成點(diǎn)。

在機(jī)動(dòng)車制動(dòng)過(guò)程中，從制動(dòng)踏板被踩下到制動(dòng)生效有較長(zhǎng)的制動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間，這給整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)初速度，制動(dòng)距離等變量帶來(lái)了較大的累積誤差。因而制動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)采取分段計(jì)算求得，從制動(dòng)結(jié)束點(diǎn)向后數(shù)值積分。t1階段可以視為勻速運(yùn)動(dòng)故而S1=vD·t1，t2階段由于是變減速運(yùn)動(dòng)，故

但是根據(jù)實(shí)際檢測(cè)證明，在t2階段機(jī)動(dòng)車也可以視為勻速運(yùn)動(dòng)。因而可以簡(jiǎn)化運(yùn)算S2=v0·t2，制動(dòng)力持續(xù)階段也屬于變減速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在向后積分的情況下，存在誤差累積的情況且采樣速度較快時(shí)采樣間隔誤差也會(huì)對(duì)減速度大小造成較大誤差。因而采取N次平滑法，N次平滑后使采樣間隔△t基本相等，從而可以用累積求和的方法直接求出行進(jìn)距離與初始速度。

2.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)與處理程序

上位機(jī)系統(tǒng)采取B/S/S(Browser客戶端瀏覽器/WebServer網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器/Database Server)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下位機(jī)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將測(cè)試數(shù)據(jù)以報(bào)文形式發(fā)送到服務(wù)器，經(jīng)由服務(wù)器解碼處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)系統(tǒng)管理員以及機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T可以通過(guò)不同級(jí)別賬戶登錄網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查詢制動(dòng)系統(tǒng)情況。在制動(dòng)性能數(shù)據(jù)處于臨界值或者不合格時(shí)，將相應(yīng)車輛信息加入警告窗口，并通知管理部門同時(shí)向駕駛?cè)藛T發(fā)布報(bào)警短信，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控，將危險(xiǎn)因素抑制于初發(fā)階段的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于3G網(wǎng)絡(luò)利用多維加速度傳感器等檢測(cè)出機(jī)動(dòng)車制動(dòng)過(guò)程中的平均制動(dòng)減速度，制動(dòng)時(shí)間，制動(dòng)距離等關(guān)鍵參數(shù)并經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送檢測(cè)結(jié)果。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝使用，采用了高性能且低功耗的處理器設(shè)計(jì)成便攜便安裝結(jié)構(gòu)，從而可以方便快捷地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)的安全狀態(tài)。系統(tǒng)具有功耗小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安裝方便簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，尤其對(duì)于降低因制動(dòng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的交通事故數(shù)目具有較大的幫助。