田韶鵬 李 理

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 前言

汽車空調(diào)系統(tǒng)具有制冷、取暖、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制等功能，是影響汽車舒適性的主要總成之一[1]。

汽車空調(diào)中的控制面板作為人機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)界面，它的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到操作人員的操作效率和準(zhǔn)確性[2]。按鍵是空調(diào)控制面板上數(shù)量較多且使用頻繁的控制鍵，其主要是對(duì)電源開關(guān)、除霜和除霧開關(guān)以及氣流分配模式進(jìn)行控制。為保證按鍵質(zhì)量，汽車空調(diào)控制面板的生產(chǎn)廠家需利用相關(guān)性能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測(cè)，通過對(duì)獲得的各項(xiàng)工作參數(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，找出在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中存在的疏漏和缺陷，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品性能，保證產(chǎn)品的出廠合格率。為此，根據(jù)某汽車空調(diào)廠家對(duì)控制面板的測(cè)試要求，基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)，開發(fā)了一套汽車空調(diào)控制面板按鍵測(cè)試系統(tǒng)。

2 硬件平臺(tái)及結(jié)構(gòu)布置

汽車空調(diào)控制面板按鍵測(cè)試系統(tǒng)采用分體獨(dú)立結(jié)構(gòu)模式，包括試驗(yàn)臺(tái)、控制臺(tái)和電氣柜。試驗(yàn)臺(tái)包括夾具、電機(jī)、傳感器和臺(tái)架基座等，如圖1所示；控制臺(tái)布置有顯示器、單片機(jī)和內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)；電氣柜內(nèi)設(shè)有電源、電機(jī)控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

為保證測(cè)試精度要求，該測(cè)試系統(tǒng)選用了高精度的傳感器及步進(jìn)電機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)通過計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)整傳感器相對(duì)樣件的測(cè)量方位，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及顯示等功能。

3 測(cè)試對(duì)象及原理

3.1 測(cè)試對(duì)象

該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象是按鍵的壓力和位移，壓力測(cè)試范圍為0～20 N，位移測(cè)試范圍為0～2.5 mm。

因按鍵壓力隨位移的變化較復(fù)雜，所以在測(cè)試過程中首先對(duì)按鍵的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析。通常汽車空調(diào)面板按鍵均采用橡膠皮碗式按鍵，其測(cè)試?yán)碚撉€如圖2所示。當(dāng)按鍵按下時(shí)，外力推動(dòng)皮碗向后運(yùn)動(dòng)，按鍵壓力隨位移的增加而增大；當(dāng)按鍵壓力達(dá)到皮碗的翻轉(zhuǎn)力F3時(shí)，皮碗開始翻轉(zhuǎn)，按鍵壓力隨位移的增加而減??；當(dāng)按鍵位移增加到一定值時(shí)，皮碗與電路板接觸，電路導(dǎo)通，按鍵壓力從F2開始隨位移的增加而增大。按鍵返回時(shí)的曲線與按下時(shí)基本一致，但反向曲線總在正向曲線下方，在每一位移上，反向曲線對(duì)應(yīng)的按鍵壓力均小于正向曲線的按鍵壓力。

3.2 測(cè)試原理

測(cè)試工位采用直線運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)方式，選用直線型步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，拉壓力傳感器和位移傳感器作為測(cè)試儀器。

在試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置按鍵測(cè)試機(jī)構(gòu)來測(cè)試按鍵壓力與按鍵位移之間的關(guān)系，評(píng)價(jià)按鍵相關(guān)性能，按鍵測(cè)試機(jī)構(gòu)如圖3所示。測(cè)試前，首先將電機(jī)螺帽和導(dǎo)向鍵固定在電機(jī)推桿上，并旋緊拉壓力傳感器，用螺釘將電機(jī)推桿壓圈和拉壓力傳感器鎖緊。然后固定電機(jī)，將電機(jī)安裝板用螺釘固定在測(cè)試機(jī)構(gòu)導(dǎo)向套和手動(dòng)推桿之間，在測(cè)試機(jī)構(gòu)導(dǎo)向套上裝入接近開關(guān)和位移傳感器。最后將電機(jī)推桿裝入測(cè)試機(jī)構(gòu)導(dǎo)向套，啟動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)螺帽套入電機(jī)螺桿，當(dāng)電機(jī)推桿壓圈距離接近開關(guān)3～5 mm時(shí)電機(jī)停止。此時(shí)位移傳感器處于被壓縮狀態(tài)，測(cè)試機(jī)構(gòu)裝配完畢。

裝配完成后，將控制面板樣件固定，并使電機(jī)推桿與按鍵中心線同軸，然后調(diào)整拉壓力傳感器觸頭至待測(cè)按鍵的距離（一般為1～2 mm），準(zhǔn)備測(cè)試?？刂瞥绦虿捎脭?shù)字信號(hào)0或1來控制電機(jī)啟停及正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)推桿的前進(jìn)與后退，達(dá)到測(cè)試目的。

測(cè)試時(shí)，首先啟動(dòng)電機(jī)使電機(jī)正轉(zhuǎn)，平移推出拉壓力傳感器測(cè)試按鍵，處于壓縮狀態(tài)的位移傳感器得到釋放，當(dāng)所測(cè)壓力值達(dá)到設(shè)置值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)拉壓力傳感器平移返回到起始位置后，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在測(cè)試過程中，測(cè)試系統(tǒng)以拉壓力傳感器的觸頭與按鍵接觸的時(shí)刻作為測(cè)試起點(diǎn)，采集位移傳感器的位移信號(hào)和拉壓力傳感器的按鍵壓力信號(hào)，通過換算并保存數(shù)據(jù)，同時(shí)以圖形的方式顯示兩者之間的關(guān)系。

為避免過載工作，保護(hù)傳感器，該工位采取了接近開關(guān)硬件位移限位保護(hù)和軟件壓力限值保護(hù)措施，當(dāng)超過接近開關(guān)限位或程序采集到的數(shù)值超過限制值時(shí)，控制程序可立即使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)試系統(tǒng)停止測(cè)試。

4 程序設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)采用LabVIEW軟件[3]進(jìn)行整個(gè)控制程序的編寫。控制程序主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、傳感器控制、電機(jī)控制和PID系統(tǒng)保護(hù)[4]等6個(gè)部分。測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集程序

試驗(yàn)臺(tái)采用研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡、單片機(jī)和LabVIEW程序來控制步進(jìn)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。PCI-1711為12位的低損耗多功能采集卡，具有獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)和完善的數(shù)據(jù)采集與控制功能，可靈活設(shè)定輸入類型和范圍，采集速率達(dá)100 kHz[5]。它帶有一系列針對(duì)LabVIEW編輯環(huán)境的端口驅(qū)動(dòng)程序，只需調(diào)用相應(yīng)的VI程序，再根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)加以修改即可使用。

為保證準(zhǔn)確檢測(cè)測(cè)量對(duì)象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，該測(cè)試系統(tǒng)采用了研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡支持的多通道中斷（MADINT）方式編程。為使采集程序滿足測(cè)試要求，需正確設(shè)置采集參數(shù)，該測(cè)試程序中的多通道高速數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置如表1所列。

表1 采集參數(shù)設(shè)置

對(duì)于不同的采樣頻率，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。當(dāng)采集程序占用CPU資源過大，因采樣頻率較高而達(dá)不到采樣要求時(shí)，可通過增加每次采集模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)目來降低CPU使用率，以提高數(shù)據(jù)采集速度。如果廠家對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的要求不高，則程序中一般使用緩沖器FIFO，將通道數(shù)設(shè)置為16，起始通道設(shè)置為0通道，即對(duì)每個(gè)通道都進(jìn)行檢測(cè)，以便于測(cè)試設(shè)備的擴(kuò)展。

拉壓力傳感器和位移傳感器所采集的電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，再經(jīng)PCI接口傳入工控機(jī)，然后采集程序讀取采集卡上各端口的電壓值以隊(duì)列的形式輸出。經(jīng)過LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)在前面板上以波形圖的形式顯示，并分別生成bmp格式圖片及xls表格。采集程序如圖5所示。

4.2 數(shù)據(jù)濾波處理

測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)難免存在干擾，該測(cè)試系統(tǒng)主要受到外界干擾、工控機(jī)板卡間的電磁干擾及電源不穩(wěn)定造成的噪聲干擾，這些都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，因此采集的信號(hào)必須進(jìn)行濾波處理。該測(cè)試系統(tǒng)采用雙重濾波，首先利用高通濾波器濾掉板卡間電磁干擾產(chǎn)生的噪聲，然后利用中值濾波器濾掉變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于不同測(cè)試環(huán)境，用戶可自行選擇濾波方式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

5 工件測(cè)試及分析

利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某型空調(diào)控制面板進(jìn)行抽樣檢測(cè)，判斷其橡膠皮碗式按鍵的力學(xué)性能是否達(dá)標(biāo)。測(cè)試時(shí)要求傳感器觸點(diǎn)的推進(jìn)速度接近人為的習(xí)慣速度，測(cè)試結(jié)果見圖6。如圖6所示，電機(jī)推桿正向前進(jìn)時(shí)，隨著位移的增加，按鍵壓力先增大后降低再增大；當(dāng)按鍵行程結(jié)束，按鍵壓力值陡然增加且超過按鍵壓力的反轉(zhuǎn)限定值12 N時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)推桿帶動(dòng)拉壓力傳感器后退，按鍵壓力先減小后增大再減小。

對(duì)比圖6與圖2可看出，測(cè)試結(jié)果與理論分析相吻合，證明該測(cè)試系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)完全符合實(shí)際運(yùn)行工況，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和失真等情況。該力—位移曲線不僅反映了局部特性，而且能反映整個(gè)按鍵操作過程中的全局特性。

6 結(jié)束語

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)了一套汽車空調(diào)控制面板按鍵的測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)操作界面友好，測(cè)試精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試成本低，可擴(kuò)充性好，完全能夠滿足汽車空調(diào)廠商對(duì)汽車空調(diào)控制面板按鍵的測(cè)試要求。它不僅能夠?qū)ζ嚳照{(diào)產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測(cè)，同時(shí)也為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)生產(chǎn)過程提供了重要依據(jù)。

1 陳江平.國(guó)外汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).制冷學(xué)報(bào)，2002（4）:30～33.

2 宋小青，`1沈璽.基于人機(jī)工程學(xué)的控制面板設(shè)計(jì)研究.裝備制造技術(shù)，2006（4）:67～69.

3 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

4 關(guān)智明.汽車空調(diào)控制面板的控制鍵測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)研發(fā):[學(xué)位論文].武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

5 劉玉璽，桑會(huì)平，湯楠，等.PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡及其應(yīng)用.應(yīng)用天地，2004（2）:25～26.