鄧召文，高 偉，王保華，劉杰暢

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

在FSAE（Formula SAE，大學生方程式汽車大賽）賽車開發(fā)過程中，車輛懸架系統(tǒng)設計占有舉足輕重的地位，而利用懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)賽車行駛過程的整車實時監(jiān)控，通過試驗反饋改進設計，不斷優(yōu)化賽車設計參數(shù)，提升賽車性能。數(shù)據(jù)采集是將被測對象的各種參量通過傳感器和變送器作適當?shù)霓D換后，經過信號調理、采樣/保持、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到處理器進行數(shù)據(jù)處理、存儲記錄和顯示打印的過程［1］。

國外福特、波什等公司所研發(fā)的車載式汽車性能數(shù)據(jù)采集裝置采集精度高、采集參數(shù)全、體積小、安裝拆卸方便，具備動態(tài)分析汽車各種性能的能力［2］。國內LabVIEW和虛擬儀器技術也得到了快速推廣，在測量/測控、故障診斷、生產過程控制、自動化等領域得到了較為普遍的應用。北京理工大學研制出車輛AMT數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在采集大量數(shù)據(jù)的基礎上對數(shù)據(jù)進行分類、儲存和分析；武漢理工大學研制的WG6120HD串聯(lián)式混合動力電動公交車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以西門子的PLCS7－200為核心處理器，以組態(tài)軟件Fame VIEW實現(xiàn)監(jiān)控及數(shù)據(jù)存儲［2］；吉林大學將虛擬儀器技術應用于汽車懸架性能測試，以虛擬儀器平臺LabVIEW為開發(fā)平臺，開發(fā)設計一種懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)在用汽車的懸架性能測試監(jiān)控功能［3］。國內數(shù)據(jù)采集硬件設備的開發(fā)水平和國外相比較為落后，在數(shù)字信號處理和虛擬儀器方面發(fā)展依舊任重道遠［4］。

為了體現(xiàn)賽車的極限性能，F(xiàn)SAE賽車都采用獨立懸架，操縱穩(wěn)定性要求較高。FSAE賽事規(guī)則要求苛刻：賽車前后車輪的有效行程至少為50.8mm的上跳行程和25.4mm的回彈行程；在側向傾斜60°時，賽車不發(fā)生側翻；非穩(wěn)定工況減少車身縱傾［5］；輪胎接地性能好，能適應高速、極速過彎需求［6］。為了實現(xiàn)賽車懸架特性的動態(tài)監(jiān)控，優(yōu)化賽車改進設計，滿足苛刻的賽事規(guī)則要求，國外懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經被廣泛地運用在FSAE賽車上，而國內應用較少，武漢理工大學開發(fā)的賽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對發(fā)動機轉速、橫向加速度等信號進行采集，實現(xiàn)對賽車的實時監(jiān)控［7］。

本文開發(fā)設計了一套FSAE懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用單片機進行前端數(shù)據(jù)采集，通過無線模塊、串口通訊實現(xiàn)與LabVIEW的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)可以對動態(tài)賽車進行減震器壓縮量的實時采集、記錄與回放，并實時計算處理獲得車輪輪芯跳動行程、車輪載荷大小及頻譜曲線。利用系統(tǒng)實時反映的動態(tài)信息，檢測車輪行程是否滿足FSAE規(guī)則要求，研究賽車在制動、加速以及轉彎等極限工況下的軸荷轉移情況，以指導賽車懸架性能調校及整車性能優(yōu)化。

1 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能設計

賽車操縱穩(wěn)定性與懸架剛度、減震器阻尼、側偏剛度等參數(shù)密切相關。以減震器壓縮量作為采集對象，不僅方便測量，而且能夠計算車輪載荷，利于懸架參數(shù)優(yōu)化。為保證賽車的操作穩(wěn)定性，需要以減震器壓縮量作為參考來調校減震器阻尼，以輪芯跳動量（車輪行程）為參考來調校車身偏頻，以車輪載荷為參考來計算側傾力矩，調整賽車穩(wěn)態(tài)響應特性。因此，將采集系統(tǒng)的輸出量確定為輪芯位移、車輪載荷、最值、頻譜分析。

1.1 輪芯跳動量

輪芯跳動量可以通過減震器壓縮量間接計算得到，即

其中，RM為傳遞比；L車為輪芯跳動量；L減為減震器壓縮量。

車身與車輪2自由度振動簡化系統(tǒng)如圖1所示。圖1中可知，q為路面不平度函數(shù)，是振動系統(tǒng)的輸入量；z1為輪芯位移，是振動系統(tǒng)的輸出量。據(jù)此可計算出車輪動載和懸架動撓度等一系列振動響應量，通過對懸架系統(tǒng)固有頻率和阻尼比的選擇，來匹配出更適合賽車駕駛環(huán)境的懸架系統(tǒng)。同時輪芯位移可以反映出車輪的行程，從而驗證賽車的設計是否符合比賽規(guī)則，監(jiān)測轉向過程中內側車輪是否離地，便于懸架側傾剛度的調校。

圖1 車身與車輪兩自由度振動簡化系統(tǒng)

1.2 車輪載荷

車輪載荷的計算公式為：

其中，F(xiàn)車為車輪載荷；F減為減震器載荷；K為彈簧剛度。選擇車輪載荷作為輸出量的意義在于：① 確定賽車在制動、加速以及轉彎等極限工況下的軸荷轉移；② 由車輪垂直載荷估算側傾力矩，從而優(yōu)化側傾角剛度，調整前、后懸架的橫向穩(wěn)定桿，使賽車根據(jù)需要改變其穩(wěn)態(tài)響應類型（不足轉向或過多轉向）。

1.3 頻譜分析

頻譜，即信號的振幅與頻率的關系，將時域信號變成頻域信號再分析稱為頻譜分析，多數(shù)情況下需要觀察頻譜圖進行頻率分析［8］。對于賽車車身振動而言，其振動信號既包含了激勵力（車輪載荷）的特征，也包含了系統(tǒng)的固有特性。通過對采樣信號（減震器壓縮量）進行頻譜分析，可以觀測在哪個頻率段信號振動幅度最大，從而來調整懸架的振動偏頻，改善賽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。

2 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的基本硬件設備包括位移傳感器、單片機、無線傳輸模塊、RS232等。懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構

2.1 位移傳感器

減震器壓縮量屬于直線位移，且賽車減震器行程為±63mm，故選用KPM－75mm非接觸微型鉸接式直線位移傳感器。其相關參數(shù)為：公稱行程規(guī)格75mm、電阻行程75.5mm、相對線性精度±0.1%、電阻值5×（1±0.1）kΩ、分辨率0.01mm、最大工作速度5m/s等。該傳感器具有防腐蝕、無溫漂、無需對中、允許極限運動、可在惡劣條件下使用、壽命高等優(yōu)點。

2.2 單片機

單片機選用飛思卡爾智能車單片機MC9S12XS 128MAA最小系統(tǒng)板。此款單片機采用原裝芯片和元器件，PCB采用高品質材料，并采用回流焊工藝焊接，質量可靠；總線頻率最高可超頻到96MHz，一般保證80MHz穩(wěn)定運行；串口接口，參考電壓為5V；該系列單片機采用S12XV2CPU內核。

為了避免信號混疊，并且充分保持信號的形狀，必須使用比奈奎斯特頻率更高的頻率進行采樣，通常至少為信號最高頻率的5～10倍［9］。因此將單片機的底層采樣頻率定為1MHz，此頻率遠高于信號最高頻率，可使采集信號更貼近真實值且避免信號混疊。為了與串口配置中的默認波特率9 600相匹配，將單片機的發(fā)送頻率設置為50Hz。波特率的計算公式為：

2.3 無線模塊

賽車數(shù)據(jù)采集需要在其行駛過程中進行動態(tài)的實時數(shù)據(jù)傳遞，因此必須采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不受距離的限制。無線模塊的工作電壓不能超過單片機工作電壓（5V），其頻率必須大于單片機的發(fā)送頻率（50Hz），同時也應與串口的波特率（9 600）相匹配，故選用無線串口模塊作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其參數(shù)為頻率433MHz、電壓5～12V、功率600mW，接口為RS232接口。

3 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體軟件設計

懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化軟件編程。系統(tǒng)應實現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)處理功能、數(shù)據(jù)存儲和回放功能、數(shù)據(jù)打印功能。根據(jù)各個模塊的功能實現(xiàn)方案，系統(tǒng)軟件總體設計方案如圖3所示。

圖3 總體軟件設計方案

3.2 軟件設計流程

主程序采用條件結構對各功能進行選擇，各個功能分別進行子VI編寫，然后在主程序中直接調用。軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

3.3 主要程序模塊設計

3.3.1 數(shù)據(jù)采集功能模塊

數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)對賽車懸架系統(tǒng)中減震器壓縮量的采集，數(shù)據(jù)類型為十六進制字符串，采集類型為動態(tài)實時數(shù)據(jù)采集，通過VISA配置串口。

（1）VISA配置串口VI。LabVIEW中自帶的函數(shù)子VI，主要功能是使VISA資源名稱指定的串口按特定設置初始化，此VI有6個輸入控件和2個輸出控件。

（2）波特率。它是一個衡量通信速度的參數(shù)，表示每秒傳送的bit個數(shù)。波特率與距離成反比；高波特率常用于距離很近的儀器間的通信，在懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用默認值9 600。

（3）數(shù)據(jù)位。它是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，標準值是5、7、8位，實際的數(shù)據(jù)如何設置取決于要傳送的信息。標準的ASCII碼是0～127（7位），擴展的ASCII碼是0～255（8位）。本文程序中，數(shù)據(jù)是擴展的ASCII碼，故設置為8。

（4）停止位。用于表示單個包的最后一位，典型值為1、1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有自己的時鐘，很可能在通信中2臺設備間出現(xiàn)了微小的不同步，因此停止位不僅表示傳輸?shù)慕Y束，還提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

（5）奇偶校驗位。它是串口通信中一種簡單的檢錯方式，有4種檢錯方式，即偶、奇、高和低。

（6）VISA讀取（函數(shù)）。它是系統(tǒng)自帶的子VI，功能是從VISA資源名稱指定的設備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并使數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。依據(jù)不同的平臺，數(shù)據(jù)傳輸可為同步或異步。硬件設備同步傳輸數(shù)據(jù)時，調用線程在數(shù)據(jù)傳輸期間處于鎖定狀態(tài)。依據(jù)傳輸?shù)乃俣龋摬僮骺勺柚蛊渌枰{用線程的進程。程序默認為異步I/O。

3.3.2 數(shù)據(jù)解析模塊

數(shù)據(jù)解析模塊由分段截取和進制轉換2部分構成，即先從連續(xù)的十六進制字符串中分離出4個車輪AA、BB、CC、DD的采樣值，再分別對4個車輪的采樣值進行進制轉換，將十六進制轉換為十進制。數(shù)據(jù)解析模塊程序框圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)解析模塊的主要子VI介紹如下：

（1）分段截取子VI。由于接收到的數(shù)據(jù)為連續(xù)不間斷的十六進制字符串，因此需要將字符串進行分離和提取。例如接收的部分字符串為AA 02 83BB 02 15CC 02 4FDD 02 08AA，則采集時需要將AA與BB之間的數(shù)字0283提取出來作為車輪AA的采樣值，將BB與CC間的0215提取出來作為車輪BB的采樣值，以此類推。

數(shù)據(jù)提取中通過搜索/拆分字符串節(jié)點找到AA，然后截取到從AA起第3位的字符，如果該字符是BB則說明該段字符串有效。在判斷正確后截取字符串，通過依次移位將BB之后的兩位數(shù)、CC之后的兩位數(shù)和DD之后的兩位數(shù)依次提取出來。采集到的數(shù)據(jù)有時會出現(xiàn)DD 02 3A AA 02 2EBB 02 5CCC 01這種3個A相連的情況，此時如果不加以判斷，則會從第1個AA開始截取，則AA輪的采樣值將被分離成A022，而實際值為022E，因此此段數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，不能進行之后的進制轉換。

圖5 數(shù)據(jù)解析模塊程序框圖

（2）進制轉換子VI。接收到的數(shù)據(jù)為十六進制，需要轉換為十進制數(shù)據(jù)進行后續(xù)的公式運算。十六進制字符串通過字符串至字節(jié)數(shù)組轉換節(jié)點將其轉換為不帶符號字節(jié)的數(shù)組，數(shù)組中的各個字節(jié)是字符串相應字符的ASCII碼值。再通過索引數(shù)組節(jié)點將二維數(shù)組中0位置的元素乘以16的二次方即256后，與1位置上的元素相加，其和即為該十六進制數(shù)所對應的十進制數(shù)。

程序中，最小采樣值為車輪完全離地時減震器彈簧的壓縮量所對應的采樣值。傳感器分辨率為傳感器感受最小變化的能力［10］。所以采樣值乘以傳感器分辨率才能得到實際的位移變化量。

（3）條件結構函數(shù)。它包括1個或多個子程序框圖、分支，結構執(zhí)行時，僅有1個子程序框圖或分支執(zhí)行。連線至選擇器接線端的值可以是布爾、字符串、整數(shù)或枚舉類型，用于確定要執(zhí)行的分支。通過標簽工具可輸入條件選擇器標簽的值，并配置每個分支處理的值。在此例中，用于判斷，如果數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)則返回“真”，允許進行進制轉換，若數(shù)據(jù)無效則返回“假”，不進行后續(xù)的進制轉換。

3.3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊包含計算和顯示2大類。計算包括傳感器壓縮量、輪芯上跳量以及車輪載荷的計算及最大值的求解；顯示指動態(tài)波形顯示和數(shù)值顯示。

數(shù)據(jù)處理模塊程序框圖如圖6所示。解析后的數(shù)據(jù)即為減震器壓縮量，通過減震器壓縮量可以計算出輪芯上跳量和車輪載荷。通過連接各個輪的傳感器壓縮量和車輪載荷進行信號合并，將合并后的信號利用波形圖表進行顯示。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊程序框圖

數(shù)據(jù)處理模塊的主要子VI介紹如下：

（1）公式計算子VI。公式計算子VI主要為公式的編寫，輸入量為減震器壓縮量、傳遞比和彈簧剛度，輸出的結果為車輪載荷、輪芯跳動量、最大彈簧壓縮量、最大輪芯跳動量和最大載荷。公式計算子VI的程序如圖7所示。

圖7 公式計算子VI程序框圖

（2）數(shù)組最大值與最小值子VI。此VI為LabVIEW系統(tǒng)自帶的函數(shù)VI，它的功能為搜索采樣長度指定的輸入數(shù)據(jù)點的最大值和最小值，所選區(qū)域由采樣長度數(shù)據(jù)確定。索引值介于0和采樣長度之間。此VI可從動態(tài)的數(shù)據(jù)中將最新接收到的數(shù)據(jù)與上一位數(shù)據(jù)相比較，若最新接收到的數(shù)據(jù)較大則加以記錄并顯示，若較小則保留目前為止最大的數(shù)據(jù)。

（3）波形圖表控件。波形圖表是顯示1條或多條曲線的特殊數(shù)值顯示控件，一般用于顯示以恒定速率采集到的數(shù)據(jù)。波形圖表的默認圖表歷史長度為1 024個數(shù)據(jù)點。向圖表傳送數(shù)據(jù)的頻率決定了圖表重繪的頻率。波形圖表接收波形數(shù)據(jù)類型，該類型包含了波形的數(shù)據(jù)、起始時間和時間間隔（Δt）。如需向波形圖表傳送多條曲線的數(shù)據(jù)，可將這些數(shù)據(jù)捆綁為1個標量數(shù)值簇，其中每個數(shù)值代表各條曲線上的單個數(shù)據(jù)點。

3.3.4 信號處理功能

信號處理功能即對采集到的輪芯跳動量進行頻譜分析，主要是功率譜和幅度譜的分析。

頻譜分析模塊程序框圖如圖8所示。

頻譜圖分析流程為：通過程序框圖中的局部變量選擇要分析的動態(tài)信號（包括A、B、C、D各個減震器壓縮量波形、車輪上跳量波形），將動態(tài)信號通過FFT（逐點）VI進行傅里葉變換，再經過索引數(shù)組將其轉換成極坐標，經過FOR循環(huán)輸出頻譜圖。

圖8 頻譜分析模塊程序框圖

功率譜分析流程為：通過局部變量選擇要分析的波形（包括車輪上跳量總波形、減震器壓縮量總波形），將動態(tài)數(shù)據(jù)轉換成數(shù)組，通過Lab－VIEW系統(tǒng)功率譜VI進行頻譜分析，輸出功率譜。

主要節(jié)點有：

（1）功率譜VI。此VI所屬選板為譜分析VI，其功能是計算輸入序列X的功率譜SXX。功率譜返回X的雙邊功率譜。

（2）FFT（逐點）VI。此VI用來計算X的傅里葉變換。因為輸入信號為減震器壓縮量隨時間的變化，即時域，若進行頻譜分析，需要將時域變?yōu)轭l域，可通過傅里葉變換來實現(xiàn)。

（3）從動態(tài)數(shù)據(jù)轉換節(jié)點。此節(jié)點所屬選板為信號操作Express VI，功能是使動態(tài)數(shù)據(jù)類型轉換為可與其他VI和函數(shù)配合使用的數(shù)值、布爾、波形和數(shù)組數(shù)據(jù)類型。其轉換包括：① 結果數(shù)據(jù)類型，指定轉換動態(tài)數(shù)據(jù)類型至何種數(shù)據(jù)類型；② 浮點數(shù)（雙精度），使數(shù)值（包括數(shù)組中的值）格式化為雙精度浮點型；③ 布爾（TRUE與FALSE），使數(shù)值（包括數(shù)組中的值）格式化為布爾值；④ 通道，指定要獲得數(shù)據(jù)的通道。

3.3.5 數(shù)據(jù)記錄與回放模塊

數(shù)據(jù)記錄模塊是為了儲存實時采集到的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)在監(jiān)測賽車懸架參數(shù)變化的同時還能記錄數(shù)據(jù)，方便以后的調用和回放。需要記錄的數(shù)據(jù)為車輪最大載荷、輪芯跳動量、采樣時間等。為了方便記錄，采用文本文件記錄方式，將接收緩沖區(qū)的字符串儲存至文件夾。調用時，通過串口助手發(fā)送至LabVIEW采集系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。

4 試驗調試與系統(tǒng)驗證

4.1 試驗調試

賽車在場地行駛，傳感器采集到的信號經單片機處理后通過發(fā)射天線傳送至無線數(shù)據(jù)模塊，無線數(shù)據(jù)模塊通過USB數(shù)據(jù)線接入電腦。打開懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，點擊開始采集按鈕，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中減震器壓縮量出現(xiàn)－50mm，正常情況下，減震器壓縮量應在0～60mm，說明懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出錯。

因為減震器彈簧受車輪與地面支撐的限制，只能壓縮不能拉伸，若出現(xiàn)負值則最小采樣值出現(xiàn)錯誤，需要重新測定［10－11］，即 AA、BB、CC、DD最小采樣值設置不合理。因此通過3次將車輪抬起懸空，同時測取單片機輸出的采樣值進行十進制轉換，取3次采樣值的平均值作為最終值，將原來的最小采樣值修訂，得到AA輪最小采樣值為550，BB輪為425，CC輪為417，DD輪為494。

修訂之后再進行數(shù)據(jù)采集，此時數(shù)據(jù)趨于正常，減震器壓縮量在0～60mm之內，車輪載荷不超過800N。調試修正后程序測試的各功能界面如圖9所示。

圖9 調試修正后程序測試的各功能界面

4.2 系統(tǒng)驗證

對于懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可行性，采用以下方案進行驗證：將單片機采集到的數(shù)據(jù)通過計算機進行進制轉換，并通過公式人工計算車輪跳動量、載荷；將人工計算結果與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出結果進行對比，如果誤差在合理范圍之內即系統(tǒng)可行。截取一段采樣值：AA02700271 BB01FDCC 0252DD 0261，將人工分離計算的結果與采集系統(tǒng)解析結果對比，結果見表1所列。

表1 人工計算值與采集系統(tǒng)解析值對比

由表1可以看出，采集系統(tǒng)解析出的結果與人工分離字符串后計算出的結果一致，證明系統(tǒng)的解析思路及方法是正確的，懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可行。

5 結論

（1）通過懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行賽車實時監(jiān)控，既可以檢驗賽車是否符合參賽規(guī)則要求，又可對減震器阻尼、橫向穩(wěn)定桿剛度等相關參數(shù)的優(yōu)化進行檢驗和反饋。

（2）通過驗證，系統(tǒng)輸出量數(shù)值等于相應采樣值人工解析計算值結果，證明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解析思路正確，且系統(tǒng)輸出的輪芯跳動范圍和車輪最大載荷均符合實際情況，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式正確，系統(tǒng)可以運用于賽車實時監(jiān)測。

（3）本文懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以減震器壓縮量為采集對象，以輪芯跳動量、車輪載荷、最值、頻譜作為輸出量，性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確、功能較為全面，具有較強的實用性。

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