姜闊勝，李 陽，謝有浩，張嚴(yán)芬，李良和

1 引言

電子機械復(fù)合制動系統(tǒng)(EMB)是現(xiàn)代智能汽車的重要組成單元，制動系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性是汽車安全行駛的重要保障，因此，開展以提升EMB系統(tǒng)性能為目的科學(xué)研究，滿足現(xiàn)代智能汽車和新能源汽車自動化和智能化的需求，成為眾多學(xué)者的研究熱點和重點。傳統(tǒng)的EMB研究主要集中在機構(gòu)改造和理論分析：EMB主要采用電機帶動錐齒輪和二級減速齒輪傳動形式的制動系統(tǒng)文獻(xiàn)[1]。圍繞上述傳動形式和替換上述傳動形式中的某一單元，產(chǎn)生相關(guān)成果，如文獻(xiàn)[2]搭建了EMB試驗臺并完成了測控系統(tǒng)的研究，博世公司采用電磁離合器加行星輪減速器的方式單間制動系統(tǒng)等。在制動系統(tǒng)建模和控制算法方面，基于ADAMS的汽車電子機械制動系統(tǒng)柔性耦合分析[3]，以及制動系統(tǒng)的傳遞特性和控制算法研究[4]、基于路面識別的EMB防抱死系統(tǒng)控制算法[5-6]等技術(shù)為EMB的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

事實上，EMB系統(tǒng)本質(zhì)是實現(xiàn)對汽車制動盤的制動控制，尤其是制動盤的圓跳動量是EMB系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。然而目前，常見的EMB試驗系統(tǒng)依然采用人工讀取記錄數(shù)顯千分表的形式測量圓跳動量，這種形式響應(yīng)速度慢，采樣周期長，測量誤差大?；诩す馕灰苽鞲衅骰蛘唠姕u流位移傳感器的非接觸測量形式同樣存在著對制動盤材料性能和反光特性要求嚴(yán)格的問題[7-10]。綜上所述，本文提出一種基于解析數(shù)顯千分表通信協(xié)議的測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對EMB系統(tǒng)的高頻位移測量。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在汽車制動系統(tǒng)中，制動零件的健康狀況直接影響了汽車行駛的安全性。其中，制動盤的圓跳動量是檢測制動盤質(zhì)量性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，汽車制動盤圓跳動量要求在小于0.05mm，而千分表相對于百分表具有更高的精度。

本文為實現(xiàn)EMB制動系統(tǒng)制動盤圓跳動量的經(jīng)濟、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測量，設(shè)計了一種基于數(shù)顯千分表的EMB制動盤圓跳動量測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)由數(shù)顯千分表、EMB制動試驗臺、STM32單片機、信號轉(zhuǎn)換模塊、TTL轉(zhuǎn)USB模塊及計算機組成。測量時，首先將磁力座固定在汽車制動盤附近位置，并將測桿基本垂直于制動盤待測端面，系統(tǒng)實物如圖1所示。

圖1 EMB制動盤端面圓跳動量測量系統(tǒng)

3 圓跳動量測量原理

本文采用容柵數(shù)顯千分表作為位移傳感器，該傳感器輸出信號為高(約1.5v)、低(約0v)電平數(shù)字信號。受STM32單片機GPIO口采集電壓的條件限制，需通過信號調(diào)理電路將容柵數(shù)顯千分表輸出信號的高電平從1.5v升至3.3v。當(dāng)數(shù)字電平信號被STM32單片機采集時，利用千分表的編碼原理，可將數(shù)值(date)轉(zhuǎn)化為字符串。通過串口實現(xiàn)下位機與上位機的通信，將下位機測量結(jié)果實時傳至上位機。

3.1 數(shù)顯千分表及其編碼方式

數(shù)顯千分表的編碼器如圖2所示，圖2a)為時鐘信號，圖2b)為數(shù)據(jù)信號脈沖。當(dāng)時鐘信號脈沖發(fā)生上升沿跳變時數(shù)據(jù)信號脈沖有效，讀取數(shù)據(jù)信號的高低電平。一組時鐘信號共24個串行脈沖，對應(yīng)數(shù)據(jù)信號脈沖的24個點的電平狀態(tài)(0或1)。

圖2 千分表編碼圖

3.2 輸出信號調(diào)理電路

千分表的時鐘信號的脈沖和數(shù)據(jù)信號脈沖的高電平都是1.5v，為滿足stm32單片機讀取電平狀態(tài)的要求，通過升壓電路將容柵數(shù)顯千分表輸出信號的高電平從1.5v升至3.3v。升壓電路板主要包括LM393雙電壓比較器和分壓電阻，比較器用單電源供電，供電電壓為3.3v。輸出信號調(diào)理電路原理圖如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路原理圖

4 圓跳動量測量系統(tǒng)設(shè)計

整個測量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和上、下位機軟件系統(tǒng)程序設(shè)計。硬件系統(tǒng)運行下位機程序作為整個測量系統(tǒng)的下位機，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊用來進行上下位機通信。上位機程序在計算機上運行，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的觀測、記錄和保存。

4.1 硬件系統(tǒng)

在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，包括數(shù)顯千分表、信號調(diào)理電路、USB轉(zhuǎn)串口模塊、STM32單片機、計算機。數(shù)顯千分表作為前端傳感器，可接觸輸出四根輸出信號線，分別為電源線(1.5～1.55v)、地線、時鐘控制線CLK、數(shù)據(jù)輸出線(DATE)，測量時可將各信號輸出。并且具有設(shè)計了LM393信號調(diào)理電路，使輸入信號調(diào)理電路的信號放大至3.3v。利用USB轉(zhuǎn)串口模塊將串口通信轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代通用計算機具有的USB端口通信方式。利用計算機作為上位機顯示存儲測量數(shù)據(jù)。

圖4 硬件系統(tǒng)

4.2 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計包括上位機自動存儲系統(tǒng)和下位機的主程序、外部中斷、定時器中斷、GPI、全局變量、串口通信技術(shù)。單片機采集到完整的24位數(shù)據(jù)后將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十進制數(shù)。由于計算機上顯示的字符常用格式是ASCII 字符，因此需要將采集到的十進制數(shù)據(jù)進一步轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的4-6 ASCII 字符。圖4為千分表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時的原理圖采集系統(tǒng)的實現(xiàn)主要靠使用STM32單片機。在千分表讀數(shù)采集系統(tǒng)中，使用GPIO口捕獲千分表輸出數(shù)據(jù)信號高低電平功能實現(xiàn)硬件數(shù)據(jù)采集過程。捕獲輸入功能有三種觸發(fā)模式:上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)和跳變觸發(fā)。由于千分表輸出的串行數(shù)據(jù)在CLK 信號的上升沿有效，因此試驗中使用上升沿觸發(fā)模式。當(dāng)單片機允許進入中斷服務(wù)并開始捕捉跳變信號，即可開始計數(shù)，并溢出定時器中斷，系統(tǒng)開始獲取測量數(shù)據(jù)信號。

下位機主程序進行初始化及對單片機進行配置。I/O口初始化，配置AO和A2口，其中時鐘控制信號連接在A0口上，下拉輸入[5]；數(shù)據(jù)信號線連接在A2口上，浮空輸入。串口初始化，配置COM3，波特率為115200。外部中斷初始化，配置外部中斷0，中斷觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)。定時器初始化，設(shè)置定時器4溢出中斷，定時間隔10ms。

主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)將采集的信號進行處理，轉(zhuǎn)為十進制數(shù)據(jù)，并可傳送至上位機顯示。測量系統(tǒng)啟動，主程序開始運行至While循環(huán)中，當(dāng)全局變量flag2為真時，進入case真分支，將數(shù)據(jù)date解碼為十進制數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為字符串，通過串口3發(fā)送出去?？梢园l(fā)送至上位機顯示，也可以用于位移數(shù)據(jù)采集，進行數(shù)據(jù)分析。當(dāng)全局變量flag2為假時，空循環(huán)，等待flag2變?yōu)檎?。具體程序如圖5所示：

圖5 下位機主程序圖

上位機自動存儲系統(tǒng)主要通過“VISA函數(shù)”把串口數(shù)據(jù)寫入“寫入電子表格文件VI”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的TXT文件格式保存在計算機任意位置，點擊輸入路徑即可。點擊按鈕開始或暫停測量，同時數(shù)據(jù)保存，并可通過前面板實時觀察測量數(shù)據(jù)。如圖6：

圖6 上位機系統(tǒng)

外部中斷程序主要實現(xiàn)對時鐘控制信號的捕捉和對數(shù)據(jù)輸出信號的計數(shù)功能。當(dāng)時鐘控制信號發(fā)生上升沿跳變時，進入中斷服務(wù)程序。在定時器中斷中，千分表時鐘控制信號的24個脈沖的時間寬度是9ms左右，此處定時器中斷的功能是用來檢測當(dāng)數(shù)據(jù)是否發(fā)生異常并及時處理，使下次外部中斷和定時器正常運行。

4.3 實驗分析

本文基于數(shù)顯千分表的EMB制動盤圓跳動量測量系統(tǒng)，實現(xiàn)EMB制動系統(tǒng)制動盤圓跳動量的經(jīng)濟、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測量。測量制動盤端面圓跳動量與制動實緊力關(guān)系如圖1所示，采用最小二乘擬合方式。實驗結(jié)果充分表明了制動盤端面圓跳動量與制動實緊力具有良好的線性關(guān)系。

圖7 仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出一種基于數(shù)顯千分表解析的汽車電子機械復(fù)合制動系統(tǒng)，搭建“直流電動機+諧波減速器+電磁制動臺”形式的EMB試驗臺及相關(guān)測控系統(tǒng)。靶向制動盤圓跳動量測量核心問題，提出基于解析數(shù)顯千分尺的通信協(xié)議的連續(xù)動態(tài)位移測量系統(tǒng)。通過解析數(shù)顯千分表的時序，搭建STM32測量系統(tǒng)，有效解決了人工讀取制動盤圓跳動量以及傳統(tǒng)非接觸式傳感器受材料和反光特性影響的桎梏。EMB制動系統(tǒng)的研究提供了可靠數(shù)據(jù)來源，對智能汽車和新能源汽車的自動化和智能化改造，具有重要的研究意。