采用ARM控制器的制動性能測試儀設計

　　摘要：制動性能測試儀是一種以測量機車充分發出的平均減速度來檢驗機車制動性能，同時具有其它輔助項目的綜合性測試儀器。新一代制動性能測試儀的硬件采用ARM控制器，SD存儲卡，USB通信接口以及觸摸式人機界面，軟件采用基于μC/OS-II的面向任務的設計方法。實際測試表明，新儀表的性能指標達到設計要求。本文系統地介紹了該儀器的測量原理、硬件設計和軟件設計。

　　引言

　　《機動車行車安全技術條件》^[1]GB7258-2012中規定了行車制動性能檢驗的若干種方法，其中包括用制動距離檢驗行車制動性能、用充分發出的平均減速度檢驗行車制動性能等，制動性能測試儀正是根據這些測試要求開發出來的一種儀器。除了上述制動性能測試功能外，儀表同時還具有測量加速性能、踏板力、路面坡度以及車速表校驗等功能。

　　此次研發的新一代制動性能測試儀采用ARM單片機作為主控制器，SD卡作為存儲媒介，人機界面采用觸摸式液晶屏，增加了與GPS模塊和電腦通信的USB接口，軟件使用了基于μC/OS-II的面向任務的設計方法。新的硬件及軟件的應用使儀表性能在原有基礎上得到了大幅提升。

　　測量原理

　　由基本物理量的關系可知，對加速度進行積分計算可以得到速度：

　　對速度進行積分計算可以得到距離：

　　有了速度和距離，根據《機動車行車安全技術條件》^[1]GB7258-2012中關于MFDD的定義就可計算得到機車充分發出的平均減速度：

　　式中：MFDD——充分發出的平均減速度，單位為米每平方秒(m/s²);

　　由上分析可知測量MFDD的關鍵是測量加速度。測量原理如圖1所示，首先由加速度傳感器把加速度轉換為電信號，然后經過放大電路放大輸入A/D轉換器，A/D轉換器把模擬量轉換為數字量，再由單片機對采集的數據進行積分計算得到速度、距離和MFDD。

　　加速度傳感器采用的是硅微電容式固態加速度傳感器。其內部有一個對加速度敏感的質量塊，這個質量塊通過具有彈性的懸臂固定在敏感器殼體上，質量塊的上方和下方分別設置一個電極板，它們與質量塊相隔一個很窄的相等的間隙，這兩個極板分別與質量塊形成一個相等的電容，當殼體在沿著這個質量塊的上下方向發生加速度時，慣性力使質量塊產生位移，改變了間隙，因而電容量發生變化。這兩個電容量的差值與加速度成正比，這就構成了電容式加速度傳感器^[2]。其結構圖如圖2所示。

　　制動性能測試儀還可對踏板力進行測量，其原理與加速度測量基本相同，首先由力傳感器把踏板力轉換為電信號，然后經過放大電路放大輸入A/D轉換器，最后計算得到踏板力值。

　　踏板力測量使用的是輪輻式應變傳感器，傳感器以金屬彈性體變形原理和電阻應變片的應變原理為基礎，傳感器結構如圖3所示。電阻應變片被熱固性樹脂粘結劑牢固地粘貼在踏板力彈性體應變區表面，四片電阻應變片連接成惠斯登電橋線路，如圖4所示。在外力作用下，電阻應變片隨踏板力傳感器彈性體變形而改變電阻值，其中R1、R3的電阻變化方向和R2、R4相反，這樣就使應變電橋產生一個與外力成正比的電壓輸出信號^[2]。