基于LabVIEW的汽車空調控制面板按鍵測試系統＊

田韶鵬 李 理

（武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室）

1 前言

汽車空調系統具有制冷、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]。

汽車空調中的控制面板作為人機系統中的人機界面，它的設計直接關系到操作人員的操作效率和準確性[2]。按鍵是空調控制面板上數量較多且使用頻繁的控制鍵，其主要是對電源開關、除霜和除霧開關以及氣流分配模式進行控制。為保證按鍵質量，汽車空調控制面板的生產廠家需利用相關性能檢測系統對產品進行抽樣檢測，通過對獲得的各項工作參數與產品設計參數進行對比，找出在產品設計和生產各環節中存在的疏漏和缺陷，進而優化設計和生產過程，提高產品性能，保證產品的出廠合格率。為此，根據某汽車空調廠家對控制面板的測試要求，基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺，開發了一套汽車空調控制面板按鍵測試系統。

2 硬件平臺及結構布置

汽車空調控制面板按鍵測試系統采用分體獨立結構模式，包括試驗臺、控制臺和電氣柜。試驗臺包括夾具、電機、傳感器和臺架基座等，如圖1所示；控制臺布置有顯示器、單片機和內嵌數據采集卡的工控機；電氣柜內設有電源、電機控制模塊和數據處理模塊。

為保證測試精度要求，該測試系統選用了高精度的傳感器及步進電機。試驗臺通過計算機控制，自動檢測并調整傳感器相對樣件的測量方位，實現數據采集及顯示等功能。

3 測試對象及原理

3.1 測試對象

該測試系統的測試對象是按鍵的壓力和位移，壓力測試范圍為0～20 N，位移測試范圍為0～2.5 mm。

因按鍵壓力隨位移的變化較復雜，所以在測試過程中首先對按鍵的運動原理進行分析。通常汽車空調面板按鍵均采用橡膠皮碗式按鍵，其測試理論曲線如圖2所示。當按鍵按下時，外力推動皮碗向后運動，按鍵壓力隨位移的增加而增大；當按鍵壓力達到皮碗的翻轉力F3時，皮碗開始翻轉，按鍵壓力隨位移的增加而減小；當按鍵位移增加到一定值時，皮碗與電路板接觸，電路導通，按鍵壓力從F2開始隨位移的增加而增大。按鍵返回時的曲線與按下時基本一致，但反向曲線總在正向曲線下方，在每一位移上，反向曲線對應的按鍵壓力均小于正向曲線的按鍵壓力。

3.2 測試原理

測試工位采用直線運動控制的驅動方式，選用直線型步進電機作為動力機構，拉壓力傳感器和位移傳感器作為測試儀器。

在試驗臺上設置按鍵測試機構來測試按鍵壓力與按鍵位移之間的關系，評價按鍵相關性能，按鍵測試機構如圖3所示。測試前，首先將電機螺帽和導向鍵固定在電機推桿上，并旋緊拉壓力傳感器，用螺釘將電機推桿壓圈和拉壓力傳感器鎖緊。然后固定電機，將電機安裝板用螺釘固定在測試機構導向套和手動推桿之間，在測試機構導向套上裝入接近開關和位移傳感器。最后將電機推桿裝入測試機構導向套，啟動電機，使電機螺帽套入電機螺桿，當電機推桿壓圈距離接近開關3～5 mm時電機停止。此時位移傳感器處于被壓縮狀態，測試機構裝配完畢。

裝配完成后，將控制面板樣件固定，并使電機推桿與按鍵中心線同軸，然后調整拉壓力傳感器觸頭至待測按鍵的距離（一般為1～2 mm），準備測試。控制程序采用數字信號0或1來控制電機啟停及正反轉，以實現電機推桿的前進與后退，達到測試目的。

測試時，首先啟動電機使電機正轉，平移推出拉壓力傳感器測試按鍵，處于壓縮狀態的位移傳感器得到釋放，當所測壓力值達到設置值時，電機反轉。當拉壓力傳感器平移返回到起始位置后，電機停止運轉。在測試過程中，測試系統以拉壓力傳感器的觸頭與按鍵接觸的時刻作為測試起點，采集位移傳感器的位移信號和拉壓力傳感器的按鍵壓力信號，通過換算并保存數據，同時以圖形的方式顯示兩者之間的關系。

為避免過載工作，保護傳感器，該工位采取了接近開關硬件位移限位保護和軟件壓力限值保護措施，當超過接近開關限位或程序采集到的數值超過限制值時，控制程序可立即使電機停止運轉，測試系統停止測試。

4 程序設計

該試驗臺采用LabVIEW軟件[3]進行整個控制程序的編寫。控制程序主要包括數據采集、數據處理、數據顯示、傳感器控制、電機控制和PID系統保護[4]等6個部分。測試軟件結構框圖如圖4所示。

4.1 數據采集程序

試驗臺采用研華PCI-1711數據采集卡、單片機和LabVIEW程序來控制步進電機并實現數據采集。PCI-1711為12位的低損耗多功能采集卡，具有獨特的電路設計和完善的數據采集與控制功能，可靈活設定輸入類型和范圍，采集速率達100 kHz[5]。它帶有一系列針對LabVIEW編輯環境的端口驅動程序，只需調用相應的VI程序，再根據試驗特點加以修改即可使用。

為保證準確檢測測量對象數據，實現數據的高速采集，該測試系統采用了研華PCI-1711數據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試要求，需正確設置采集參數，該測試程序中的多通道高速數據采集參數設置如表1所列。

表1 采集參數設置

對于不同的采樣頻率，可根據實際情況進行參數調整。當采集程序占用CPU資源過大，因采樣頻率較高而達不到采樣要求時，可通過增加每次采集模/數轉換數目來降低CPU使用率，以提高數據采集速度。如果廠家對數據實時顯示的要求不高，則程序中一般使用緩沖器FIFO，將通道數設置為16，起始通道設置為0通道，即對每個通道都進行檢測，以便于測試設備的擴展。

拉壓力傳感器和位移傳感器所采集的電壓信號經過信號調理電路傳輸到數據采集卡，再經PCI接口傳入工控機，然后采集程序讀取采集卡上各端口的電壓值以隊列的形式輸出。經過LabVIEW軟件的數據處理，數據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 數據濾波處理

測試環境對測試系統難免存在干擾，該測試系統主要受到外界干擾、工控機板卡間的電磁干擾及電源不穩定造成的噪聲干擾，這些都會導致數據失真，因此采集的信號必須進行濾波處理。該測試系統采用雙重濾波，首先利用高通濾波器濾掉板卡間電磁干擾產生的噪聲，然后利用中值濾波器濾掉變頻器等設備產生的噪聲。對于不同測試環境，用戶可自行選擇濾波方式對原始數據進行濾波處理。

5 工件測試及分析

利用該測試系統對某型空調控制面板進行抽樣檢測，判斷其橡膠皮碗式按鍵的力學性能是否達標。測試時要求傳感器觸點的推進速度接近人為的習慣速度，測試結果見圖6。如圖6所示，電機推桿正向前進時，隨著位移的增加，按鍵壓力先增大后降低再增大；當按鍵行程結束，按鍵壓力值陡然增加且超過按鍵壓力的反轉限定值12 N時，電機反轉，電機推桿帶動拉壓力傳感器后退，按鍵壓力先減小后增大再減小。

對比圖6與圖2可看出，測試結果與理論分析相吻合，證明該測試系統采集到的數據完全符合實際運行工況，未出現數據丟失和失真等情況。該力—位移曲線不僅反映了局部特性，而且能反映整個按鍵操作過程中的全局特性。

6 結束語

基于LabVIEW平臺開發了一套汽車空調控制面板按鍵的測試系統。經試驗測試表明，該系統操作界面友好，測試精度高，運行穩定可靠，測試成本低，可擴充性好，完全能夠滿足汽車空調廠商對汽車空調控制面板按鍵的測試要求。它不僅能夠對汽車空調產品進行抽樣檢測，同時也為產品的優化設計和改進生產過程提供了重要依據。

1 陳江平.國外汽車空調系統技術發展趨勢.制冷學報，2002（4）:30～33.

2 宋小青，`1沈璽.基于人機工程學的控制面板設計研究.裝備制造技術，2006（4）:67～69.

3 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通.北京:清華大學出版社，2007.

4 關智明.汽車空調控制面板的控制鍵測試試驗臺研發:[學位論文].武漢:武漢理工大學，2010.

5 劉玉璽，桑會平，湯楠，等.PCI-1711數據采集卡及其應用.應用天地，2004（2）:25～26.