便攜式制動性能測試儀靜態校準裝置

陳 剛 ， 羅文博， 隋良紅

（1.海南科瑞計量技術服務中心 海 南 海 口 5 70206；2.中國測試技術研究院 四 川 成 都 6 10021）

根據《機動車運行安全條件》[1]的要求，便攜式制動性能測試儀是記錄機動車輛在制動過程中的制動時間、制動減速度來計算出機動車速度和制動距離后，可得到被測機動車充分發出的平均減速度（MFDD）和制動協調時間的設備，其主要用來檢驗機動車的制動性能[2]。作為機動車安全技術檢驗設備，便攜式制動性能測試儀其本身的量值準確可靠性直接影響到產品質量的好壞，關系到被檢測機動車制動性能的測試結果的準確度[3]。因此，對便攜式制動性能測試儀進行校準必不可少，以確保其本身的測量量值的準確可靠[4]。通過對JJF1168-2007《便攜式制動性能測試儀校準規范》[5]以及現有便攜式制動性能測試儀動態校準裝置的研究分析，設計了基本C8051F350和SEO9320Ⅱ光電軸角編碼器的便攜式制動性能測試儀靜態校準裝置。

1 便攜式制動性能測試儀靜態校準裝置

1.1 靜態校準裝置的工作原理

本靜態校準裝置是由單片機控制與處理數據、角度傳感器采集數據的翻轉平臺裝置。在重力場作用下，加速度傳感器自身加速度值θ=g×sinφ（g為重力加速度）隨翻轉平臺轉動角度φ的變化而變化的原理進行校準，因此保證對翻轉平臺轉動角度的精確測量就可以保證數據的可靠性[6]。

1.2 靜態校準裝置的組成

該靜態校準裝置包括由光電軸角編碼器和單片機組成的參數測試與采集模塊，以及由校準平臺、翻轉裝置以及角度轉動軸組成的機械模塊。靜態校準機械模塊實物圖如圖1所示。

圖1 靜態校準裝置實物圖Fig.1 Physical map of static calibration device

光電軸角編碼器采用中科院光電技術研究所的SEO9320Ⅱ，主要負責對機械模塊校準平臺翻轉角度的測量。微處理器采用C8051F350單片機，負責整個系統的運行和數據傳輸，以及從寄存器中讀取保存的常數參數進行計算處理，實現測試結果值的記錄，并管理中斷、數據顯示和通信等。

2 靜態校準裝置的硬件電路設計

2.1 硬件電路總體設計

便攜式制動性能測試儀靜態校準裝置硬件電路包括：傳感器采集模塊、單片機控制模塊、外部存儲器模塊、顯示模塊、按鍵模塊以及晶振電路等組成。其硬件電路總體框架如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

外部存儲器采用AT24C02電可擦除的E2PROM，用于保存測試中的常量參數，該芯片采用兩線串行接口，通過單片機C8051F350的P1.0和P1.1口按照I2C總線協議進行數據通信。按鍵模塊電路有復位鍵以及控制鍵，由于微處理器C8051F350芯片有多余I/O口，所以采用獨立式按鍵電路，分別將按鍵接C8051F350的I/0口以及復位端口，通過程序檢測I/O電平，判斷按鍵作用，執行相應程序處理。傳感器模塊記錄校準平臺翻轉方向以及轉動角度。顯示模塊對采集的角度以及通過單片機程序計算處理后的標準加速度值。

2.2 單片機模塊設計

MCU微處理器采用C8051F350的單片機芯片，MCU微處理器采用C8051F350單片機，其采用CIP-51作為內核與MCS-51指令完全兼容，具有標準8052的所有外設部件，同時指令執行時間短。新增擴展的中斷系統允許大量的模擬和數字獨立工作，執行效率更高。其具有片內Silicon Labs 2線（C2）接口調試電路，支持使用安裝在最終應用系統中的產品器件進行全速、非侵入式的在系統調試，并且支持斷點、單步、觀察/修改存儲器和寄存器的功能。其內部已校準了24.5 MHz±2%的內部振蕩器和外部振蕩器驅動電路，可以靈和設計時鐘頻率，時鐘乘法器允許工作時鐘頻率達50 MHz，使得計算處理效率高。C8051F350有17個I/O引腳，可通過數字交叉開關將內部數字系統資源映射到端口I/O引腳。設置交叉開關控制寄存器將片內的計數器/定時器、串行總線、硬件中斷或其它數字信號配置為出現在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需要的模擬和數字資源的組合。

2.3 傳感器模塊設計

傳感器采用中科院光電研究所的SEO9320Ⅱ光電軸角編碼器，響應頻率最高為160 kHz，允許最高轉速6 000 r/min，可提供最大脈沖數5 400 P/r，本裝置采用3 600 P/r，角度分辨率為0.1°，滿足相關校準規范校準要求。輸出端具有A、B、Z三路輸出信號，A、B輸出端分別輸出編碼器正轉與反轉信號脈沖數，Z輸出端為編碼器零位寬度。在面向軸端，順時針方向旋轉時，A信號應超前與B信號90°。為分別記錄正反轉時編碼器脈沖個數，采用兩片可編程計數器8253芯片對編碼器進行脈沖計數，并分別將正轉與反轉信號接入C8051F350的外部中斷端口INT0和INT1，根據正反轉信號脈沖向微處理器發出中斷信號。

2.4 顯示模塊設計

顯示模塊采用8個7段數碼管進行轉動角度值以及加速度值的顯示，后5位數碼管顯示編碼器采集的脈沖數所計算出的轉動角度值，前3位數碼管顯示由處理器讀取的常量參數與所顯示的角度值計算出的標準值。由于七段數碼管有位選與段選，端口較多，所以采用MAX7219芯片驅動8位數字的7段數字 LED顯示。MAX7219具有 SPI、QSPI串行接口，共陰極LED顯示驅動，高電壓中斷顯示。DIG0-DIG7通過SPI總線協議與8位LED數碼管的位選端口相連，SEG A-G、SEG DP為數碼管段碼與小數點端口相連。通過設置交叉開關控制寄存器，選擇P1.0和P1.1引腳作為TXD和RXD信號端口，LOAD端與處理器的P1.1相連，為載入數據端口；CLK與處理器P1.0相連，輸入時鐘序列，上升沿，數據移入內部移位寄存器，下降沿，數據從DOUT端輸出。其電路原理圖如圖3所示。

3 實驗測試數據及分析

3.1 示值誤差與重復性校準

按照國家計量技術中的便攜式制動性能測試儀校準規范：將帶校準平臺的靜態校準裝置安置在穩定、可靠的工作臺上。調整校準平臺的水平，要求不超過水準器的一個分度。調整好靜態校準裝置的零值位置。然后，將需校準的便攜式制動性能測試儀（或加速度傳感器）固定在靜態校準裝置的校準平臺上，并保證需校準便攜式制動性能測試儀的加速度傳感器指示的車輛前進方向與靜態校準裝置的角度旋轉軸線垂直，同時調整使被校準制動性能測試儀使其處于零值位置[7]。

將靜態校準裝置的校準平臺旋轉分別至 12°、24°、37°、53°、90°5個點，同時讀取便攜式制動性能測試儀相應的示值，并重復測量3次，分別記錄下每次各個測量點被校準便攜式制動性能測試儀的示值與該靜態校準裝置的示值。分別對某機構設計研究的兩套便攜式制動性能測試進行靜態校準，其數據測試結果如表1所示。

根據表1中實驗數據、標準值以及《便攜式制動性能測試儀校準規范》的要求，分別計算減速度值為（0～4.90）m/s2以及除此之外其他加速度值時的示值誤差和重復性，并分別將計算結果列于表2中 。將計算結果與校準規范中要求比較可知其示值誤差以及重復性均滿足要求。

3.2 鑒別力閾值校準

圖3 數碼管顯示電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the LED displaying

表1 實驗測試數據Tab.1 Experiment test data

表2 示值誤差與重復性Tab.2 Indication error and Repeatability

將靜態校準裝置的校準平臺旋轉角度為37°時，校準正向旋轉角度增加到 37.3°、37.4°和反向旋轉角度減少至36.7°、36.6°的相應示值，記錄于表3中，分析計算可知其被校準測試儀鑒別力閾都不大于0.05m/s2。其中Dγ表示在各個旋轉角度γ時被校準測試儀的相應示值，Δ為旋轉相鄰角度時對應示值的變化量。

4 結束語

通過對國家相關校準規范以及標準的分析，設計了基于C8051F350單片機以及SEO9320Ⅱ光電軸角編碼器為核心的便攜式制動性能測試儀靜態校準裝置，采用高性能的單片機微處理機技術能夠滿足快速采集和數據處理計算，同時保證儀器的精度和耐沖擊力。該靜態校準裝置具有操作方便，性價比高等特點，能夠滿足相關計量檢測部門對便攜式制動性能測試儀的靜態校準。為了能夠滿足便攜式制動性能測試儀的校準，進一步工作重點是對其動態校準裝置的研究設計。

表3 鑒別力閾值測試數據Tab.3 Discernment threshold test data

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LI Ping-jiang，ZHANG Bao-feng，ZHOU Lun-bin，etal.Development of calibrating device for portable braking performance tester for vehicles[J].Journal of Tianjin University of Technology，2009，25（3）:75-78.

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