基于雙單片機的摩托車制動性能測試系統設計

楊　雷　李益敏　馬曉明　王　莉（天津中德應用技術大學天津300350）

基于雙單片機的摩托車制動性能測試系統設計

楊雷李益敏馬曉明王莉
（天津中德應用技術大學天津300350）

我國汽車摩托車質量檢驗檢測機構對摩托車制動性能有著嚴格的性能指標要求，針對摩托車制動性能測試系統的現狀，介紹了一種基于嵌入式平臺的便攜摩托車隨車制動性能測試系統的設計方案。該系統包括了雙單片機處理，信號采集，數據存儲，液晶顯示，數據通訊及數據打印模塊，完成了對摩托車制動性能指標，即制動距離的計算。該設計方案對提高摩托車制動性能測試系統的便攜性，降低成本和能耗有一定的理論價值和實用價值。

制動性能檢測單片機測試系統數據采樣

引言

摩托車制動性能是指摩托車在行駛過程中制動時具有的強制減速乃至停車的能力。制動系統是摩托車總體系統的重要組成之一，其技術狀況的好壞直接影響摩托車行駛及停車的安全性，一些重大的交通事故也往往與制動性能的問題有關。因此，國家摩托車質量檢驗監督機構也將其列入重點檢測項目之一，同時制定出相應的法規條款強制要求對摩托車制動性能進行檢測，必須符合相應的技術條件。對摩托車制動性能的檢測方法主要有道路試驗法和臺架試驗法兩種。臺架試驗法是指在試驗臺上檢測摩托車制動性能，這種方法雖迅速，安全，重復性好，不受外界條件限制，但車輛前后軸載荷為不變靜載荷，這與在實際道路進行摩托車制動時，由于慣性作用，車輛前后軸載荷會發生變化而直接影響制動效果不太相符，因此，臺架試驗法存在明顯的缺陷［1］。車載式/便攜式試驗裝置是針對室內模擬試驗臺而言的，也就是在道路或試車場對摩托車制動系性能進行實際檢測的設備。這種試驗檢測裝置對摩托車進行不解體檢測，能夠真實反映摩托車在實際制動過程中的動態性能，是評價摩托車制動性能最直接的手段，因此在現代摩托車制動性能測試領域得到了廣泛的應用和認可。國外早在20世紀80年代末90年代初，隨著計算機技術的興起和制造業水平的提高開始起步，已經推出很多技術非常成熟的產品，但價格昂貴。我國在車載測試道路試驗方面遠遠落后發達國家，為此，開發和研制性能更加優越，操作更為方便簡單，測試效率更高的制動測試系統對整個摩托車乃至汽車制動性能領域都有著重要的現實意義。

1　系統總體結構和功能

1.1總體結構

整個測試系統是基于摩托車測試技術和現在比較流行的單片機技術設計研制而成，在可以完成制動測試要求的同時，還使得整個系統更具有小型化，智能化，低成本化等優點。摩托車制動器制動原理為：摩托車制動時，由人工施加在手操縱桿上一個控制力，此力通過拉索傳到制動臂上，制動臂轉動凸輪，使得制動蹄張開，制動蹄上的制動襯片和制動鼓的內表面被壓緊產生摩擦力，阻止車輪運動。同時，地面與輪胎之間產生摩擦力，阻止摩托車運動，實現制動功能。摩托車制動性能測試系統主要檢測車輛制動距離以及平均減速度，車體速度作為輔助檢測參數。摩托車制動全過程一般包括4個階段：駕駛員收到信號后作出反應，制動器開始起作用，持續制動和制動完全釋放。摩托車制動性能道路試驗規范中所指的制動距離通常指駕駛員開始操作制動器到制動完全釋放這段時間車輛所經過的距離。因此制動距離估算包括3個過程［2］：

1）駕駛員開始操作制動器，此時車輛按制動初速度V0做勻速運動。

2）制動器開始作用階段，車輛做變減速運動，設其減速度做線性增長。

解微分方程得：

積分得：

3）在持續制動階段，車輛做勻減速運動，初速度為v2，末速度為0

代入v2及k得：

車輛制動時充分發出的平均減速度（dm）通過下面的公式進行計算：

式中：

dm—充分發出的平均減速度，單位為m/s2；

v2—初速度，單位為km/h；

vb—0.8 v2，單位為km/h；

ve—0.1 v2，單位為km/h；

Sb—從v2到vb的距離，單位為m；

Se—從v2到ve的距離，單位為m。

針對摩托車制動裝置的性能要求和測試要求，制動測試系統需要采集檢測的信號包括手制動力、腳制動力、車輛速度、制動蹄片溫度等。同時整套測試系統可以提供隨車試驗人員方便、快捷地按鍵操作面板和液晶顯示屏，完成啟停試驗和有關試驗數據的存儲，最后還可以在道路試驗完成后將試驗數據打印，并且可以將隨車存儲的試驗數據導出到筆記本電腦中，以供上位機電腦對試驗數據進行分析處理。

車速測量采用非接觸車速傳感器，安裝于受試摩托車的后部，通過傳感器感應出距離信號，通過隨車儀器，得到車速、加速度和距離等參數；在制動手柄上或腳制動踏板上安裝力傳感器，在試驗員對摩托車進行制動操作時，能夠感應出手握力或踏板力信號，通過儀器計算，得到力值；在制動盤外部安裝非接觸式紅外溫度傳感器，能夠獲得制動盤溫度。對于鼓式制動器，如需測試制動器溫度，則需要在制動器上埋設溫度傳感器；隨車裝置包括：信號采集、處理及記錄裝置，一般置于后乘員座上，全部采集信號由該裝置處理；操作和指示裝置，一般置于摩托車車把上，用于進行人機對話，試車員進行測試項目選擇，并便于試車員在試驗過程中觀察各種試驗參數以及試驗結果；計算機系統及其打印機不隨車使用。試驗完成后，通過隨車儀器的數據通訊接口將全部試驗數據上傳至計算機，由上位計算機進行數據處理，并通過打印機打印試驗數據和繪制曲線。試驗數據通過數據庫管理，可隨時調用。

綜合上述，制動測試系統主要有傳感器（信號拾取）、信號處理單元、數據采集單元、單片機核心處理單元、人機信息交互單元和PC機等幾大部分組成［3］。主要指標：

1）減速度測試范圍和精度：0～10 m/s，±3% 2）控制力測試范圍和精度：0～500 N，±1%

3）制動盤溫度測試范圍和精度：0～350℃，±5℃4）車速測試范圍和精度：1～180 km/h，±2%

1.2采樣單片機

采樣單片機是整個裝置系統的核心部分。選用了AT89C55 WD。AT89C55 WD是一種低功耗、高品質的CMOS工藝的8位微控制器，有20 kB Flash程序存儲器。首先，它負責將試驗裝置所需要的外界信號（如：手制動力、腳制動力、墊片溫度、轉速信號等），采集到主控單片機中進行數據的分析處理。第二，主控單片機負責與人機界面接口單片機進行數據通訊，彼此交換信息。第三，主控單片機還要負責與PC機進行數據的通訊。第四，主控單片機還需要控制微型打印機將有關數據打印出來。最后主控單片機還控制著系統的時間和大量數據的存儲。其系統結構框圖如圖1所示［4］。

圖1　系統結構框圖

1.3HMI控制單元模塊

HMI控制模塊是駕駛員與系統信息交換的“橋梁”。在道路車輛檢測中，駕駛人員通過HMI控制單元模塊中的按鍵面板來對測試系統進行實驗起停，系統時間設置，存儲區信息查詢，數據打印等一系列的操作。鍵盤采用標準的4×4鍵盤，利用專用的低功耗按鍵譯碼芯片MM74HC922很方便快捷地將按鍵信息譯碼并傳遞給HMI單片機處理，譯碼電路如圖2所示。而測試系統中的信息則是系統通過液晶顯示屏將所需信息顯示給駕駛員。在液晶顯示上采用了OCMJ8×10 D（160×128點陣）液晶模塊，該模塊內建512字節的ROM，控制芯片分帶繁體字庫和簡體字庫，并具有反白，閃爍，字型放大，自行造字等功能，可以很容易地將系統所需要顯示的信息以很好的效果顯示給試驗駕車人員。

圖2　鍵盤譯碼電路

1.4車速數據采集模塊

車速的測量采用GPS速度測量裝置。GPS（Global Positioning System）即全球定位系統，利用GPS可以獲取任意位置的三維坐標功能，發揮其全天候、連續、實時、精確定位的優勢，采用GPS動態相對定位技術測定車速。

GPS定位是利用位置已知的衛星（≥4個）的坐標來確定一個被測目標的坐標（x，y，z），根據衛星所發射的無線電波信號的傳播延時，利用高等解析幾何來構造模型，建立三維位置量和一個時間量的方程，測量出各衛星與目標位置的距離便可實現三維定位。動態相對定位是將一臺GPS接收機架設在固定的參考點作為基準站，另一臺GPS接收機（移動站）架設在被測目標上，兩臺接收機同步觀測相同的衛星，以確定被測目標相對參考點的位置。根據GPS動態相對定位原理，實地測定車速時，將GPS基準站架設在無遮蔽的高地上，把移動站架設在實驗車上，就可以測得目標車輛的運動速度。GPS采集車速利用跟車法。這種測量方法利用安裝在實驗車輛上的GPS移動站，記錄車輛行駛過程中衛星的原始星歷文件，與基準站數據相參照解算出實驗車輛的行駛軌跡，從而求解出實驗車輛的車速數據［5］。

1.5AD數據采集模塊

在摩托車制動性能檢測系統中，制動力分為手制動力和腳制動力，其壓力傳感器信號輸出范圍為0～5 V，對應制動力0～500 N；在對制動蹄片溫度的測量上采用了Raytek公司制造的非接觸式紅外傳感器，該傳感器可以準確地測量制動蹄片發射出的能量，并將其能量轉換為每10℃對應1 mV的小電壓信號。但是由于紅外傳感器輸出溫度的電信號過于微弱，如果不對信號加以處理將會使得溫度在12位AD采集數據上會造成較大的誤差，所以需要應用放大電路，來對此小信號進行精密放大處理，以供AD處理電路精確對制動蹄片的溫度精確采樣。對于AD數據采樣選擇了MAXIM公司的8通道、12位逐次逼近式A/D轉換器MAX197。它采用標準微處理器并行接口，通過讀/寫三態數據I/O端口就可實現工作模式的選擇，A/D啟動及讀取轉換結果。其A/D數據采樣電路如圖3所示［6］。

圖3　MAX197與AT89C55WD的接線圖

AT89C55WD的P1.0連接/SHDN端，作為硬件控制節電工作方式的控制端。P1.2腳接MAX197的/ INT腳，在A/D轉換結束后，可以采用查詢方式判斷/ INT腳是否為低電平來判斷一次轉換的結束。利用地址Q0端用于控制是讀取低8位或是高4位。

2　制動測試系統軟件構成

制動測試系統軟件結構總體上可分為采樣單片機軟件和HMI單片機軟件兩大部分。采樣單片機軟件主要負責采集實時地與HMI單片機負責通訊，解析試驗人員的指令，并根據相應的指令，完成系統時間設置，系統時間查詢，存儲區信息查詢，存儲區信息格式化，試驗類型和參數確認，試驗過程中的起停，信號的數據采集和數據計算，試驗數據的存儲及數據的打印［7］。軟件流程框圖如圖4所示。

HMI單片機主要負責接收按鍵操作平臺信息和主控單片機送出的數據信息，并將其獲取的信息顯示在液晶顯示屏上，以供試驗人員參考并做出相應的試驗操作。試驗人員需要通過按鍵操作平臺選擇自己需要菜單，并可以在相應的菜單中選擇需要的試驗類型和試驗的起停，編輯系統時間和試驗參數等一系列的操作，設置完成后通過串口方式發送到主控單片機中，讓主控單片機執行相應的操作。兩片單片機協同工作的設計不僅可以分擔系統工作壓力，提高系統工作的效率，同時還可以提高系統工作的實時性，為短暫性試驗數據采集的實時性提供了保證［8-10］。軟件流程框圖如圖5所示。

圖4　采樣單片機軟件流程框圖

圖5　HMI單片機軟件流程框圖

3　制動測試系統測試結果

本制動性能測試系統一次測試實驗打印結果如圖6所示。

圖6　打印結果數據

4　結論

本文介紹的車載式制動性能測試系統適用于摩托車，主要測量參數包括車速、手握力、踏板力及制動蹄片溫度等。該系統具有良好的可靠性，體積小、集成化高，便于組裝拆卸隨車試驗，并能滿足ECE和DOT制動標準要求。

1王辛之，鐘愛琴，王雷，等.AT89系列單片機原理與接口技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004

2張守信.GPS衛星測量定位理論及應用［M］.長沙：國防科技大學出版社，1996

3全國汽車標準化技術委員會.GB 20073-2006摩托車和輕便摩托車制動性能試驗要求及試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2006

4王興東，胡于進，李成則，等.制動系統動態特性研究及仿真計算模型的辨識［J］.汽車工程，2005，27（1）：86-88

5何大軍，龔國彬.兩輪摩托車制動性能問題分析［J］.摩托車技術，2011（07）：39-42

6劉忠林，張立鵬.基于FLEX3530嵌入式控制器的摩托車制動性能測試系統［J］.摩托車技術，2011（11）：42-45

7楊春蒲，楊勝奎.摩托車制動性能測試系統的研究與開發［J］.機電工程技術，2008（04）：59-61

8丁昆，楊志清.摩托車制動系統全球技術法規研究［J］.國防技術基礎，2010（09）：3-4

9邱杰.摩托車制動性能試驗過程分析及方法探究［J］.中國高新技術企業，2013（16）：155-156

10 Fisher D K.Brake system component dynamic performance measurement and analysis［C］.SAE Paper 700373

Design of Motorcycle Braking Performance Test System Based on Two Single Chip Microcomputers

Yang Lei，Li Yimin，Ma Xiaoming，Wang Li
Tianjin Sino-German Vocational Technical College（Tianjin，300350，China）

Our country quality inspection and testing institute of car and motorcycle has strict performance requirements for motorcycle braking performance.According to the real situation of our country motorcycle braking performance，this article introduces a design of portable motorcycle follower braking performance testing system which is based on embedded platform.This system includes dual Single Chip processing，signal collecting，data storage，LCD displaying，data communication，and data printing，in order to carry out motorcycle braking performance testing or calculate braking distance.This design has a certain extent theoretical and practical value for motorcycle braking performance test system.

Braking performance testing，Single chip microcomputer，Testing system，Data sampling

U483

A

2095-8234（2016）04-0050-05

2016-05-12）

楊雷（1980-），男，工學碩士和管理碩士，主要從事計算機控制工程與應用以及電氣控制的研究。