某載重汽車車速表設(shè)計(jì)分析

范維全

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

汽車車速表作為能實(shí)時(shí)顯示車輛行駛速度的設(shè)備，是汽車儀表最重要的組成部分；不僅國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車速表的顯示與誤差有著明確的要求，隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備也加入到車速信號(hào)的需求中來，如中重卡的行車記錄儀等，在提高車速顯示和輸出的精度的要求同時(shí)，也給整車車速信號(hào)的匹配提出新的課題；本文重點(diǎn)介紹了一種多車速需求的車速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及基于電子式里程表傳感器的車速表設(shè)計(jì)、信號(hào)采集和處理邏輯分析。

1 車速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車速表通過采集里程表傳感器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)儀表內(nèi)部的單片機(jī)運(yùn)算處理后，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，用指針或LCD屏數(shù)字顯示當(dāng)前車速。

1.1 車速傳感器信號(hào)

如圖1所示，傳感器采用雙信號(hào)回路（以正反脈沖形式）輸出的設(shè)計(jì)方式，車速表通過 3號(hào)腳采集車速脈沖信號(hào)；4號(hào)腳供行駛記錄儀等車速信號(hào)的采集使用，較傳統(tǒng)車速信號(hào)采集電路，接收車速信號(hào)的兩個(gè)控制器之間不再“連接”在一起，從而避免采集車速信號(hào)的兩個(gè)或多個(gè)控制器之間的干擾。

圖1 傳感器接口

1.2 車速表信號(hào)的采集

輸入端接車速里程表傳感器，100k的兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，10k上拉電阻在外部接地時(shí)起到限流作用，主控芯片通常判斷0.7Vcc以上電壓為高電平，0.3Vcc以下的電壓為低電平，Vcc為主控芯片額定供電電壓（5V），因此芯片接收3.5V以上認(rèn)為高電平。上拉電壓為12V，外部為懸空或高電平時(shí)進(jìn)入單片機(jī)的電壓約是U=12×100/(100+100+10)=5.7V符合單片機(jī)對(duì)高電平的閥值要求。

圖2 車速表信號(hào)采集電路

由于車速傳感器發(fā)來的是一連串的脈沖信號(hào)，頻率是隨著車速的不同而變化的。當(dāng)高、低電平信號(hào)交替發(fā)送時(shí)，進(jìn)入主控芯片的也將是頻率不斷變化的脈沖信號(hào)，主控芯片通過判斷不同的頻率來指示不同的車速的。

1.3 車速信號(hào)的輸出

車速信號(hào)經(jīng)過儀表內(nèi)部處理運(yùn)算或電路匹配，可以通過CAN總線輸出當(dāng)前車速信號(hào)值，也可以通過電氣接口輸出原始的脈沖頻率信號(hào)或經(jīng)過處理的脈沖信號(hào)。

圖3 儀表車速輸出電路

如圖3所示，三極管導(dǎo)通時(shí)，車速輸出信號(hào)為低電平，三極管斷開時(shí)，車速信號(hào)輸出為高電平；MCU_32交替控制三極管 T8的導(dǎo)通和斷開，從而實(shí)現(xiàn)不同的車速頻率信號(hào)的輸出；同時(shí)，由于通過了芯片的控制，確保了車速信號(hào)的精確性和穩(wěn)定性。為整車其它控制系統(tǒng)的車速需求提供了依據(jù)。

2 車速信號(hào)運(yùn)算處理

2.1 車速表處理邏輯

車速脈沖信號(hào)隨著車速變化頻率不斷發(fā)生變化，車速表主控芯片通過精確捕捉車速信號(hào)的上升（或下降）沿識(shí)別車速信號(hào)的頻率變化，信號(hào)變化時(shí)，指針將更新指示位置。為保證車速表指示的平順性，軟件中對(duì)車速表進(jìn)行阻尼的設(shè)定。在一般的工作情況下，為了使指針平滑的轉(zhuǎn)動(dòng)，儀表應(yīng)該有合適的阻尼及很小的步距角，推薦步進(jìn)電機(jī)步距角為1/12°。

圖4 車速信號(hào)處理邏輯

當(dāng)車速信號(hào)斷開時(shí)間持續(xù)2s時(shí)，車速表指針將停在當(dāng)前位置2s，然后指針回零。

2.2 車速表速比計(jì)算

根據(jù)《GB 7258機(jī)動(dòng)車安全運(yùn)行技術(shù)條件》中的規(guī)定，車速表指示車速V1(單位：km/h)與實(shí)測車速V2(單位：km／h)之間應(yīng)符合下列關(guān)系式：

0≤V1-V2≤(V2/10)+4

理想狀態(tài)下，車速表上顯示的讀數(shù)應(yīng)該與實(shí)測速度相等。根據(jù)速比的定義，計(jì)算公式：

PPK=[(k1/k2)×1000/ (2πR)]×P

PPK為車輛每公里脈沖數(shù)，k1為后橋主減速比，k2為變速箱蝸輪組件的傳動(dòng)比，R為輪胎的滾動(dòng)半徑，P為車速里程傳感器速比。

2.3 車速表顯示

計(jì)算公式：

V=3600f/PPK

V：實(shí)際車速（km/h）

f：車速信號(hào)的輸入頻率(Hz)

PPK：每公里脈沖數(shù)

結(jié)合國標(biāo)對(duì)車速表的要求，該款儀表的車速表誤差設(shè)計(jì)要求為：

為了保證車速表具備一定的安全范圍，儀表的顯示車速按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算顯示：

表1

V'=V×1.03+1.2

V'：儀表指示值

V：儀表根據(jù)速比和采集脈沖計(jì)算值

2.4 錯(cuò)誤處理

當(dāng)接收里程傳感器發(fā)出的信號(hào)超出設(shè)定的最大值（1.5 kHz）后，指針將會(huì)移動(dòng)到0位。當(dāng)頻率信號(hào)重新有效之后，指針將根據(jù)指示速度移動(dòng)到正確的位置。當(dāng)接收里程傳感器發(fā)出的信號(hào)超出最大顯示值且在信號(hào)有效范圍內(nèi)指針保持在最大刻度處。

2.5 車速表誤差

通過車速表計(jì)算公式可以看出，影響車速表最關(guān)鍵因素為PPK設(shè)定,而對(duì)于載貨汽車影響PPK最大因素之一就是輪胎的滾動(dòng)半徑。但是，我們所使用的車輪并不是剛性的，也就是說，雖然在輪胎無載荷或整車出廠時(shí)，可以得到其準(zhǔn)確的半徑和周長，但在輪胎裝上汽車及車輛在使用過程中，由于載荷的關(guān)系，輪胎會(huì)發(fā)生變形，輪胎的半徑減小，而在汽車開始運(yùn)動(dòng)后，輪胎由于受到行駛阻力的影響，還會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變形，輪胎的半徑還將進(jìn)一步減小，由于輪胎半徑減小換算所得的車速就會(huì)偏小，而且車速越高，輪胎所受的阻力也會(huì)越太。發(fā)生變形也就越太，誤差也就會(huì)越大。同時(shí)，輪胎的類型、胎壓、溫度以及路面條件也都會(huì)影響車速表顯示結(jié)果。因此，現(xiàn)階段通過標(biāo)定新車車速表誤差是保證車輛使用過程中準(zhǔn)確性手段，但是并不能徹底消除車速表的誤差。

3 結(jié)論

本文介紹了一種采用電子式里程表傳感器車速檢測系統(tǒng)，通過采集電路的隔離設(shè)計(jì)及優(yōu)化車速表的輸入和輸出信號(hào)的邏輯處理，保證了車速信號(hào)的精度和準(zhǔn)確性，具有較好的推廣意義。

[1] 李俊松.宋仲康.汽車車速傳感器測試系統(tǒng)的開發(fā)[J].汽車電器,2002(2).

[2] 林紹華.霍爾傳感器原理及在車速傳感器中的應(yīng)用[J].輕型汽車技術(shù),2003

[3] 中國汽車技術(shù)研究中心汽車標(biāo)準(zhǔn)化研究所.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編(第7卷,電氣設(shè)備及儀表)[S].2000.536.

[4] [美]B.霍萊姆比克.汽車電氣與電子系統(tǒng)[M].徐嗚,俞慶嚴(yán),譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.142-143,309-3l1.

[5] 余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1995.57-58.