基于虛擬儀器技術的電動玻璃升降器試驗臺研究

江明珠

（桂林電子科技大學信息科技學院 廣西·桂林 541004）

汽車行業的發展隨著社會經濟的發展變得如日中天，除了價格和品牌，汽車的舒適度也成為了人們非常關注的方面。根據汽車世界了解到：汽車的空調設置、車窗控制和照明控制在汽車的舒適度評價上占主導地位。目前，車窗的設計變得越來越融合、現代化、人性化。作為車體的重要組成部分，車窗系統的設計滿足了車內照明、通風，提供人們一個良好的駕駛環境，達到保護效果。

目前，在市面上有各種各樣的車窗升降器，例如繩輪式升降器，它是由直流電機、鋼絲、導向板和安裝玻璃的支架組成。安裝時只需要將玻璃固定在安裝支架上。啟動電機后，通過電機的正反轉來拉動鋼絲繩，使玻璃托架做平移運動，此時車窗玻璃也就沿著直線上下移動。由于車窗頻繁的進行升降操作，因此對升降器的性能要求較高。數據表明，汽車玻璃升降器是汽車故障率較高的部件，玻璃升降器工作的可靠性和疲勞壽命成為滿足質量要求的特殊性能指標，因此可靠性和耐久性對于電動車窗來說就顯得尤為重要。

依據QC/T626-1999《汽車玻璃升降器》、QC/T636-2000《汽車電動玻璃升降器》、QC/T29071-1999《汽車用玻璃升降器》質量分級標準等規范，設計了基于虛擬儀器技術的玻璃升降器試驗臺。該試驗臺利用 NI工業級的嵌入式控制器作為系統主控核心，同時測量玻璃升降器的電流、電壓、升降速度，多次重復試驗測出升降器的壽命。

1 系統總體設計

試驗臺整體設計如圖1所示，基于虛擬儀器技術進行了系統搭建，使用NI嵌入式控制器作為采集和控制的核心，配置AI/DIO/以太網的輸入輸出口，實現信號的輸入輸出以及數據的處理。采用可調電源對電動車窗的電機供電，通過嵌入式控制器對電源進行程控，使電機兩端的電壓始終滿足測試要求。電機的電流和電壓信號分別通過電流傳感器和電壓傳感器送入控制器中進行AD，測試數據通過虛擬儀器軟件Lab-VIEW送入上位機，可以直接在PC主機中進行顯示。同時也可以與設定閾值進行對比，超過設定值則啟動報警器。

圖1：基于虛擬儀器技術的玻璃升降器試驗臺的總體設計

2 系統硬件電路

試驗臺系統采用的電流傳感器和電壓傳感器都是屬于電流輸出型傳感器，需要進行I/V變換與前置放大，因此采用OP07對I/V變換后的信號進行放大。

電流傳感器選擇了 Allegro公司推出的線性電流傳感器ACS712，它僅需要單電源5V供電，內置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，在檢測范圍±30A內，傳感器的輸出電壓和檢測電流成正比，幾乎不受溫度的影響。

車窗的電機驅動可以用高低電平或者PWM脈沖來驅動集成芯片內部的“H”橋式電路以控制直流電機的正反轉。電機驅動模塊BTS7960加速性能好、減速性能好、穩定性好、內阻小、效率高，更適用于電動車窗升降器。BTS7960是Neolithic系列中三個獨立芯片的一部分，它可以通過邏輯電平輸入、電流采樣診斷、變頻調速、過流、短路等結構輕松連接到嵌入式處理器，其輸入電平為3.3V-5V，能夠用高低電平或PWM脈沖進行控制。由于本設計并不需要檢測PWN值，直接使用L_PWN引腳輸入，提供5V電平使電機正向旋轉，同樣R_PWN引腳也輸入5V電平，這時電機反向旋轉，從而實現電動車窗的升降。輸入端口：RPWN—正向電平輸入、LPWN—反向電平輸入，都是提供高電平時有效；R_EN—右端使能輸入、L_EN—左端使能輸入，高電平使能；VCC接入+5V電源，連接到系統的可調電源，GND端接公共地。

3 系統軟件

試驗臺的軟件設計是基于圖形化編輯的虛擬儀器軟件LabVIEW進行開發的，產生的程序是框圖的形式，具有良好的人機界面。試驗臺主要實現的功能有：

（1）數據采集：由電流傳感器采集主通路中的電流，電路傳感器的輸出連接到嵌入式傳感器的模擬輸入端口，由嵌入式處理器的AI輸入口對電流進行采集；限位器的輸出連接到嵌入式控制器的數字輸入端口，由嵌入式控制器的數字IO口對限位器的信號進行采集。

（2）數據處理：NI的高性能嵌入式處理器對采集過來的數據進行采集以及相應的數據處理。

（3）數據存儲：電流數據可以被實時地存儲到嵌入式處理器的硬盤中。

（4）報警：報警模塊的輸入端連接到嵌入式控制器的數字輸出端口，有嵌入式控制器的數字IO對報警模塊進行控制。嵌入式處理器實時地比較電流數據和給定的閾值，一旦電流數據超出閾值，從嵌入式處理器的數字IO端口輸出IO信號，控制報警模塊進行異常報警。

（5）異常停機：繼電器的輸入端連接到嵌入式控制器的數字輸出端口，嵌入式處理器實時地比較電流數據和給定的閾值，一旦電流數據超出閾值，從嵌入式處理器的數字IO端口輸出IO信號，關斷繼電器，從而實現系統異常停機。

（6）數據顯示：PC機通過以太網接口與嵌入式控制器連接，嵌入式控制器把處理結果通過虛擬儀器軟件LabVIEW實時發送到PC機進行顯示，并且實時地接收來自PC端的輸入參數。

要對電動車窗的耐久性進行測試，車窗升降器需要進行了成千上萬次上升和下降實驗，并實時檢測記錄下其工作時的電壓值、電流值、時間和次數。電壓值和電流值是在車窗下降再上升的一個周期內平均采樣16次。當車窗升降器處于正常工作狀態時，測得的電壓值和電流值如圖2（a）所示，車窗升降過程中電壓值基本是恒定不變的，電流值也是處在一個穩定的范圍內，車窗升降的時間也是處于一個穩定的范圍內（4～5秒）。當車窗升降器出現堵轉，測得的電壓值和電流值如圖2（b）所示。在車窗由上升變為下降狀態時，電流值出現了尖銳的峰，說明此時的電流偏大，車窗出現了堵轉現象。當車窗升降器出故障時蜂鳴器報警的情況，測得的電壓值和電流值，如圖2（c）所示。比較車窗工作的三種狀態，能夠很明顯的觀察到：車窗正常工作時，電流恒定，沒有尖銳的曲線；當車窗升降過程中存在微堵轉時，那一瞬間的電流比正常工作下的電流約大4倍；當車窗升降時遇到卡頓或堵轉時間過長，此時的電流極大，約是正常工作時電流的6倍。

圖2：車窗升降器3種狀態下實測電壓值和電流值（a）正常工作（b）堵轉（c）故障

4 結論

該試驗臺利用NI工業級的嵌入式控制器作為系統主控核心，同時測量玻璃升降器的電流、電壓、升降速度，通過長時間的運行和檢測，根據采集數據的統計，實際測量次數達10000多次。該試驗臺實現了自動化測試，加快電動車窗升降器的測試時間，為汽車制造公司提高測試效率和降低測試成本。