CN101197072B - 轮速信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于标定汽车性能场地试验中的测量技术，特别是涉及一种轮速信号采集系统。该系统主要由车轮处信号采集器、轮速信号调理器和计算机组成，所说的车轮处信号采集器采用车辆刹车系统上的ABS系统的轮速采集传感器，所说的轮速信号调理器由四套结构相同的信号调理电路组成，包括：跟随器(A)、低通滤波器(B)、高通滤波放大器(C)、整形稳压输出(D)四个部分，每一套调理电路中有四个运算放大器，通过接插件DB9分别接收车辆四个轮子ABS轮速采集传感器的脉冲信号和向计算机发送信号，所说的计算机上装有采集信号的定时/计数卡和轮速计算模型。本发明针对现有技术存在的不足，可快速准确获取车辆轮速。

Description

轮速信号采集系统

技术领域

本发明属于标定汽车性能场地试验中的测量技术，特别是涉及一种轮速信号采集系统。

背景技术在进行场地试验时，轮速的测量通常使用外接光栅尺或利用霍尔元件的方式。上诉方式如果采用内嵌式，势必将拆卸车轮系统，破坏整车的刚性结构；如果采用外挂式的传感器来测量，首先会增加车轮系统的重量，在试验中影响车轮在特殊工况下的响应特性，其次由于外挂式增加了车轮及整车的体积，在蛇形试验中要快速通过标志杆的难度就大大增大。而且利用附加的传感器采集的轮速信号与在整车电子系统中采集到的其他信号会出现不同步的问题(即采集到的轮速与整车电控系统采集的轮速有差别)，这样会影响车辆性能的评估。

发明内容

在对标定汽车(Benchmark)性能场地试验中，轮速的准确测量是非常重要的。由于无论是采用内嵌式还是外挂式的轮速测量装置，都会影响整车的性能并要求结构修改，测量装置安装周期长、成本高，并可能影响测量精度。实验测得的数据不真实不准确，同时利用辅助设备所采集的轮速，与整车电控系统所采集的轮速信号有差异，因此用电控系统的其他信号与辅助设备采集的轮速信号在一起对整车的性能进行分析，就会偏离真实的车辆性能。

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种轮速信号采集系统。该系统充分利用车辆原有的ABS轮速传感器信号，经信号分离、信号放大、信号滤波、信号整形、计算机采集、轮速计算等一系列处理，快速准确获取车辆轮速。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种轮速信号采集系统，主要由车轮处信号采集器、轮速信号调理器和计算机组成，其特征在于所说的车轮处信号采集器采用车辆刹车系统上的ABS系统的轮速采集传感器，所说的轮速信号调理器由四套结构相同的信号调理电路组成，包括：跟随器(A)、低通滤波器(B)、高通滤波放大器(C)、整形稳压输出(D)四个部分每一套调理电路中都有四个运算放大器，通过接插件DB9分别接收车辆四个轮子ABS轮速采集传感器的脉冲信号和向计算机发送信号，所说的计算机上装有采集信号的定时/计数卡和轮速计算模型。

所说的跟随器A为由一个运算放大器和两个电阻构成的电压跟随电路，运算放大器选用封装的LM324，电路的输入端是输入接插件DB9的脉冲输入，经过R1连接到LM3241的正端输入引脚3上，将LM3241的负端输入引脚2经电阻R2后返回到LM3241的输出引脚1上输出。

所说的低通滤波器B由一个运算放大器、两个电阻和二个独石电容构成，将上一级的输出作为这一级的输入，LM3241输出引脚1经过R3和R4接入LM3242的正端输入引脚5上，同时将LM3242引脚5通过电容C2落地，电容C1的两端分别与LM3242负端输入引脚6及电阻R3和R4的中间相连，最后将LM3242负端输入引脚6与LM3242输出引脚7相连，输出经过调理的信号。

所说的高通滤波放大器C由一个运算放大器、三个电阻、三个独石电容和一个电位器构成，LM3242输出引脚7经过电容C5和C4输入LM3243的负端引脚9上，C3与R5的一端都接到LM3243的输出引脚8上，另一端分别接到C5和C4的中间及LM3243的负端引脚9上，LM3243的正端引脚10与电位器R8的中间抽头相连接，电位器R8一端接地，另一端通过电阻R7与+15V电源相连。

所说的整形稳压输出D电路由一个运算放大器、三个电阻、一个稳压二极管和一个电位器构成。LM3243输出引脚8经过R10接入LM3244的正端引脚12上，将LM3244的负端引脚13与电位器R12的中间抽头相连，电位器R12的一端接地，另一端经过电阻R11与+15V电源相连，LM3244的正端引脚12经过R9与LM3244输出引脚14连接，稳压管D1一端与地连接，另一端与LM3244输出引脚14连接。

所说的定时/计数卡定对外部输入的脉冲进行计数，为系统提供基准时钟，在设定的单位时间内，将得到的脉冲数以中断的形式发送给轮速计算模型。

所说的轮速计算模型为一个循环计算模型，每次循环的触发是接收定时卡的定时中断信号，设定的定时触发信号的间隔为5ms。

为了能得到实时的轮速信号，轮速信号采集系统的工作过程是：

1、信号采集。ABS已经成为车辆的标准配置。ABS的工作原理是利用装在车辆刹车系统上的传感器来感知刹车时车轮的运动状态，当车辆紧急制动时，车轮的转速在制动系统的作用下迅速降低。因此利用现有ABS系统，从它的轮速采集传感器(霍尔元件)中引出轮速信号。由于在车辆行驶过程中工况比较复杂，通过示波器显示，在车轮处引出的轮速信号是一个载有高、低频噪声，同时信号的零点漂移严重的脉冲信号。

2、轮速信号调理器

将采集到的轮速信号接入轮速信号调理器，调理器的功能参阅图2所示，分为：跟随器、低通滤波器、高通滤波放大器、整形稳压输出四个部分。

(1)跟随器A：这里设计了一个电压跟随电路，它的特点是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。

(2)信号滤波放大B：由于试验场地复杂，同时车在运行中的干扰因素很多，所以信号的噪声严重，在有效的脉冲上即有低频噪声又载有高频噪声。通过分析和计算，可以得知信号有效的频段，采用低通滤波器和高通滤波器相结合的滤波方式就可以得到有效的脉冲信号，这里低通滤波器采用的是一阶的低通滤波器，高通滤波器采用的是无限增益多路反馈高通滤波器。实验测得滤波后，保留下所需要信号的频率范围，在滤波的同时将幅值比较低的信号放大到我们所需要的幅值范围。但滤波后脉冲信号的波形还很不理想。

(3)信号整形稳压输出C：利用电压比较电路实现，将参考电压设在波形相对好的区域，这样就可以通过比较电路得到波形好的真实地轮速信号，再通过稳压管将脉冲信号的幅值稳在+5V～0V，这样计算机就可以直接接收。

3、计算机信号的采集。将从轮速信号调理器输出的脉冲信号输入到计算机的定时/计数卡的输入端口，定时/计数卡的功能一方面可以对外部输入的脉冲进行计数，另一方面可以为系统提供基准时钟。在设定的单位时间内，计数卡将得到的脉冲数以中断的形式发送给轮速计算模型。

4、轮速计算模型。轮速计算模型的工作原理：用得到的脉冲数除以计算时间，就可得出瞬时的单位时间内计的脉冲数，再除以车轮转一圈的脉冲数，就可知单位时间内车轮转的圈数，最后根据不同品牌车辆车轮外径的不同数值，可以得出车辆在运动过程中，四个轮子实时的转速。

本发明的有益效果：

轮速信号采集系统简化了轮速信号的采集，缩短了测量装置安装周期，降低了测量成本，并且对于车辆的结构没有任何的影响；同时利用该装置采集的信号与整车的其它电控信号相一致，不会出现歧异；自行研制的轮速信号调理器处理脉冲信号的能力强，通过改变元器件的取值可以适用于各种范围；最后信号采集的实时性好，只需替代轮速计算模型中的少量参数就可适用于各种车型，应用范围广，可推广应用到各种车辆的对标性能测试。

附图说明：

图1轮速信号采集系统的结构框图；

图2轮速信号采集系统的电路结构图；

图3运算放大器的引脚连接原理图；

图4跟随器的电压跟随电路结构图；

图5低通滤波器的电路结构图；

图6高通滤波放大器的电路结构图；

图7整形稳压输出电路结构图；

图8轮速计算模型的工作原理。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容：

轮速信号采集系统主要由车轮处采集信号、轮速信号调理器和计算机组成，参阅图1所示，所说的车轮处采集信号是通过车辆刹车系统上ABS轮速采集传感器中引出，送入轮速信号调理器，经过轮速信号调理器处理后的轮速信号变成计算机可识别的脉冲信号送入计算机，由计算机完成对轮速信号的采集与计算。

1、轮速信号调理器

所说的轮速信号调理器它们之间的连接结构参阅图2所示。轮速信号调理器是一个自行研制的电路调理盒，在盒中包括四套参阅图2所示的电路，分别接收车辆四个轮子ABS传感器的脉冲信号。每一套调理电路中都有四个运算放大器，这里选用封装的LM324，它的引脚连接原理图参阅图3所示，包含四个运算放大器。轮速信号调理器通过接插件DB9来接收和发送信号，DB9引脚的定义参阅表二所示：

引脚号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										功能	左前轮脉冲信号	右前轮脉冲信号	左后轮脉冲信号	右后轮脉冲信号	左前轮地信号	右前轮地信号	左后轮地信号	右后轮地信号	空

下面将详细的介绍一下各部分的器件间的连接和功能。

跟随器A

跟随器为电压跟随电路，其结构参阅图4所示，由一个运算放大器和两个电阻构成。电路的输入端是输入接插件DB9的脉冲输入，经过R1连接到LM3241的正端输入引脚3上，将LM3241的负端输入引脚2经电阻R2后返回到LM3241的输出引脚1上输出。

电压跟随器是将输出电压全部反馈到反向输入端，电路引入了电压串联负反馈，其反馈系数为1，R1＝R2＝10K。它的特点是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。

低通滤波器B

低通滤波器的设计参阅图5所示，由一个运算放大器、两个电阻和二个独石电容构成。将上一级的输出作为这一级的输入，LM3241输出引脚1经过R3和R4接入LM3242的正端输入引脚5上，同时将LM3242引脚5通过电容C2落地，电容C1的两端分别与LM3242负端输入引脚6及电阻R3和R4的中间相连，最后将LM3242负端输入引脚6与LM3242输出引脚7相连，输出经过调理的信号。

低通滤波器是一个一阶的低通滤波器，它的特点是滤去信号中的高频噪声成分，只让低于截止频率的脉冲通过。ABS安在车轮处的传感器是一个霍尔传感器，车轮44齿/周，取两个极限的车速，即最低与最高的车速，来确定滤波的范围。当时速为1.44Km/h时，信号频率为8.8Hz，当时速为216Km/h时，信号频率为1100Hz，因此有效的脉冲频率范围是8.8Hz～1100Hz。

设定年低通滤波器的截止频率设为：f_c＝1100Hz。

特性频率：f₀＝3*f_c＝3300Hz。

根据公式： $\mathrm{RC}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_0}$

设R3＝R4＝51K，

则 $C=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_{0}R}$

求得C1＝C2＝1n。

高通滤波放大器C

高通滤波放大器的设计参阅图6所示，由一个运算放大器、三个电阻、三个独石电容和一个电位器构成。LM3242输出引脚7经过电容C5和C4输入LM3243的负端引脚9上，C3与R5的一端都接到LM3243的输出引脚8上，另一端分别接到C5和C4的中间及LM3243的负端引脚9上，LM3243的正端引脚10与电位器R8的中间抽头相连接，电位器R8一端接地，另一端通过电阻R7与+15V电源相连。

高通滤波放大器的功能是对信号进行高通滤波，同时利用电位器对信号的幅值进行放大。

高通滤波器采用的是无限增益多路反馈高通滤波器，它的特点是滤去信号的低频噪声成分，只让高于截止频率的脉冲通过。

通过上面的分析，高通滤波器的截止频率设为：f_c＝8.8Hz。

设传递函数为：A＝20，品质因数为：Q＝0.707。

令C4＝C5＝1.0μ，

根据公式 $A=\frac{C4}{C3},$

得 $C3=\frac{C4}{A}=0.05\mathrm{\μ}=50n.$

$R=\frac{1}{{2\mathrm{\πf}}_c{C}_4}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×8.8\×1\×{10}^{-6}}=0.018\×{10}^6=18K$

则 $R_6=\frac{R}{(Q\×(2+\frac{1}{A}))}=\frac{18K}{0.707\×(2+\frac{1}{20})}=12.4K$

R₅＝R×Q×(2A+1)＝18K×28.9＝520K

由此得出整个高通滤波器的设定参数。

同时调整电位器R8，将脉冲信号的幅值调整到0V～6V之间。

整形稳压输出D

整形稳压输出电路参阅图7所示。由一个运算放大器、三个电阻、一个稳压二极管和一个电位器构成。LM3243输出引脚8经过R10接入LM3244的正端引脚12上，将LM3244的负端引脚13与电位器R12的中间抽头相连，电位器R12的一端接地，另一端经过电阻R11与+15V电源相连，LM3244的正端引脚12经过R9与LM3244输出引脚14连接，稳压管D1一端与地连接，另一端与LM3244输出引脚14连接。

由于经过低通滤波和高通滤波后，信号只是除去了不该有的噪声信号，但信号波形的品质不好，不能让计算机上的计数卡正确识别，这就需要对信号进行整形。

这是一个电压比较器，因此比较参考电压的选取非常关键。通过示波器观察，在信号的峰值处，信号的波形有波动，因此将参考电压设在信号相对稳定的中段，这样既可以滤去峰值的干扰信号，又可以得到非常好的方波，R9＝R10＝R11＝10k。在信号的输出端连接一个5V的稳压管，就可得到一个幅值在0V～5V变化的方波。

2、计算机对轮速信号的计算

经过轮速信号调理器的处理，轮速信号变成计算机可识别的脉冲信号，计算机对轮速信号的采集与计算分为以下两步。

(1)计算机信号的采集

在计算机上安装专业的定时/计数卡，这里我们选用的是研华的专用定时/计数卡PCI-1780，将经过轮速信号调理器处理过的轮速脉冲信号按PCI-1780的说明书接入定时卡，就可以采集信号。定时/计数卡的功能一方面可以对外部输入的脉冲进行计数，另一方面可以为系统提供基准时钟。在设定的单位时间内，计数卡将得到的脉冲数以中断的形式发送给轮速计算模型。

(2)轮速计算模型

轮速计算模型的工作原理参阅图8所示。

这是一个循环计算模型，每次循环的触发是接收定时卡的定时中断信号，设定的定时触发信号的间隔是5ms，也就是说每5ms计算一下四个轮子当前的转速。

从流程图可以看出，循环的开始等待接收定时中断信号，一旦中断到，则读取脉冲寄存器内脉冲的数目。

然后利用公式：

，其中Δt＝5ms。

已知车轮转一周会产生44个脉冲。

单位时间内车轮转的圈数×π×车轮的直径＝车轮的转速

由于车的品牌不同，所以车的直径也都不一样，因此针对不同类型的车辆，只需要修改参数库中的车轮直径数值，就可以适用于任何车型。

Claims (3)

1.一种轮速信号采集系统，主要由车轮处信号采集器、轮速信号调理器和计算机组成，其特征在于所说的车轮处信号采集器采用车辆刹车系统上的ABS系统的轮速采集传感器，所说的轮速信号调理器由四套结构相同的信号调理电路组成，包括：跟随器(A)、低通滤波器(B)、高通滤波放大器(C)、整形稳压输出(D)四个部分，每一套调理电路中都有四个运算放大器，通过接插件DB9分别接收车辆四个轮子ABS轮速采集传感器的脉冲信号和向计算机发送信号，所说的计算机上装有采集信号的定时/计数卡和轮速计算模型；

所说的跟随器(A)为由一个运算放大器和两个电阻构成的电压跟随电路，运算放大器选用封装的四运算放大器LM324，电路的输入端是输入接插件DB9的脉冲输入，经过电阻R1连接到第一LM324(1)的正端输入引脚3上，将第一LM324(1)的负端输入引脚2经电阻R2后返回到第一LM324(1)的输出引脚1上输出；

所说的低通滤波器(B)由一个运算放大器、两个电阻和二个独石电容构成，将上一级的输出作为这一级的输入，第一LM324(1)输出引脚1经过电阻R3和电阻R4接入第二LM324(2)的正端输入引脚5上，同时将第二LM324(2)引脚5通过电容C2落地，电容C1的两端分别与第二LM324(2)负端输入引脚6及电阻R3和电阻R4的中间相连，最后将第二LM324(2)负端输入引脚6与第二LM324(2)输出引脚7相连，输出经过调理的信号；

所说的高通滤波放大器(C)由一个运算放大器、三个电阻、三个独石电容和一个电位器构成，第二LM324(2)输出引脚7经过电容C5和C4输入第三LM324(3)的负端引脚9上，C3与电阻R5的一端都接到第三LM324(3)的输出引脚8上，另一端分别接到C5和C4的中间及第三LM324(3)的负端引脚9上，第三LM324(3)的正端引脚10与电位器R8的中间抽头相连接，电位器R8一端接地，另一端通过电阻R7与+15V电源相连；

所说的整形稳压输出(D)电路由一个运算放大器、三个电阻、一个稳压二极管和一个电位器构成；第三LM324(3)输出引脚8经过电阻R10接入第四LM324(4)的正端引脚12上，将第四LM324(4)的负端引脚13与电位器R12的中间抽头相连，电位器R12的一端接地，另一端经过电阻R11与+15V电源相连，第四LM324(4)的正端引脚12经过电阻R9与第四LM324(4)输出引脚14连接，稳压管D1一端与地连接，另一端与第四LM324(4)输出引脚14连接。

2.根据权利要求1所述的轮速信号采集系统，其特征在于所说的定时/计数卡对外部输入的脉冲进行计数，为系统提供基准时钟，在设定的单位时间内，将得到的脉冲数以中断的形式发送给轮速计算模型。

3.根据权利要求1所述的轮速信号采集系统，其特征在于所说的轮速计算模型为一个循环计算模型，每次循环的触发是接收定时卡的定时中断信号，设定的定时触发信号的间隔为5ms。

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