摘要：針對目前機動車制動性能中檢測依靠車管部門強制檢測所帶來的檢測周期長、自主檢測能力差的問題，利用三軸傳感器的特性結合改進的向后積分算法實時檢測機動車的制動性能信息并通過移動網絡發(fā)送測試數據。簡述了系統的硬件組成與操作流程。該系統功能齊全、成本低廉、安裝方便具有較好的經濟與社會效益。

機動車的制動系統是其安全運行的重要保障，其性能是否合格直接關系到機動車駕乘人員的人身財產安全，因此國家制定了GB7258—2012(機動車運行安全技術條件)以及GB12676—1999(汽車制動系統結構、性能和試驗方法》對制動系統檢測提出了明確的檢驗方法和技術指標。機動車制動系包括行車制動、駐車制動以及應急制動，我們日常主要檢測行車制動性能。GB7258中規(guī)定了兩種行車制動性能檢測方法即路試檢驗和臺式檢驗，其中路試法因為更具綜合性，更貼近于實際情景，所以在實際檢測中應用最廣。路試檢驗行車制動性能的關鍵指標主要有制動距離、充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動初速度、制動協調時間。

目前整車制動性能檢測通常使用五輪儀或非接觸式測速傳感器來測量制動距離，測試過程繁瑣，不利于常態(tài)化監(jiān)測。采用加速度傳感器可以準確地記錄制動過程中的制動加速度，結合相應的算法可以得到制動距離等參數。三軸加速度傳感器可以同時記錄制動過程中機動車行進方向、水平方向以及機動車的縱向加速度。通過對三軸向加速度數據的處理可以去除制動開始過程中的點頭誤差，震動誤差等對制動檢測結果的干擾。針對目前制動性能檢測依賴于交通管理部門每年強制性檢測所帶來的檢測間隔周期長、自主性檢測能力差的問題，提出了聯網檢測的形式。通過改進后的制動性能檢測儀可以定時，定性的對車輛的制動性能進行檢測的同時將檢測結果上報管理部門，并可由上級部門控制儀器進行實時檢測，從而形成從檢測到監(jiān)管的閉環(huán)網絡，極大地提高了對車輛安全監(jiān)測的透明性，實時性。在客運公司，危險品運輸等對車輛安全有較高要求的單位具有較好的社會效益和經濟效益，具有良好的市場前景。

1 系統硬件設計

1.1 硬件結構原理

系統主要由三軸加速度傳感器、微控制器(MCU)、踏板力傳感器、3G模塊、鐵電存儲器等組成，硬件組成框圖如圖1所示。

系統每輪檢測以踏板開關踩下為開始信號，單片機的AD(數模轉換)模塊開始對踏板力傳感器輸入的模擬信號進行轉換處理，與此同時通過I2C接口讀取加速度傳感器的加速度數據。進人數據處理程序后，分析整個制動過程，并計算機動車在制動過程中的制動初速度、制動時間、制動距離，充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動協調時間(BCT)等參數。并與規(guī)定數值比較，得到本次制動性能檢測的最終結果。將基礎數據與檢測結果存儲于鐵電存儲器內后，通過3G模塊EM770W將結果上傳到監(jiān)控終端，并可根據上位機的要求上傳基礎數據，以便供進一步分析處理。在接收完上位機指令后把指令存儲在存儲器內，以備下一次檢測。

1. 2 加速度傳感器選型及接口設計

路試測試中，加速度數據是計算制動初速度、制動距離、MFDD等關鍵參數的基礎，因而需要選擇合適的加速度傳感器及適當的算法。目前市場上的便攜式制動測試儀普遍采用單軸或雙軸加速度傳感器。因而在測試過程中對于儀器的放置有著嚴格的要求，必須將一個方向與車輛行駛方向重合。這給檢測帶來了很大的不便，同時由于在制動過程開始時存在點頭誤差以及路邊的顛簸導致的車輛整體晃動或者抖動直接影響測量結果。選用三軸加速度傳感器可以隨便放置，由于計算的是三軸的和加速度，從而降低點頭誤差及路面顛簸對測試結果的影響。

1.2.1 三軸MEMS加速度傳感器選型

加速度傳感器采用飛思卡爾的MEMS三軸數字輸出加速度傳感器MMA8451Q。MMA8451Q具有可配置的量程(±2g/±4 g/±8 g)、可配置的分辨率(14位、12位、10位)和嵌入式功能，可以通過相應的寄存器配置實現精確的運動狀態(tài)分析。同時具有低功耗的設計，可以根據實際需求配置采樣速率，擁有六種用戶可配置的數據輸出速率，采樣速率范圍從1.5～800 Hz，具備休眠和喚醒模式，最低工作電流只有6 μA。MMA 8451Q具有兩個可編程中斷引腳，可供七個中斷源使用，通過I2C接口與控制器通信，工作電壓1.95 V～3.6 V，接口電壓1.6 V～3.6 V，采用3 x3 x 1mm的QFN小型封裝。其與MSP430的連接如圖2所示。

1. 3 踏板力傳感器選型及接口設計

《機動車運行安全技術條件》中對液壓制動系的機動車的踏板力大小提出了明確要求，其最大合格壓力值為700 N。因而踏板力傳感器的量程選擇為0～1 000 N。踏板力傳感器選用的是北京龍鼎科技的LDCZL～TL，該踏板力傳感器是電阻應變片式傳感器，可以進行壓向力測試，輸出對稱性好。具有測量精度高、結構緊湊、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小等特點。其體積呈扁平狀態(tài)，可靈活方便地裝于汽車踏板上，采用孔幅結構，具有先天的抗踩踏的偏置力且體積小、抗振能力強、輸出電壓信號。工作電壓在±10 V DC，靈敏度1.5 mV/V，可以滿足系統的測試精度要求。

由于踏板力傳感器安裝在汽車踏板上，靠近發(fā)動機、啟動電機等強干擾源。并且由于駕駛員和各測試項目的要求不同，電橋的輸出信號變化范圍大，要求信號檢測電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪、增益大范圍可調等性能，根據以上要求選擇儀表放大器AD623作為踏板力信號放大器。AD623是集成的單電源儀表放大器，其通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差，線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達200 Hz時仍保持恒定而受到抑制。

它能夠在單電源(+3 V～+12 V)下提供軌對軌輸出，允許通過增益調節(jié)電阻進行增益編程，從而具有良好的靈活性，其增益最高可達1000倍，增益調節(jié)電阻大小由下式求得：

RG=100 kΩ/(G-1)

踏板力傳感器信號調理電路如圖3所示。

1.4 微控制器選型

為了設備能夠在多種情景下工作，采用兩路供電，通過開關選擇，一路由鋰電池供電，一路由汽車內部12 V DC直接供電。同時為了滿足持續(xù)監(jiān)控的使用要求，選擇支持超低功耗的MSP430系列單片機，其擁有4種省電模式，其中LPM4的最低工作電流只有0.1μA，可以通過內部指令在不同工作模式下快速切換，因而MSP430系列單片機在電池供電的情況下擁有極大的優(yōu)勢。

MSP430系列是16位混合信號處理器，其擁有豐富的片上外圍模塊，片內有硬件乘法器、兩個具有PWM功能的16位定時器、一個14路的12位的模數轉換器。MSP430可以提供內置參考電壓源(2.5 V)、一個看門狗定時器、兩路USART通信端口、一個比較器并且支持8 M的時鐘。同時

MSP430擁有豐富的具有中斷功能的I/O端口，并擁有大容量的Flash和RAM。

綜上所述，MSP430擁有的豐富資源可以簡化系統的電路設計，縮短開發(fā)時間，降低系統成本，其低功耗特性更是能夠提高系統的便攜性，因而使用其作為制動性能監(jiān)測系統的處理器。

2 軟件及算法設計

系統以三軸加速度傳感器為核心，系統開機后從存儲器上讀取上次檢測后上位機發(fā)回的指令及數據存儲的末地址，在踏板力傳感器被踩下后，進入加速度數據與踏板力數據采集階段，并同時通過MSP430內部定時器對制動過程計時，采集數據的同時，記錄該數據的采集時間點。在制動過程完成后，通過相應的數據處理程序計算制動過程中的踏板力、平均制動減速度等參數并將測試數據發(fā)回到上位機進行數據分析、圖形化顯示及記錄等操作。下位機等待上位機的控制指令，收到指令后將之存儲于存儲器中，完成后返回預讀系統初值狀態(tài)，至此完成一次閉環(huán)檢測與上報。

2.1 系統主程序設計

軟件設計采取模塊化的思想，系統由數據采集模塊，系統控制模塊，數據傳輸模塊組成，系統流程圖如圖4。

2.2 數據處理算法設計

系統自踏板力傳感器檢測到壓力且超過閥值時開始采集加速度信號。由于踏板力在制動開始階段未達到最大值，故而在制動開始后，利用定時器開關中斷以10 Hz的頻率采集踏板力數據。同時從加速度傳感器讀取加速度數據。數據采集在連續(xù)采集到10組低于0.1g的加速度數據后停止，進入數據處理流程，計算制動初速度，平均制動減速度，制動距離等參數。

機動車制動過程可以分成三個部分，如圖5所示，分別為t1：機械反應時間;t2：制動力增長時間;t3：制動力持續(xù)時間。機械反應時間t1以踏板力采集到踩踏的時間開始持續(xù)到制動力開始上升為止。制動力增長時間t2是指制動減速度由0上升到穩(wěn)定制動階段所需要的時間。t2結束點作為制動力持續(xù)時間t3的開始點，由圖5可知在制動完成時，由于機動車前后輕微抖動，會產生負的加速度，將這個點作為制動完成點。

在機動車制動過程中，從制動踏板被踩下到制動生效有較長的制動準備時間，這給整個制動過程中的制動初速度，制動距離等變量帶來了較大的累積誤差。因而制動關鍵參數采取分段計算求得，從制動結束點向后數值積分。t1階段可以視為勻速運動故而S1=vD·t1，t2階段由于是變減速運動，故

但是根據實際檢測證明，在t2階段機動車也可以視為勻速運動。因而可以簡化運算S2=v0·t2，制動力持續(xù)階段也屬于變減速運動，同時在向后積分的情況下，存在誤差累積的情況且采樣速度較快時采樣間隔誤差也會對減速度大小造成較大誤差。因而采取N次平滑法，N次平滑后使采樣間隔△t基本相等，從而可以用累積求和的方法直接求出行進距離與初始速度。

2.3 上位機監(jiān)測與處理程序

上位機系統采取B/S/S(Browser客戶端瀏覽器/WebServer網絡服務器/Database Server)結構設計。下位機通過3G網絡將測試數據以報文形式發(fā)送到服務器，經由服務器解碼處理后存入數據庫，同時系統管理員以及機動車駕駛人員可以通過不同級別賬戶登錄網頁實時查詢制動系統情況。在制動性能數據處于臨界值或者不合格時，將相應車輛信息加入警告窗口，并通知管理部門同時向駕駛人員發(fā)布報警短信，從而達到實時監(jiān)控，將危險因素抑制于初發(fā)階段的目的。

3 結束語

文中設計了一個機動車制動性能監(jiān)測系統，該系統基于3G網絡利用多維加速度傳感器等檢測出機動車制動過程中的平均制動減速度，制動時間，制動距離等關鍵參數并經由3G網絡向服務器發(fā)送檢測結果。為了簡化系統安裝使用，采用了高性能且低功耗的處理器設計成便攜便安裝結構，從而可以方便快捷地實時監(jiān)測機動車的制動系統的安全狀態(tài)。系統具有功耗小，實時性強、安裝方便簡單、實用性強同時具有較好的經濟效益與社會效益，尤其對于降低因制動系統故障導致的交通事故數目具有較大的幫助。