解析数显千分表测量系统及在汽车电子机械复合制动系统中的应用

姜阔胜，李 阳，谢有浩，张严芬，李良和

1 引言

电子机械复合制动系统(EMB)是现代智能汽车的重要组成单元，制动系统的准确性和可靠性是汽车安全行驶的重要保障，因此，开展以提升EMB系统性能为目的科学研究，满足现代智能汽车和新能源汽车自动化和智能化的需求，成为众多学者的研究热点和重点。传统的EMB研究主要集中在机构改造和理论分析：EMB主要采用电机带动锥齿轮和二级减速齿轮传动形式的制动系统文献[1]。围绕上述传动形式和替换上述传动形式中的某一单元，产生相关成果，如文献[2]搭建了EMB试验台并完成了测控系统的研究，博世公司采用电磁离合器加行星轮减速器的方式单间制动系统等。在制动系统建模和控制算法方面，基于ADAMS的汽车电子机械制动系统柔性耦合分析[3]，以及制动系统的传递特性和控制算法研究[4]、基于路面识别的EMB防抱死系统控制算法[5-6]等技术为EMB的发展奠定了基础。

事实上，EMB系统本质是实现对汽车制动盘的制动控制，尤其是制动盘的圆跳动量是EMB系统的重要标准。然而目前，常见的EMB试验系统依然采用人工读取记录数显千分表的形式测量圆跳动量，这种形式响应速度慢，采样周期长，测量误差大。基于激光位移传感器或者电涡流位移传感器的非接触测量形式同样存在着对制动盘材料性能和反光特性要求严格的问题[7-10]。综上所述，本文提出一种基于解析数显千分表通信协议的测量系统，实现对EMB系统的高频位移测量。

2 系统总体方案设计

在汽车制动系统中，制动零件的健康状况直接影响了汽车行驶的安全性。其中，制动盘的圆跳动量是检测制动盘质量性能的重要标准之一。目前，汽车制动盘圆跳动量要求在小于0.05mm，而千分表相对于百分表具有更高的精度。

本文为实现EMB制动系统制动盘圆跳动量的经济、稳定、准确的测量，设计了一种基于数显千分表的EMB制动盘圆跳动量测量系统。本系统由数显千分表、EMB制动试验台、STM32单片机、信号转换模块、TTL转USB模块及计算机组成。测量时，首先将磁力座固定在汽车制动盘附近位置，并将测杆基本垂直于制动盘待测端面，系统实物如图1所示。

图1 EMB制动盘端面圆跳动量测量系统

3 圆跳动量测量原理

本文采用容栅数显千分表作为位移传感器，该传感器输出信号为高(约1.5v)、低(约0v)电平数字信号。受STM32单片机GPIO口采集电压的条件限制，需通过信号调理电路将容栅数显千分表输出信号的高电平从1.5v升至3.3v。当数字电平信号被STM32单片机采集时，利用千分表的编码原理，可将数值(date)转化为字符串。通过串口实现下位机与上位机的通信，将下位机测量结果实时传至上位机。

3.1 数显千分表及其编码方式

数显千分表的编码器如图2所示，图2a)为时钟信号，图2b)为数据信号脉冲。当时钟信号脉冲发生上升沿跳变时数据信号脉冲有效，读取数据信号的高低电平。一组时钟信号共24个串行脉冲，对应数据信号脉冲的24个点的电平状态(0或1)。

图2 千分表编码图

3.2 输出信号调理电路

千分表的时钟信号的脉冲和数据信号脉冲的高电平都是1.5v，为满足stm32单片机读取电平状态的要求，通过升压电路将容栅数显千分表输出信号的高电平从1.5v升至3.3v。升压电路板主要包括LM393双电压比较器和分压电阻，比较器用单电源供电，供电电压为3.3v。输出信号调理电路原理图如图3所示。

图3 信号调理电路原理图

4 圆跳动量测量系统设计

整个测量系统包括硬件系统设计和上、下位机软件系统程序设计。硬件系统运行下位机程序作为整个测量系统的下位机，通过USB转串口模块用来进行上下位机通信。上位机程序在计算机上运行，用来实现数据的观测、记录和保存。

4.1 硬件系统

在硬件系统设计中，包括数显千分表、信号调理电路、USB转串口模块、STM32单片机、计算机。数显千分表作为前端传感器，可接触输出四根输出信号线，分别为电源线(1.5～1.55v)、地线、时钟控制线CLK、数据输出线(DATE)，测量时可将各信号输出。并且具有设计了LM393信号调理电路，使输入信号调理电路的信号放大至3.3v。利用USB转串口模块将串口通信转化为现代通用计算机具有的USB端口通信方式。利用计算机作为上位机显示存储测量数据。

图4 硬件系统

4.2 测量系统的软件设计

软件系统设计包括上位机自动存储系统和下位机的主程序、外部中断、定时器中断、GPI、全局变量、串口通信技术。单片机采集到完整的24位数据后将二进制数据转换为对应的十进制数。由于计算机上显示的字符常用格式是ASCII 字符，因此需要将采集到的十进制数据进一步转换成对应的4-6 ASCII 字符。图4为千分表数据采集系统工作时的原理图采集系统的实现主要靠使用STM32单片机。在千分表读数采集系统中，使用GPIO口捕获千分表输出数据信号高低电平功能实现硬件数据采集过程。捕获输入功能有三种触发模式:上升沿触发、下降沿触发和跳变触发。由于千分表输出的串行数据在CLK 信号的上升沿有效，因此试验中使用上升沿触发模式。当单片机允许进入中断服务并开始捕捉跳变信号，即可开始计数，并溢出定时器中断，系统开始获取测量数据信号。

下位机主程序进行初始化及对单片机进行配置。I/O口初始化，配置AO和A2口，其中时钟控制信号连接在A0口上，下拉输入[5]；数据信号线连接在A2口上，浮空输入。串口初始化，配置COM3，波特率为115200。外部中断初始化，配置外部中断0，中断触发方式为上升沿触发。定时器初始化，设置定时器4溢出中断，定时间隔10ms。

主程序负责系统将采集的信号进行处理，转为十进制数据，并可传送至上位机显示。测量系统启动，主程序开始运行至While循环中，当全局变量flag2为真时，进入case真分支，将数据date解码为十进制数，然后转化为字符串，通过串口3发送出去。可以发送至上位机显示，也可以用于位移数据采集，进行数据分析。当全局变量flag2为假时，空循环，等待flag2变为真。具体程序如图5所示：

图5 下位机主程序图

上位机自动存储系统主要通过“VISA函数”把串口数据写入“写入电子表格文件VI”，实现数据的TXT文件格式保存在计算机任意位置，点击输入路径即可。点击按钮开始或暂停测量，同时数据保存，并可通过前面板实时观察测量数据。如图6：

图6 上位机系统

外部中断程序主要实现对时钟控制信号的捕捉和对数据输出信号的计数功能。当时钟控制信号发生上升沿跳变时，进入中断服务程序。在定时器中断中，千分表时钟控制信号的24个脉冲的时间宽度是9ms左右，此处定时器中断的功能是用来检测当数据是否发生异常并及时处理，使下次外部中断和定时器正常运行。

4.3 实验分析

本文基于数显千分表的EMB制动盘圆跳动量测量系统，实现EMB制动系统制动盘圆跳动量的经济、稳定、准确的测量。测量制动盘端面圆跳动量与制动实紧力关系如图1所示，采用最小二乘拟合方式。实验结果充分表明了制动盘端面圆跳动量与制动实紧力具有良好的线性关系。

图7 仿真结果

5 结论

本文提出一种基于数显千分表解析的汽车电子机械复合制动系统，搭建“直流电动机+谐波减速器+电磁制动台”形式的EMB试验台及相关测控系统。靶向制动盘圆跳动量测量核心问题，提出基于解析数显千分尺的通信协议的连续动态位移测量系统。通过解析数显千分表的时序，搭建STM32测量系统，有效解决了人工读取制动盘圆跳动量以及传统非接触式传感器受材料和反光特性影响的桎梏。EMB制动系统的研究提供了可靠数据来源，对智能汽车和新能源汽车的自动化和智能化改造，具有重要的研究意。