ABS传感器功能测试系统的设计

目前，汽车安全件的检测设备绝大多数是从汽车制造业发达的国家进口的，ABS（Anti-lock Braking System，制动防抱死系统）传感器的功能测试设备更是如此，因此需要自主开发一种适合生产环境、快速、稳定、通用的检测设备，以满足生产过程中每件必检的一道工序的需要。
本设计使用NI PCI-6220多功能数据采集卡和LabVIEW 7.1开发软件，根据德国大众的ABS传感器功能测试标准，开发出了满足要求的测试系统。该系统速度快、运行可靠，能实现数据采集、分析及存储，并已经在生产线上投入使用。
ABS的工作原理
ABS最重要的功能并不是为了缩短制动距离，而是为了能够尽量保持制动时汽车的方向稳定性。ABS起作用时，车轮与路面的摩擦属滚动摩擦，它会充分利用车轮与路面之间的最大附着力进行制动，从而提高制动加速度，缩短制动距离，但最重要的还是保证汽车的方向稳定性。ABS工作时就相当于以很高的频率进行点刹。于是，在紧急情况下如果将制动踏板踩到底，肯定会感到制动踏板在颤动，同时也会听到制动总泵发出的“哒哒”声，这便是ABS在正常工作。制动总泵不断调整制动压力，从而对制动踏板产生连续的反馈力。
测试原理
如图1所示，测试时，ABS的旋转系统被驱动系统带动以任意方向恒定的速度旋转。对于MK60型ABS传感器，就是指在没有制动力的情况下，以恒速139.5r/m旋转。如图2所示，分别在接点①和②间（UB）给传感器施加12Vdc和3.3Vdc电压，在旋转中连续进行两次测试，每次测试都要保证测试完整的一周。当ABS传感器感应到发号片，就产生方波的波峰，否则产生波谷，使用115Ω的高精度电阻R取得电压US。当UB为12V时，根据所测得的电压值计算出方波的频率、电流峰值IH的最大值和最小值、电流谷值IL的最大值和最小值以及信号的占空比。如图3所示，当UB为3.3V时，根据所测得的电压值计算出极对数和极距间隙。如果这些值在许可的范围内，就可以判定ABS传感器是合格的。

图1 ABS传感器测试系统示意图

图2 ABS电路图

图3 ABS方波

为了保证测试完整的一周及判断ABS传感器的极对数是否正确，必须有一个基准脉冲发生器，为此，制作了一个有45个齿的齿盘，因为正常时工件的极对数是43，所以齿盘的齿数与其相近。该齿盘的齿隙比为1:1，并随被测试工件一起旋转，用光电开关检测基准齿盘的齿数，只有检测到45个光电开关的信号，才能确保ABS进行了完整一周的测试。该光电开关产生0～24V的序列脉冲，但经过接口板的光电隔离后转换成0～5V的序列脉冲，以下简称REF信号，选择此光电开关时应注意响应频率要大于45×139.5÷60=105Hz。
控制原理
使用NI PCI-6220多功能采集卡，将ABS信号和REF信号作为电压模拟量采用差分输入方式连接到多功能采集卡的通道0和通道1，为了保证测试精度，设置模拟量的采样速率为25kS/s，并设置每通道的缓存区为500kS，可靠地将测试数据存储起来，设置每通道的每次读取点数为250S。将测试条件判断信号和测试结论值以数字量信号输出到DIO上。为了实现测试电压的切换、模拟量输入和数字量的输入或输出，自行设计开发了接口板，其结构框图如图4所示。接口板内有两个DC/DC模块，分别用于将24Vdc转换成5Vdc和12Vdc。5Vdc用于多功能采集卡的DIO，为了保护NI PCI-6220多功能采集卡，对于数字量输入使用双向输入光电隔离和NPN/PNP输入选择开关，并将24个数字量分成16个输入和8个输出；输出部分使用达林顿驱动模块带动继电器输出。测试电压要求精度是12±0.1V 和3.3±0.1V，使用两个电压调节器和电位器，以确保将测试电压调节到12V和3.3 V。选用安川SGMGH系列伺服电机和SGDM系列伺服控制器，为保持速度恒定。伺服电机选用17位编码器，应用内部速度控制方式，无须其他控制模块实现恒定转速状态下的测试。

图4 接口板结构框图

图5是测试程序流程图，图6是设备全图，测试具体步骤如下。

图5 测试程序流程图

图6 设备全图

1 开机运行程序，首先进行程序初始化，包括读入参数设置值、初始化数组和簇。
2 测试程序每50ms扫描一次“测试指令”脉冲信号，该脉冲信号至少保持200ms。一旦扫描到“测试指令”脉冲信号，就开始测试。
3 上次的测试结果首先要清零。
4 接口板上的继电器K1和K13上电接通，连接ABS传感器，并施加12V电压，进行第一次测试，对测试值进行计算。
5 接口板上的继电器K13保持连接ABS传感器，K1断开，将电压切换到3.3V，进行第二次测试，并对测试值进行计算。
6 将计算结果汇总，得出结论。
7 输出计算结果和测试结论，发送给PLC测试完成及合格与否的I/O信号；在测试软件的主界面上显示计算结果和测试结论；将计算结果附加上时间、日期和条形码一起对应存盘。
8 等待PLC的反馈信号，在3s之内，收到PLC发回的“结果收到”信号，则返回步骤2，处于等待“测试指令”脉冲信号，准备下次测试；否则进行报警提示。
程序设计要点
以LabVIEW的标准状态机为模板，共19个框。建立4个簇作为数据的高速公路，它们分别是：ABS与REF顺序比较、参数设置、计算结果和测得数据。共有15个子程序被调用来完成测试、参数设置和硬件测试等功能。
显示画面可以在“查看数据”、“第一次波形”、“第二次波形”和“参数设置及硬件测试”四个界面间切换。默认画面是“查看数据”，也是主界面，如图7所示。在默认画面上显示出要求测试项目的计算值、测试结果和此次程序运行后测试的数量、合格的数量及合格率。在测试过程中，有测试进程显示。在“第一次波形”和“第二次波形”画面中显示出两次连续测试的ABS信号和REF信号波形。图8是第一次测试波形。在“参数设置及硬件测试”画面中，授权用户能进行参数设置。需要对系统进行调试时，能进行硬件测试。每天以日期为文件的前缀生成数据记录文件，如“2006-6-3_ABS”。

图7 主界面

图8 第一次测试波形
在测试数据前面加上日期、时间和被测试件的条形码一起对应存盘，每测试一次添加一行，在均为80G的C盘和D盘中同时存储，以保证数据的安全性，便于数据追溯，数据存储格式如表1所示，用Excel软件可以查看该记录文件。


由于采集速度很快，虽然在理论上认为方波信号的上升沿和下降沿是跳变的，如可以说从0V跳变到5V，但是，如果把这个跳变过程放大很多倍，就能捕捉到从0V跳变到5V的中间值，可能是2.7V、3.5V等。就是类似于这样的跳变过程中的一个值，就是波峰或波谷超限的值。通过对采集数据的分析，发现根据需要的采样速率和方波的频率，在跳变过程中最多能产生一个中间值，这样，在程序中将这样的中间值识别出来并加以过滤，就避免了假的不合格的数据参与计算。另外，虽然从宏观上：如果ABS传感器合格，参考信号有45个齿，ABS就应该有43个齿。但是，通过对纸制模型的分析，发现在采样开始的瞬间，ABS或参考信号（简称REF）的相对状态不同，计算数值是不一样的。即如果脉冲顺序判断结果是REF先于ABS，则以REF为基准，在REF=46时，ABS=43即为正确；如果脉冲顺序判断结果是ABS先于REF，则以ABS为基准，在ABS=44时，REF=45即为正确；如果脉冲顺序判断结果是ABS与REF同时到来，则以ABS为基准，在ABS=43时，REF=45即为正确。
结束语
实践证明，LabVIEW 7.1的图形化编程，易于阅读和理解，软件中丰富的例程对初学者极为有用，实用的装饰件可以做出美观实用的界面。图9是LabVIEW块图程序。目前，这一ABS功能测试系统已经交付使用，该系统技术可靠、运行稳定、能够保证测量精度。相对进口的同类设备，虽然采集卡采样速率都是250kS/s，但是进口设备的A/D转换分辨率是12位，而NI PCI-6220的转换分辨率是16位，此外，进口设备的价格是本系统的3、4倍，这一系统的成功也给用户节省了设备投资。

图9 LabVIEW块图程序