汽車電子油門檢測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

油門作為汽車上不可缺少的重要部件，直接影響著汽車的安全性能。自21世紀(jì)以來，大部分汽車都使用電子油門替換了常規(guī)的拉線油門。與老式的拉線油門相比，電子油門通過油門踏板深淺來控制電子信號發(fā)出指令，使得引擎提供與之匹配的動力，它最大的特點(diǎn)就是能通過ECU控制節(jié)氣閥開度。當(dāng)油門踏板位置發(fā)生改變時(shí)，電子油門輸出的信號可以作為衡量電子油門自動控制精確度的依據(jù)，電子油門檢測系統(tǒng)就是依據(jù)這些實(shí)時(shí)信號，采用各種方案來評測電子油門的質(zhì)量和可靠性，實(shí)現(xiàn)其性能檢測。

1 系統(tǒng)檢測項(xiàng)目及類型
    電子油門的主要功能是把駕駛員踩下油門踏板的角度轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓信號，同時(shí)把油門踏板的各種特殊位置制成接觸開關(guān)，把怠速、高負(fù)荷、加減速等發(fā)動機(jī)工況變成電脈沖信號輸送給電控發(fā)動機(jī)的控制器ECU，以達(dá)到供油、噴油與變速等的優(yōu)化自動控制。本檢測系統(tǒng)按電子油門類型，主要采用5種檢測方案：具體包括雙信號檢測、雙信號加開關(guān)量檢測、單信號檢測、單信號加開關(guān)量檢測、帶KD裝置的電子油門檢測。
1．1 系統(tǒng)檢測項(xiàng)目
    大多數(shù)的電子油門都需要檢測其同步度、線性度、踏板力等信息，這些檢測項(xiàng)目的具體定義如下：
    (1)同步度：油門在某一行程角度輸出兩條信號值的相等程度。
    (2)線性度：油門在某一行程角度信號的理論電壓值與實(shí)際電壓值的差。
    (3)空行程角度：是指當(dāng)踏板開始發(fā)生角度變化時(shí)，信號持續(xù)不變的踏板行程角度。
    (4)踏板力：包括壓力和彈力，是踏板從怠速到滿行程，再從滿行程到怠速整個(gè)過程的受力曲線。
    (5)油門信號曲線：包括怠速信號和滿行程信號，油門踏板從怠速到滿行程的電壓輸出信號曲線。
    (6)滯后性：在給定角度上，測量兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)方向上的輸出壓力，滯后性效應(yīng)就是這兩個(gè)輸出壓力間的差異。可接受的最大差距為Ua的士1％。
    (7)重復(fù)性：在同樣條件下，10個(gè)完整的來回行程后，對于給定溫度為(23±5)℃的傳感器以及在同一方向上的任何一個(gè)點(diǎn)，所記錄的電壓差都不能超過O．5％。
    (8)傾斜誤差：計(jì)算公式如下：
   
    式中：VGR是關(guān)于坡度的變量；△X表示彎曲點(diǎn)之間的距離，單位為mm；△Us1是滿荷載Vs1和慢速Vs1之間的區(qū)別；Us1n和Us1n-1表示在位置n處和n-1處的電壓；Xn和Xn-1表示在位置n處和n-1處的行程。
1．2 系統(tǒng)檢測類型
    帶KD裝置的電子油門是檢測項(xiàng)目中設(shè)計(jì)最復(fù)雜的一款油門。在以角度為橫坐標(biāo)的油門檢測圖形中有KD裝置的油門需要轉(zhuǎn)化成行程顯示，行程可以根據(jù)公式L=2*R*sin(Θ／2)算得。式中：L為行程；R為旋轉(zhuǎn)半徑；Θ為旋轉(zhuǎn)角度。其中R為設(shè)定值，Θ為角度傳感器檢測值。另外，對怠速位置、力、行程及電壓值范圍的具體判定條件可參考圖1和圖2。圖1是帶KD裝置的油門理想力曲線圖。由圖可見，KD款油門的起始點(diǎn)(橫坐標(biāo)2 mm處)即F1點(diǎn)，感知點(diǎn)(橫坐標(biāo)50 mm處)即F2點(diǎn)，最大力點(diǎn)即F3點(diǎn)。

    例如設(shè)定的50～56 mm行程內(nèi)存在KD力最大值點(diǎn)，判斷該點(diǎn)力的值是否符合設(shè)定要求，判斷該點(diǎn)距離設(shè)定的50 mm的距離是否小于設(shè)定值(圖2中為2 mm)；從KD力最大值點(diǎn)對應(yīng)行程加上0．7 mm后行程位置對應(yīng)的輸出電信號是否為4．1 V(設(shè)定值)；從輸出電信號4．1 V位置到機(jī)械限位位置(即最大行程位置56 mm點(diǎn))行程是否大于3．3 mm等。圖2為帶KD裝置的油門信號的判定條件圖形。

    單信號檢測功能主要是檢測主信號電壓SIG1的同步度，線性度等是否在設(shè)定范圍之內(nèi)。單信號加開關(guān)量檢測是在單信號檢測的基礎(chǔ)上增加了開關(guān)量的檢測，具體如圖3所示。
    雙信號檢測主要是檢測兩路電壓信號SIG1和SIG2的同步度和線性度是否在設(shè)定的范圍之內(nèi)，保證實(shí)測信號曲線在理想信號曲線之間。另外，對空行程的怠速電壓等也有具體的檢測規(guī)定，這里依據(jù)油門類型的不同，分別進(jìn)行其標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定。雙信號加開關(guān)量檢測主要是在上述雙信號檢測基礎(chǔ)上增加了一個(gè)開關(guān)量檢測，在設(shè)定電壓范圍內(nèi)檢測開關(guān)電壓的高低變化，進(jìn)而判斷其正確性，具體如圖4所示。

2 系統(tǒng)通信協(xié)議
    此系統(tǒng)采用串口通信協(xié)議，波特率默認(rèn)設(shè)置為9 600 b／s，此項(xiàng)可調(diào)節(jié)。設(shè)定字符格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和2個(gè)停止位，中間8位即為有效數(shù)據(jù)。
    上位機(jī)發(fā)出指令格式：0xAA+指令+校驗(yàn)碼(和為0校驗(yàn))。指令內(nèi)容為單次測試指令：0x91；循環(huán)測試指令：0x92；測試結(jié)束：0x94。
    每個(gè)單次測試下位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)格式為：6個(gè)0xBB字節(jié)作為數(shù)據(jù)的開始標(biāo)志，中間為采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)分組發(fā)送，一個(gè)循環(huán)一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)以角度遞增O．5度為一個(gè)值)，最后為6個(gè)0xCC字節(jié)作為數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。數(shù)據(jù)內(nèi)容為10位A／D采集的原始值，基準(zhǔn)電壓5 V。中間具體采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)類型(6個(gè)二進(jìn)制位)+數(shù)據(jù)內(nèi)容(10個(gè)二進(jìn)制位)。部分?jǐn)?shù)據(jù)類型具體定義見表1所示。

3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)
3．1 主要功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
    電子油門檢測系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟硬件兩部分組成。下位機(jī)軟件用C語言編寫，具體的硬件設(shè)計(jì)電路和軟件編程部分這里不再詳細(xì)說明。上位機(jī)軟件由三個(gè)主要功能模塊構(gòu)成，它們是油門通信模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、信息管理模塊，總體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括串口通信初始化、產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置初始化(讀取后臺數(shù)據(jù)庫中的第一條記錄作為默認(rèn)設(shè)置數(shù)據(jù))，等待上位機(jī)發(fā)送檢測命令，下位機(jī)依據(jù)協(xié)議驗(yàn)證后傳送實(shí)時(shí)信號檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)信號曲線，然后依據(jù)設(shè)置條件判斷該產(chǎn)品合格否，并將結(jié)果進(jìn)行存儲等后期處理。

    在通信模塊中，直接采用微軟通信控件MSComm?？紤]到串口收發(fā)數(shù)據(jù)的速度，這里的程序在處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)采用先接收、后處理的方法，防止串口通信實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的丟失，具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖6所示。
3．2 檢測系統(tǒng)上位機(jī)主界面
    本檢測系統(tǒng)采用VC++作為上位機(jī)開發(fā)工具，采用圖形化界面來完成和直觀體現(xiàn)其檢測過程和檢測結(jié)果，同時(shí)，后臺使用ACCESS管理并存儲測試的大量數(shù)據(jù)，方便操作人員查看測試情況和演示在線測試過程，并且能隨時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，從而可以測試多種類型的油門。
    在菜單的命令選擇區(qū)域內(nèi)，當(dāng)點(diǎn)擊產(chǎn)品信息參數(shù)，則出現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)置界面，對油門標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，配置后的當(dāng)前信息會出現(xiàn)在顯示設(shè)置信息界面中；當(dāng)點(diǎn)擊歷史紀(jì)錄，則出現(xiàn)以往設(shè)置并檢驗(yàn)過的產(chǎn)品件號，任意點(diǎn)擊其中一個(gè)，則顯示設(shè)置信息界面會顯示出該產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)；當(dāng)點(diǎn)擊打印保存，對當(dāng)前產(chǎn)品的設(shè)置信息、檢驗(yàn)結(jié)果及當(dāng)前界面保存到Excel中。帶KD裝置的油門檢測主界面如圖7所示，中間顯示區(qū)左側(cè)為信號顯示區(qū)，右側(cè)為油門壓力和彈力顯示區(qū)；界面下面為檢測結(jié)果顯示區(qū)，點(diǎn)擊“顯示設(shè)置信息”按鈕可查看當(dāng)前產(chǎn)品的設(shè)置信息，點(diǎn)擊“同步度曲線圖”可查看該款油門同步度曲線。

4 結(jié)語
    基于VC++環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)實(shí)時(shí)通信及數(shù)據(jù)處理的方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)電子油門檢測系統(tǒng)。充分利用VC++的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析能力，極大地提高了開發(fā)效率。按電子油門款式和類型的不同，主要采用5種檢測方案檢測油門電壓信號的同步度、線性度、遲滯度怠速時(shí)的空行程角度等，最后通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，得到了電子油門實(shí)時(shí)信號變化曲線圖，直觀反映了油門內(nèi)部的電信號特征，保證了安全可靠的檢測目的，具有一定實(shí)用性。目前，該電子油門檢測系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。實(shí)踐表明，該測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，測試效果良好。