基于LabVIEW的汽车空调控制面板按键测试系统＊

2013-09-04田韶鹏

汽车技术 2013年6期

田韶鹏李理

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室）

1 前言

汽车空调系统具有制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能，是影响汽车舒适性的主要总成之一[1]。

汽车空调中的控制面板作为人机系统中的人机界面，它的设计直接关系到操作人员的操作效率和准确性[2]。按键是空调控制面板上数量较多且使用频繁的控制键，其主要是对电源开关、除霜和除雾开关以及气流分配模式进行控制。为保证按键质量，汽车空调控制面板的生产厂家需利用相关性能检测系统对产品进行抽样检测，通过对获得的各项工作参数与产品设计参数进行对比，找出在产品设计和生产各环节中存在的疏漏和缺陷，进而优化设计和生产过程，提高产品性能，保证产品的出厂合格率。为此，根据某汽车空调厂家对控制面板的测试要求，基于LabVIEW虚拟仪器软件平台，开发了一套汽车空调控制面板按键测试系统。

2 硬件平台及结构布置

汽车空调控制面板按键测试系统采用分体独立结构模式，包括试验台、控制台和电气柜。试验台包括夹具、电机、传感器和台架基座等，如图1所示；控制台布置有显示器、单片机和内嵌数据采集卡的工控机；电气柜内设有电源、电机控制模块和数据处理模块。

为保证测试精度要求，该测试系统选用了高精度的传感器及步进电机。试验台通过计算机控制，自动检测并调整传感器相对样件的测量方位，实现数据采集及显示等功能。

3 测试对象及原理

3.1 测试对象

该测试系统的测试对象是按键的压力和位移，压力测试范围为0～20 N，位移测试范围为0～2.5 mm。

因按键压力随位移的变化较复杂，所以在测试过程中首先对按键的运动原理进行分析。通常汽车空调面板按键均采用橡胶皮碗式按键，其测试理论曲线如图2所示。当按键按下时，外力推动皮碗向后运动，按键压力随位移的增加而增大；当按键压力达到皮碗的翻转力F3时，皮碗开始翻转，按键压力随位移的增加而减小；当按键位移增加到一定值时，皮碗与电路板接触，电路导通，按键压力从F2开始随位移的增加而增大。按键返回时的曲线与按下时基本一致，但反向曲线总在正向曲线下方，在每一位移上，反向曲线对应的按键压力均小于正向曲线的按键压力。

3.2 测试原理

测试工位采用直线运动控制的驱动方式，选用直线型步进电机作为动力机构，拉压力传感器和位移传感器作为测试仪器。

在试验台上设置按键测试机构来测试按键压力与按键位移之间的关系，评价按键相关性能，按键测试机构如图3所示。测试前，首先将电机螺帽和导向键固定在电机推杆上，并旋紧拉压力传感器，用螺钉将电机推杆压圈和拉压力传感器锁紧。然后固定电机，将电机安装板用螺钉固定在测试机构导向套和手动推杆之间，在测试机构导向套上装入接近开关和位移传感器。最后将电机推杆装入测试机构导向套，启动电机，使电机螺帽套入电机螺杆，当电机推杆压圈距离接近开关3～5 mm时电机停止。此时位移传感器处于被压缩状态，测试机构装配完毕。

装配完成后，将控制面板样件固定，并使电机推杆与按键中心线同轴，然后调整拉压力传感器触头至待测按键的距离（一般为1～2 mm），准备测试。控制程序采用数字信号0或1来控制电机启停及正反转，以实现电机推杆的前进与后退，达到测试目的。

测试时，首先启动电机使电机正转，平移推出拉压力传感器测试按键，处于压缩状态的位移传感器得到释放，当所测压力值达到设置值时，电机反转。当拉压力传感器平移返回到起始位置后，电机停止运转。在测试过程中，测试系统以拉压力传感器的触头与按键接触的时刻作为测试起点，采集位移传感器的位移信号和拉压力传感器的按键压力信号，通过换算并保存数据，同时以图形的方式显示两者之间的关系。

为避免过载工作，保护传感器，该工位采取了接近开关硬件位移限位保护和软件压力限值保护措施，当超过接近开关限位或程序采集到的数值超过限制值时，控制程序可立即使电机停止运转，测试系统停止测试。

4 程序设计

该试验台采用LabVIEW软件[3]进行整个控制程序的编写。控制程序主要包括数据采集、数据处理、数据显示、传感器控制、电机控制和PID系统保护[4]等6个部分。测试软件结构框图如图4所示。

4.1 数据采集程序

试验台采用研华PCI-1711数据采集卡、单片机和LabVIEW程序来控制步进电机并实现数据采集。PCI-1711为12位的低损耗多功能采集卡，具有独特的电路设计和完善的数据采集与控制功能，可灵活设定输入类型和范围，采集速率达100 kHz[5]。它带有一系列针对LabVIEW编辑环境的端口驱动程序，只需调用相应的VI程序，再根据试验特点加以修改即可使用。

为保证准确检测测量对象数据，实现数据的高速采集，该测试系统采用了研华PCI-1711数据采集卡支持的多通道中断（MADINT）方式编程。为使采集程序满足测试要求，需正确设置采集参数，该测试程序中的多通道高速数据采集参数设置如表1所列。

表1 采集参数设置

对于不同的采样频率，可根据实际情况进行参数调整。当采集程序占用CPU资源过大，因采样频率较高而达不到采样要求时，可通过增加每次采集模/数转换数目来降低CPU使用率，以提高数据采集速度。如果厂家对数据实时显示的要求不高，则程序中一般使用缓冲器FIFO，将通道数设置为16，起始通道设置为0通道，即对每个通道都进行检测，以便于测试设备的扩展。

拉压力传感器和位移传感器所采集的电压信号经过信号调理电路传输到数据采集卡，再经PCI接口传入工控机，然后采集程序读取采集卡上各端口的电压值以队列的形式输出。经过LabVIEW软件的数据处理，数据在前面板上以波形图的形式显示，并分别生成bmp格式图片及xls表格。采集程序如图5所示。

4.2 数据滤波处理

测试环境对测试系统难免存在干扰，该测试系统主要受到外界干扰、工控机板卡间的电磁干扰及电源不稳定造成的噪声干扰，这些都会导致数据失真，因此采集的信号必须进行滤波处理。该测试系统采用双重滤波，首先利用高通滤波器滤掉板卡间电磁干扰产生的噪声，然后利用中值滤波器滤掉变频器等设备产生的噪声。对于不同测试环境，用户可自行选择滤波方式对原始数据进行滤波处理。

5 工件测试及分析

利用该测试系统对某型空调控制面板进行抽样检测，判断其橡胶皮碗式按键的力学性能是否达标。测试时要求传感器触点的推进速度接近人为的习惯速度，测试结果见图6。如图6所示，电机推杆正向前进时，随着位移的增加，按键压力先增大后降低再增大；当按键行程结束，按键压力值陡然增加且超过按键压力的反转限定值12 N时，电机反转，电机推杆带动拉压力传感器后退，按键压力先减小后增大再减小。

对比图6与图2可看出，测试结果与理论分析相吻合，证明该测试系统采集到的数据完全符合实际运行工况，未出现数据丢失和失真等情况。该力—位移曲线不仅反映了局部特性，而且能反映整个按键操作过程中的全局特性。