便携式制动性能测试仪静态校准装置

陈 刚 ， 罗文博， 隋良红

（1.海南科瑞计量技术服务中心 海 南 海 口 5 70206；2.中国测试技术研究院 四 川 成 都 6 10021）

根据《机动车运行安全条件》[1]的要求，便携式制动性能测试仪是记录机动车辆在制动过程中的制动时间、制动减速度来计算出机动车速度和制动距离后，可得到被测机动车充分发出的平均减速度（MFDD）和制动协调时间的设备，其主要用来检验机动车的制动性能[2]。作为机动车安全技术检验设备，便携式制动性能测试仪其本身的量值准确可靠性直接影响到产品质量的好坏，关系到被检测机动车制动性能的测试结果的准确度[3]。因此，对便携式制动性能测试仪进行校准必不可少，以确保其本身的测量量值的准确可靠[4]。通过对JJF1168-2007《便携式制动性能测试仪校准规范》[5]以及现有便携式制动性能测试仪动态校准装置的研究分析，设计了基本C8051F350和SEO9320Ⅱ光电轴角编码器的便携式制动性能测试仪静态校准装置。

1 便携式制动性能测试仪静态校准装置

1.1 静态校准装置的工作原理

本静态校准装置是由单片机控制与处理数据、角度传感器采集数据的翻转平台装置。在重力场作用下，加速度传感器自身加速度值θ=g×sinφ（g为重力加速度）随翻转平台转动角度φ的变化而变化的原理进行校准，因此保证对翻转平台转动角度的精确测量就可以保证数据的可靠性[6]。

1.2 静态校准装置的组成

该静态校准装置包括由光电轴角编码器和单片机组成的参数测试与采集模块，以及由校准平台、翻转装置以及角度转动轴组成的机械模块。静态校准机械模块实物图如图1所示。

图1 静态校准装置实物图Fig.1 Physical map of static calibration device

光电轴角编码器采用中科院光电技术研究所的SEO9320Ⅱ，主要负责对机械模块校准平台翻转角度的测量。微处理器采用C8051F350单片机，负责整个系统的运行和数据传输，以及从寄存器中读取保存的常数参数进行计算处理，实现测试结果值的记录，并管理中断、数据显示和通信等。

2 静态校准装置的硬件电路设计

2.1 硬件电路总体设计

便携式制动性能测试仪静态校准装置硬件电路包括：传感器采集模块、单片机控制模块、外部存储器模块、显示模块、按键模块以及晶振电路等组成。其硬件电路总体框架如图2所示。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware system

外部存储器采用AT24C02电可擦除的E2PROM，用于保存测试中的常量参数，该芯片采用两线串行接口，通过单片机C8051F350的P1.0和P1.1口按照I2C总线协议进行数据通信。按键模块电路有复位键以及控制键，由于微处理器C8051F350芯片有多余I/O口，所以采用独立式按键电路，分别将按键接C8051F350的I/0口以及复位端口，通过程序检测I/O电平，判断按键作用，执行相应程序处理。传感器模块记录校准平台翻转方向以及转动角度。显示模块对采集的角度以及通过单片机程序计算处理后的标准加速度值。

2.2 单片机模块设计

MCU微处理器采用C8051F350的单片机芯片，MCU微处理器采用C8051F350单片机，其采用CIP-51作为内核与MCS-51指令完全兼容，具有标准8052的所有外设部件，同时指令执行时间短。新增扩展的中断系统允许大量的模拟和数字独立工作，执行效率更高。其具有片内Silicon Labs 2线（C2）接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行全速、非侵入式的在系统调试，并且支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器的功能。其内部已校准了24.5 MHz±2%的内部振荡器和外部振荡器驱动电路，可以灵和设计时钟频率，时钟乘法器允许工作时钟频率达50 MHz，使得计算处理效率高。C8051F350有17个I/O引脚，可通过数字交叉开关将内部数字系统资源映射到端口I/O引脚。设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断或其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需要的模拟和数字资源的组合。

2.3 传感器模块设计

传感器采用中科院光电研究所的SEO9320Ⅱ光电轴角编码器，响应频率最高为160 kHz，允许最高转速6 000 r/min，可提供最大脉冲数5 400 P/r，本装置采用3 600 P/r，角度分辨率为0.1°，满足相关校准规范校准要求。输出端具有A、B、Z三路输出信号，A、B输出端分别输出编码器正转与反转信号脉冲数，Z输出端为编码器零位宽度。在面向轴端，顺时针方向旋转时，A信号应超前与B信号90°。为分别记录正反转时编码器脉冲个数，采用两片可编程计数器8253芯片对编码器进行脉冲计数，并分别将正转与反转信号接入C8051F350的外部中断端口INT0和INT1，根据正反转信号脉冲向微处理器发出中断信号。

2.4 显示模块设计

显示模块采用8个7段数码管进行转动角度值以及加速度值的显示，后5位数码管显示编码器采集的脉冲数所计算出的转动角度值，前3位数码管显示由处理器读取的常量参数与所显示的角度值计算出的标准值。由于七段数码管有位选与段选，端口较多，所以采用MAX7219芯片驱动8位数字的7段数字 LED显示。MAX7219具有 SPI、QSPI串行接口，共阴极LED显示驱动，高电压中断显示。DIG0-DIG7通过SPI总线协议与8位LED数码管的位选端口相连，SEG A-G、SEG DP为数码管段码与小数点端口相连。通过设置交叉开关控制寄存器，选择P1.0和P1.1引脚作为TXD和RXD信号端口，LOAD端与处理器的P1.1相连，为载入数据端口；CLK与处理器P1.0相连，输入时钟序列，上升沿，数据移入内部移位寄存器，下降沿，数据从DOUT端输出。其电路原理图如图3所示。

3 实验测试数据及分析

3.1 示值误差与重复性校准

按照国家计量技术中的便携式制动性能测试仪校准规范：将带校准平台的静态校准装置安置在稳定、可靠的工作台上。调整校准平台的水平，要求不超过水准器的一个分度。调整好静态校准装置的零值位置。然后，将需校准的便携式制动性能测试仪（或加速度传感器）固定在静态校准装置的校准平台上，并保证需校准便携式制动性能测试仪的加速度传感器指示的车辆前进方向与静态校准装置的角度旋转轴线垂直，同时调整使被校准制动性能测试仪使其处于零值位置[7]。

将静态校准装置的校准平台旋转分别至 12°、24°、37°、53°、90°5个点，同时读取便携式制动性能测试仪相应的示值，并重复测量3次，分别记录下每次各个测量点被校准便携式制动性能测试仪的示值与该静态校准装置的示值。分别对某机构设计研究的两套便携式制动性能测试进行静态校准，其数据测试结果如表1所示。

根据表1中实验数据、标准值以及《便携式制动性能测试仪校准规范》的要求，分别计算减速度值为（0～4.90）m/s2以及除此之外其他加速度值时的示值误差和重复性，并分别将计算结果列于表2中 。将计算结果与校准规范中要求比较可知其示值误差以及重复性均满足要求。

3.2 鉴别力阈值校准

图3 数码管显示电路原理图Fig.3 Schematic diagram of the LED displaying

表1 实验测试数据Tab.1 Experiment test data

表2 示值误差与重复性Tab.2 Indication error and Repeatability

将静态校准装置的校准平台旋转角度为37°时，校准正向旋转角度增加到 37.3°、37.4°和反向旋转角度减少至36.7°、36.6°的相应示值，记录于表3中，分析计算可知其被校准测试仪鉴别力阈都不大于0.05m/s2。其中Dγ表示在各个旋转角度γ时被校准测试仪的相应示值，Δ为旋转相邻角度时对应示值的变化量。

4 结束语

通过对国家相关校准规范以及标准的分析，设计了基于C8051F350单片机以及SEO9320Ⅱ光电轴角编码器为核心的便携式制动性能测试仪静态校准装置，采用高性能的单片机微处理机技术能够满足快速采集和数据处理计算，同时保证仪器的精度和耐冲击力。该静态校准装置具有操作方便，性价比高等特点，能够满足相关计量检测部门对便携式制动性能测试仪的静态校准。为了能够满足便携式制动性能测试仪的校准，进一步工作重点是对其动态校准装置的研究设计。

表3 鉴别力阈值测试数据Tab.3 Discernment threshold test data

[1]国家质量监督检验检疫总局.GB 7258-2004机动车运行安全技术条件[S].北京:中国计量出版社，2004.

[2]罗发贵，张杰，赵军.便携式机动车制动性能测试仪的设计研究[J].煤炭技术，2012，31（6）:220-222.

LUO Fa-gui，ZHANG Jie，ZHAO Jun.Design and research of portable motor vehicle brake performance tester[J].Coal Technology，2012，31（6）:220-222.

[3]赵志强，孙伟.便携式制动性能测试仪的使用经验[J].交通标准化，2007，（11）:179-18.

ZHAO Zhi-qiang，SUN Wei.Application experience of portable braking performance testinstrument[J].Communications Standardization，2007（11）:179-181.

[4]严瑾，鲍国华.关于便携式制动性能测试仪的校准[J].中国计量，2008（8）:74-76.

YAN Jin，BAO Guo-hua.Calibration on portable brake performance tester[J].China Metrology，2008（8）:74-76.

[5]国家计量技术规范.JJF 1168-2007.便携式制动性能测试仪校准规范[S].北京:张德祥，2007.

[6]李平江，张宝峰，周轮彬，等.便携式制动性能测试仪动态校准装置的研制[J].天津理工大学学报，2009，25（3）:75-78.

LI Ping-jiang，ZHANG Bao-feng，ZHOU Lun-bin，etal.Development of calibrating device for portable braking performance tester for vehicles[J].Journal of Tianjin University of Technology，2009，25（3）:75-78.

[7]郑文清.便携式制动性能测试仪校准时应引起注意的问题[J].工业计量，2013，23（1）:72-74.

ZHENG Wen-qing.Problem on calibration of portable brake performance tester[J].Industrial Measurement，2013，23 （1）:72-74.