车速台速度脉冲信号的处理方法研究

· 28 · 宇航计测技术 2005 年
2 检测原理
假设汽车车轮的直径为 d1 (m) ,转动角速度为 ω1 (rad/ s) ;车速台滚筒直径为 d2 (m) ,转动角速度 为 ω2 (rad/ s) ,在无相对滑移的条件下它们之间存在 关系式
(3)
实际的行车速度 v 为
v = (1/ 2) ω1 d1 = (1/ 2) ω2 d2
(4)
将 (3) 式代入 (4) 式 ,整理得
v = (πd2 f ) / z
(5)
由霍尔传感器采集到的方波脉冲信号直接连 接到可编程定时 / 计数器 8254 的计数通道进行处 理 ,通过软件编程结合 (5) 式 , 计算出汽车的实际行 驶速度 ,把计算值和车速表示值进行比较 ,可以检验 车速表是否合格 。
那么 ,如何解决这个问题呢 ? 从传感器读取的脉冲信号 ,只有经过整形滤波 处理 ,才能更接近方波脉冲 ,使测量值与真实值之间 的误差减小 。 目前 ,最常用的处理方法主要有硬件实现和软 件实现两种 。硬件主要是搭接整形电路 ,软件主要 是运用合理的滤波算法 ,两者各有优缺点 。为了提 高测量精度 ,本文采用了两者结合的方法 ,即既有硬 件整形 ,又有软件滤波 。从霍尔集成传感器输出的 脉冲信号 ,通过硬件电路整形后进入数据采集卡 ,在
Abstract Explained the theory of speed pulse signal measuring with hull elements on the basis of de2 scribed the category of speedometer testers and the necessary of speedometer testing in brief . And then com2 bined with the problems in practical application , after made much analysis and study on a large a mount of data experiments in2depth , elicited a kind of scientific method for pulse signals measuring and processing , and the practice proved this method was very efficiency. Key words Vehicle speedometer test Pulse signal Pulse count processing method
图 4 硬件整形滤波系统结构
为了把传感器输入信号的噪声成分滤掉 ,在硬 件上采用了脉冲信号整形电路 ,如图 5 所示 。
图 5Βιβλιοθήκη Baidu 脉冲信号整形电路
图中 TLP 为光电隔离器件 , 只有当脉冲信号 CL K为高电平时 TLP 导通 , U0 处输出高电平 ,信号 为低电平时 TLP 截止 , U0 处输出低电平 ,起到脉冲 信号整形作用 。 31212 软件平滑滤波
按照上面的设计 ,当车速台滚筒旋转速度较低 时 ,测量数据非常准确 ,当车速达到 30 km/ h 以上 时 ,仍然出现“飞车”现象 。为了研究这个问题 ,将传 感器输出信号接到示波器后 ,发现在不同的转速下 , 其脉冲波形图如图 3 所示 。
图中 (c) 是高转速情况下的波形 ,此时的波形呈
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3 出现的问题及处理方法
3. 1 存在的问题及分析 实际测量中 ,车速很低时测量数据比较稳定 ,一
旦车速达到 10 km/ h 以上 ,测量数据不稳定 “, 飞车” 现象明显 。
通过试验发现该问题的主要原因是 ,霍尔集成 传感器的 TTL 电平输出驱动能力不够 ,在外接负载 的情况下 ,高电平降低 ,导致进入到 8254 计数器的 脉冲信号不稳定所至 ,考虑在输出信号和电源之间 跨接一上拉电阻 ,增加输出 TTL 电平的驱动能力 ,使 8254 读取值更接近真实值 。为了验证 , 在车速 10 km/ h 左右时 ,跨接上拉电阻前后 ,将输出端接至示 波器 ,得到如下图形 。
1 引 言
汽车车速表示值准确与否关系到行车安全和运 输生产率 ,为了使驾驶员能准确掌握行车速度 ,保证 行车安全和提高运输生产率 ,汽车检测业的安检 、综 合性能检测 、质检等部门均把车速表检测列入必检 项目之一 。车速表检测台是车速表检测的常用设
备 ,它有标准型和电动机驱动型两种 ,均采用传感器 读取车速信号 。在 GB7258 - 2004 中规定 ,如果车速 表检测台的滚筒转速为 40 km/ h ,读取车速表指示 值在 40 km/ h～48 km/ h 为合格 。
霍尔传感器测量转速的结构原理如图 1 所示 。
图 1 霍尔测速结构原理图 11 软铁齿轮 (60 齿) ;21 霍尔传感器 ;
d - 测量距离 0. 5 mm ～ 1. 0 mm。
该测量机构由一个装在被测转轴上的软铁齿轮 (可导磁) ,及外装于支架上的霍尔集成传感器组成 ,
传感器距齿轮顶端的间隙 d 取 0. 5 mm～1. 0 mm。 当被测轴开始转动时 ,驱动软铁齿轮一同旋转 ,在霍 尔元件上感应出与齿轮齿数相同的电压脉冲信号 , 经集成运放处理输出的 TTL 电平 ,通过 CL K 信号线 传送至数据采集卡上的计数器 8254 。
第 2 期 车速台速度脉冲信号的处理方法研究 · 29 ·
计算机上编制软件滤波程序 ,对输进来的脉冲信号 进行平滑滤波 ,然后根据 (5) 式计算出实际车速 。 31211 硬件整形滤波
硬件整形滤波处理系统的基本结构如图 4 所示。
图 3 三种不同转速时的脉冲信号 (a) 转速 10 km/ h ; (b) 转速 25 km/ h ; (c) 转速 35 km/ h 。
本文以标准型车速台为研究对象 ,对车速脉冲 信号数据处理方法进行研究 。
收稿日期 :2004211210 作者简介 :冯文彩 (1977 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事汽车检测技术的研究 。
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· 30 · 宇航计测技术 2005 年
图中 i 为记数参数 ,平滑滤波时五个采样脉冲 为一组 ,去掉最大值求剩余四个脉冲的平均值 ,利用 (5) 式计算出车速后 ,输出到车速工位显示屏显示 。 当车速表示值为 40 km/ h 时 ,按下遥控器开关 ,程序 读取到遥控开关有效后停止 ,否则继续循环 ,直至满 足条件为止 。
锯齿状 ,且“毛刺”明显 ,严重制约了脉冲的读取精 度 ,故测量误差很大 。图 (a) 和图 ( b) 的波形接近方 波 ,且“毛刺”不明显 ,故测量误差较小 。 3. 2 处理方法
在现场应用中 ,霍尔传感器的输入信号中总会 叠加一些噪声成分 ,而且这些噪声在不同的情况下 , 会对输出信号状态产生不同的影响 。当输出信号磁 滞宽度比传感器输入中叠加的噪声成分大时 ,传感 器可以稳定工作 。相反 ,如果磁滞宽度比传感器输 入中叠加的噪声成分小 ,传感器输出信号将会被噪 声严重干扰 。
文献标识码 :A
车速台速度脉冲信号的处理方法研究
冯文彩1 何志刚1 付敬业1 王涛1 刘明黎2
(11 军事交通学院 ,天津 300161 ; 21 北汽福田汽车股份有限公司 ,北京 102206)
摘 要 在简单介绍车速表检测的必要性以及车速表检测台分类基础上 ,讲解了霍尔元件测量速度脉冲的
4 试验结果分析
为检验本处理方法的合理性 ,将采用软硬件整 形滤波前后采集到的测量数据整理 ,得到表 1 。
表 1 整形滤波前后的数据比较 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 备注 理 高电平 5. 00 5. 00 5. 00 5. 00 5. 00 5. 00 5. 00 想 低电平 0. 20 0. 20 0. 20 0. 20 0. 20 0. 20 0. 20 值 频率 1. 05 1. 05 1. 05 1. 05 1. 05 1. 05 1. 05 测 高电平 4. 38 4. 21 4. 40 4. 18 3. 99 4. 31 4. 52 整流 量 低电平 0. 27 0. 28 0. 24 0. 30 0. 32 0. 28 0. 28 滤波 值 频率 1. 10 1. 12 1. 13 1. 11 1. 10 1. 12 1. 12 前 测 高电平 4. 98 4. 89 4. 96 4. 96 4. 92 4. 97 4. 96 整流 量 低电平 0. 21 0. 24 0. 22 0. 21 0. 23 0. 21 0. 20 滤波 值 频率 1. 06 1. 05 1. 04 1. 06 1. 05 1. 04 1. 05 后 (电平 :V ; 频率 :kHz)
原理 ;结合实际应用中出现的问题 ,针对大量的试验数据结果进行分析研究后 ,得出一种科学合理的脉冲信号测量 处理方法 ,使测量结果得到明显改善 。
关键词 车速表检测 脉冲信号 脉冲计数处理方法
Study on the Methods of Speed Pulse Signal Processing for Vehicle Speedometer Tester
图 2 跨接上拉电阻前后脉冲图形 (a) 没有上拉电阻波形 ; (b) 跨接上拉电阻波形 。
由图 (a) 可见 ,车速 10 km/ h 左右时 ,如果没有 上拉电阻 R ,第三个脉冲的 TTL 高电平在外加负载 作用下 ,下降到了 + 5 V 以下 ,而且第一和第二脉冲 的“毛刺”也会干扰 8254 的正常读取 ,使测量值与真 实值不相符 ,造成测量数据突变 。外加可调电阻 R 后 ,如图 (b) ,有效的解决了这个问题 。
FENG Wen2cai1 HE Zhi2gang1 FU Jing2ye1 WANG Tao1 LIU Ming2li2
(11Institute of Military Traffic ,Tianjin 300161 ; 21Beiqi Futon Motor Co. Ltd , Beijing 102206)
ω1 = ( d2/ d1) ω2
(1)
即车轮的转动角速度可用滚筒的转动角速度 表示 ,而滚筒的转动角速度又可用霍尔型脉冲计数 传感器检测出来 , 其脉冲频率 f 与滚筒的转动角速 度存在如下关系式
f = (ω2/ 2π) z
(2)
式中 : z ———滚筒转一圈传感器产生的脉冲个数 。 整理得
ω2 = 2πf / z
2005 年 4 月 第 25 卷 第 2 期
宇航计测技术
Journal of Astronautic Metrology and Measurement
文章编号 :1000 - 7202 (2005) 02 - 0027 - 04 中图分类号 :TH824
Apr. ,2005 Vol. 25 ,No. 2
针对 3. 1 中跨接上拉电阻后出现的问题 ,通过 仔细分析发现 ,上拉电阻只是在一定程度上提高了 传感器输出电平的负载能力 ,但对脉冲信号的整形 滤波作用并不明显 。在低速条件下 ,输出信号的磁 滞宽度比传感器输入中叠加的噪声成分大 ,上拉电 阻可以满足要求 。当速度增大到某一值后 ,脉冲信 号频率升高 ,此时输出信号磁滞宽度比传感器输入 中叠加的噪声成分小 “, 毛刺”增多 ,只靠上拉电阻不 能保证波形不失真 (如图 3 (c) 所示) ,造成测量数据 不稳定 ,导致了“飞车”现象的发生 。
为了提高测量精度 ,在采用硬件滤波的基础上 , 还设计了平滑滤波程序 ,其流程如图 6 所示 。
图 6 平滑滤波流程图
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