汽车轮毂跳动量检测系统设计

任思颖，赵添，秦永左

（1 吉林建筑工程学院城建学院学院 130111；2 空军航空航天大学 130112；3 长春理工大学 130028）

0 引言

作为汽车最重要的安全部件，轮毂承受着汽车和载物质量作用的压力，受到车辆在启动、制动时动态扭矩的作用，还承受汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面障碍物冲击等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变力[1]。汽车轮毂的跳动量是一个非常重要的性能指标。当前，欧美国家对高档轿车轮毂的精度要求已达到微米级，并要求计算四次谐波。因此，轮毂跳动量检测势必采用高精度的技术手段。随着中国汽车工业的迅猛发展，以及汽车零部件不断走出国门，各个轮毂生产厂家都对轮毂的轴向及径向跳动指标提出了严格的检测要求，使得轮毂跳动量检测设备市场前景广阔。

1 检测系统测量的技术指标

该系统的技术指标如下：传感器量程不小于15～20mm，分辨率为 0．001mm，误差≤ 0．005mm。该系统完成过程中采用实验研究和理论设计并举的方法。测量实验数据来验证微位移检测系统的测量精度，在保证传感器和主轴径向跳动精度的前提下，整个系统径向跳动和轴向跳动测量误差在0．04mm范围内。实际的设计则针对测控过程提出解决方案。二者互为依存来解决各自的不足，保证整体功能的实现。

2 轮毂跳动量的检测方案论证

轮毂跳动量的测量实质上就是测量轮毂转时将径向跳动和轴向跳动通过机械传递机构 的微位移量。其主要差别主要体现在测量的精度上，传感器影响整个系统的精度。对于轮毂跳动量测量主要有以下3种方案。

差动变压器式位移传感器是一种互感式传感器[2]。具有分辨力高、稳定性好、精度高、温度影响小等优良特性，但与其他类型的位移传感器相比，它的各项指标不是最佳的。原因在于差动变压器输出信号中的零点残余电压影响传感器的精度、线性度和分辨力[3]。

光栅传感器精度高、响应速度快、整机体积小、重量轻、运用灵活，在对环境温度无特别要求，输出为数字量，处理方便，技术成熟，在微位移检测中得到了广泛的使用[4]。

光三角式传感器[6]是属于非接触式传感器，它不受被检测体空间结构的限制，使用灵活，同时它本身结构简单，性能稳定可靠，抗电磁干扰能力强。但受异光的影响比较大。

根据3种传感器的特点分别列出其优缺点，如表1所示。

表1 3种传感器的优缺点

鉴于以上3种方案比较，考虑到测量的实质、测量的精度、稳定度及成本，我们选择了第二种方案，利用光栅传感器来测量轮毂的跳动量。光栅测量系统具有以下突出的特点[5]：

高精度，量程大、分辨率高，可实现动静态测量、自动测量和数字显示功能，抗干扰能力强，具有较高的测量速度。

因此，光栅计量技术目前广泛应用于精密测量和精密定位控制等领域。据有关资料表明，国外在各种位置检测中计量光栅应用最多，约占全部产品的80%以上。

3 汽车轮毂跳动量检测系统设计

3.1 跳动量检测系统硬件设计

硬件电路采用模块化的设计方法，包括信号处理电路单元，CPLD信号处理电路单元和单片机信号处理电路单元，其硬件框图如图1所示。其中传感器部分采用北京超精细工程研究所生产的JGX系列光栅位移传感器作为传感元件来检测位移的变化，其光栅栅距达20μm，测量重复性到1～2个分辨率,即20～40μm,电源要求为+5 VDC，输出信号为两路含有直流电平的相位差分别为90°的准正弦信号。

图1 跳动量检测系统硬件框图

信号处理电路单元负责对传感器输出信号的初步处理，它包括两部分，一是设计放大电路单元，选用了AD620进行放大整形实现对信号的放大整形，避免了采用差动放大电路精度差，调整复杂的不良因素。二是五细分电路设计单元，实现将一个正弦波周期划分为5个方波周期，实现了五细分，得到两路正交方波信号。在众多场合下，五细分并不能满足测量精度的要求，这就需要在此细分的基础上能够对这两路信号再次进行细分，而且最好能够使二次细分的细分数按照不同的要求可以随意改变，因此还需要CPLD信号处理电路单元对信号进一步处理[7]。基于可编程逻辑器件的系统重复编程的特点，在CPLD内部实现的逻辑细分电路可以灵活的实现这一目标。将五倍频细分电路输出的两路方波信号接至四倍频电路的两个输入端，就可以组成一个20细分电路，使之满足精度的要求。

在CPLD信号处理电路单元它包括四细分辨向电路单元和计数锁存单元两部分，选用美国ALTERA公司的MAX7000系列的产品EPM7128芯片[8]。利用其中，四细分辨向电路单元为满足设计指标，将五倍频细分电路输出的两路方波信号进一步细分。同时还要考虑到在测量过程中，被测物体的位移往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动，使用74ls54来实现辨向，利用QuartusII中软件中的原理图设计实现。计数锁存单元是设计中的重要部分，计数的范围是0～9999，整个计数3个模块组成。首先编写好带三态输出的锁存模块和可逆计数模块。最后根据实际项目需要，利用已经编写好的2个模块，编写出两路光栅计数程序。

从CPLD信号处理电路单元输出的信号是16位，而选用的单片机是8位单片机，所以还要设计一个与单片机端口连接部分模块单元，先输出低8位，再输出高8位，这样将得到的两路正交方波信号经过EPM7128芯片就可以得到输入单片机的信号。单片机采用了AVR系列单片机，其最大的特点是低功耗和高速度，是8位微控器中性能较高的器件。根据系统的实际需要，选用了8位AVR单片机系列中的ATmega16，实现光栅信号的处理。

3.2 跳动量检测系统软件设计

软件的设计是测量系统研究工作的重要组成部分，是控制系统的灵魂，该系统轮毂微位移的测量和输出，显示和报警功能等都是通过软件来实现的。软件设计包括主程序模块、数据采集处理模块、数据显示模块、键盘管理模块、串口通信模块等组成。其中数据采集处理模块和串口通信模块是测量软件的核心部分，它设计的结构、执行效率关系到整个系统是否能够正常和可靠运行及性能的优劣。因此，所设计的软件应该满足系统的使用要求，并具有高度的可扩充性和可维护性。

●主程序模块，系统上电或复位后，即进入主程序模块。其功能是：数据缓冲区清零、键盘初始化、液晶显示模块初始化、开中断，显示等。图2是主程序流程图。

图2 主程序流程图

图3 数据采集处理流程图

●数据采集处理模块，数据采集和处理是在响应INT0中断的服务程序里实现的。主要的功能是：将当前计数值锁存；分别读入径向、轴向计数值并放入数据暂存区；计算径向、轴向跳动量；当量换算，将测量放入数据缓冲区及通过串行通信将结果传送到上位机等。每一个功能模块均由相应的C语言函数实现。图3是数据采集处理流程图。

●数据显示模块，采用JM12864M实现数据的显示。

●键盘管理模块，考虑到键盘的简单、实用，本设计采用程序控制扫描方式来实现人机控制。键盘按键扫描的识别方法分为两步：第一步，识别键盘有无键被按下；第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。

●串口通信模块，上位单片机与AVR控制器之间的通信也是双向的，所以上位单片机实际上是与AVR控制器进行通信，通信格式是相同的。

4 系统调试和分析

实验系统由电源、光栅传感器、系统电路板和JATG仿真器以及计算机组成。PCB板和仿真器均采用5V电源。在ICCAVR开发环境下调试系统的程序。

调试分两步进行，第一步是接上传感头，对传感器输出信号进行整形滤波等，并对其输出的信号进行测试后，送入CPLD进行细分和辨向等工作。第二步是将信号引入到单片机，把程序下载到单片机中，通过上位单片机的控制，可送液晶进行显示。

图4是基于CPLD和单片机的光栅位移测量系统电路板照片。

在系统的硬件、软件调试完成后，在同样的条件下，光栅位移传感器的读数直接累加到测量结果中，因此其精度直接影响整个系统的精度，需要对光栅精度进行测量和比对实验。实验中采用HP -5528A型双频激光干涉仪进行对比，根据传感器量程不小于15～20mm的技术指标，取15～24mm之内的10个测量点，为比较二者读数之间的差值。细分数为20，光栅栅距达20μm的实验数据如表2所示。

表2 光栅位移精度对比实验数据

图4 基于CPLD和单片机的光栅位移测量系统电路板照片

5 结束语

汽车轮毂跳动量检测系统采用高精度的位移传感器，测量结果重复性好，精度高，基本满足了技术要求。该系统安装在轮毂跳动量测量机上经调试后，已经在某大型企业投入使用一年多，运行中该系统大大减少了工人的劳动时间，提高了测量精度和数据处理的准确性，具有潜在的应用前景。

[1] 朱利民．国内铝轮毂制造业及其技术的发展[J]．轻合金加工技术,2007,35(12)．

[2] 沈申生．差动变压器式位移传感器检测系统研究[J]．传感器与微系统,2006,25（3）：41-43．

[3] 程方晓,孙静波,吴瑞芝．差动变压器位移传感器的误差与精度[J]．长春大学学报,2003，2（13）：16-18．

[4] 徐熙平,姜会林,张国玉．光电尺寸检测技术及应用[M]．长春：吉林科学技术出版社，2004．

[5] 孙传友,孙晓斌．感测技术基础[M]．北京：电子工业出版社，2002．

[6] 张永枫．光三角式传感器测距系统[J]．传感器技术 ,2001,20（7）：37-41．

[7] 闫丽,段发阶,方志强．基于CPLD 芯片的光栅信号细分模块的设计[J]． 计量技术报,2005,10(2):5-8．

[8] 宋万杰,罗丰,吴顺君．CPLD技术及其应用[M]． 西安:西安电子科技大学出版社,1999．