采用ARM控制器的制动性能测试仪设计

摘要：制动性能测试仪是一种以测量机车充分发出的平均减速度来检验机车制动性能，同时具有其它辅助项目的综合性测试仪器。新一代制动性能测试仪的硬件采用ARM控制器，SD存储卡，USB通信接口以及触摸式人机界面，软件采用基于μC/OS-II的面向任务的设计方法。实际测试表明，新仪表的性能指标达到设计要求。本文系统地介绍了该仪器的测量原理、硬件设计和软件设计。

引言

《机动车行车安全技术条件》^[1]GB7258-2012中规定了行车制动性能检验的若干种方法，其中包括用制动距离检验行车制动性能、用充分发出的平均减速度检验行车制动性能等，制动性能测试仪正是根据这些测试要求开发出来的一种仪器。除了上述制动性能测试功能外，仪表同时还具有测量加速性能、踏板力、路面坡度以及车速表校验等功能。

此次研发的新一代制动性能测试仪采用ARM单片机作为主控制器，SD卡作为存储媒介，人机界面采用触摸式液晶屏，增加了与GPS模块和电脑通信的USB接口，软件使用了基于μC/OS-II的面向任务的设计方法。新的硬件及软件的应用使仪表性能在原有基础上得到了大幅提升。

　　测量原理

由基本物理量的关系可知，对加速度进行积分计算可以得到速度：

对速度进行积分计算可以得到距离：

有了速度和距离，根据《机动车行车安全技术条件》^[1]GB7258-2012中关于MFDD的定义就可计算得到机车充分发出的平均减速度：

式中：MFDD——充分发出的平均减速度，单位为米每平方秒(m/s²);

由上分析可知测量MFDD的关键是测量加速度。测量原理如图1所示，首先由加速度传感器把加速度转换为电信号，然后经过放大电路放大输入A/D转换器，A/D转换器把模拟量转换为数字量，再由单片机对采集的数据进行积分计算得到速度、距离和MFDD。

加速度传感器采用的是硅微电容式固态加速度传感器。其内部有一个对加速度敏感的质量块，这个质量块通过具有弹性的悬臂固定在敏感器壳体上，质量块的上方和下方分别设置一个电极板，它们与质量块相隔一个很窄的相等的间隙，这两个极板分别与质量块形成一个相等的电容，当壳体在沿着这个质量块的上下方向发生加速度时，惯性力使质量块产生位移，改变了间隙，因而电容量发生变化。这两个电容量的差值与加速度成正比，这就构成了电容式加速度传感器^[2]。其结构图如图2所示。

制动性能测试仪还可对踏板力进行测量，其原理与加速度测量基本相同，首先由力传感器把踏板力转换为电信号，然后经过放大电路放大输入A/D转换器，最后计算得到踏板力值。

踏板力测量使用的是轮辐式应变传感器，传感器以金属弹性体变形原理和电阻应变片的应变原理为基础，传感器结构如图3所示。电阻应变片被热固性树脂粘结剂牢固地粘贴在踏板力弹性体应变区表面，四片电阻应变片连接成惠斯登电桥线路，如图4所示。在外力作用下，电阻应变片随踏板力传感器弹性体变形而改变电阻值，其中R1、R3的电阻变化方向和R2、R4相反，这样就使应变电桥产生一个与外力成正比的电压输出信号^[2]。

硬件设计

新一代制动性能测试仪的硬件组成如图5所示：

测试仪的核心控制部件采用ST公司的32位的ARM芯片STM32F107VC，其工作频率达到72MHz，存储器包括256KB Flash存储器和64KB SRAM，外部设备包括2个12位ADC、4个通用16位定时器、2个I2C、3个SPI、2个I2S、5个USART、1个全速USB等^[3]。

测试仪采用SD存储卡存储测试数据。SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制。而SPI方式采用4线制。SD方式比SPI方式数据传输速度更快，但由于仪表存储数据是在测试完成后进行，对存储速度的要求不高，而且ARM控制芯片上有现成的SPI接口，使用SPI方式控制更为方便，所以我们采用SPI方式的总线。

测试仪的USB接口有两个应用，一个应用是与GPS模块通信，此时仪表的USB接口工作于主机模式，向GPS模块提供5V电源。另一个应用是与电脑通信，此时USB接口工作于设备模式，电脑会把SD存储卡识别为一个可移动磁盘，上位机程序可通过读取磁盘文件的方式访问存放在SD存储卡中的数据。

电脑获取仪表中的测试数据还可以通过无线的方式，即使用无线通信模块把数据上传到电脑，无线通信模块使用Zigbee无线通信协议，Zigbee工作在2.4GHz免费频段，具有设备功耗低，网络容量大，传输距离远(1~1000米)，数据安全性高等特点。无线通信模块与ARM控制芯片之间通过串口连接。

测试仪通过红外线接口控制微型热敏打印机打印测量数据。ARM控制芯片本身没有红外线驱动接口，所以需要外接红外编码/解码器芯片。红外编码/解码