基于LabVIEW的实车四轮轮速信号再现系统

黄 超，田锦明，纪林海，朱慧敏，王春玲，陈蕊悦，秦燕华

(江苏海洋大学电子工程学院，江苏连云港 222005)

0 引言

ABS传感器是汽车安全系统中非常关键的传感器之一，它决定着汽车制动安全性。ABS刹车防抱死系统和ESP电子稳定系统被广泛应用在现代汽车上，系统的产品开发需要对其进行可靠性和耐久性试验，试验过程需要稳定可靠真实的ABS轮速传感器信号。

现有的ABS/ESP性能测试过程中，其中ABS轮速传感器的信号来源主要有2种。一种是在各种路况环境下的实车匹配的耐久性试验，汽车的耐久性试验要在不同的温度、气压、灰尘、雨雪等环境下，也要进行颠簸路段、高速公路、水洼路段的道路试验[1]。这种试验浪费大量的人工成本，而且具有危险性，重复性差。另一种是采用物理运动部件模拟车轮转动感应传感器输出信号，进而送给ABS/ESP系统的耐久性试验[2]。但是电机转动的稳定性差和精度低会导致测量结果的不准确。

针对上面2种传统方法的不足，本文提出一种基于LabVIEW的实车ABS四轮轮速传感器信号再现系统，用旋转磁场发生器产生旋转的磁场来激励轮速传感器产生真实可靠轮速信号。由于旋转磁场由线圈和铁芯组成，因此不产生机械转动、无惯性、响应速度快、精度高、成本低；还由于旋转磁场发生器是非机械部件并且是静态测试，旋转磁场发生器和轮速传感器可以在高低温环境下连续测试。

软件部分选用LabVIEW作为轮速传感器信号再现系统的开发平台，实时采集再现的轮速信号并显示，解决软件编程周期长、复杂程度高问题[3]。

1 再现系统原理

1.1 再现原理

传统的轮速信号再现原理是用电机驱动测试轮旋转，使传感器感应面处恒定的磁场变为交变的，从而传感器以方波的电流输出，信号的频率与齿轮转速成比例，再用50 Ω或115 Ω的采样电阻器使其变为标准的电压信号，然后通过数据采集卡进行采集[4]。

本系统的再现原理与传统的再现原理类似，传统是机械转动引起磁场的变化，本系统是非机械式的旋转磁场发生器中通入交变的电流产生旋转磁场。如图1所示，向旋转磁场发生器中发送2组幅值和频率相同的正弦信号，信号1超前或者滞后信号2相位90°，旋转磁场发生器产生旋转的磁场，与电机带动齿轮转动齿隙的变化所引起的磁场的变化类似，区别在于旋转磁场发生器是线圈和铁芯组成，其不产生机械转动、无惯性、响应速度快和精度高。

1.2 轮速传感器

汽车轮速传感器经历了被动式、主动式和智能式的发展，被动式由于频率特性差、抗干扰能力弱、测速范围小等缺点，现在仅在商用车ABS系统中使用；主动式主要是霍尔式传感器，其具有频率响应高，低速检出特性好，强大的抗干扰能力，输出信号的幅值不随转速变化而变化和尺寸小等优点已经全面在乘用车领域应用[5]。

随着汽车智能系统的开发，需要车轮转动相关的信号，因此在主动式轮速传感器的基础上发展而来的智能式将会逐渐占领乘用车领域[6]。随着传感器技术的发展，高效检测系统也变得十分重要。

2 系统硬件设计及实现

ABS四轮轮速传感器信号再现系统如图2所示，主要由计算机、信号回放模块、信号放大模块、旋转磁场发生模块、轮速传感器模块、信号转换模块、采集卡和直流稳压电源组成。

详细的再现流程如下：计算机通过LabVIEW读取在各种路况环境下实车匹配耐久性试验中得到的4轮真实轮速信号，通过信号回放模块将4组真实的轮速信号转换成4组正弦信号，通过计算机可以控制信号回放模块中每组信号回放电路，使其中一路信号超前或滞后于另一路信号相位90°；经过放大模块放大输出2路正弦交变电信号，放大模块连接旋转磁场发生模块，放大模块将放大后的正弦交变电信号送入旋转磁场发生模块里的旋转磁场发生器，旋转磁场发生模块将放大的2路正弦电信号转化成旋转的磁场信号，旋转的磁场信号激励轮速传感器模块产生模拟的轮速信号，经过信号转换模块转换成标准的电压信号，信号转换模块连接采集卡，再传入计算机；直流稳压电源为信号回放模块、信号放大模块和信号转换模块供电。图2中，信号回放电路21与信号放大电路31与旋转磁场发生器41相连，旋转磁场发生器41感应传感器51，其他3组电路也是如此连接，正好对应实车的4个车轮的轮速信号再现。实现4个轮子的轮速信号同时再现。

2.1 计算机——基于LabVIEW的再现系统

计算机是再现系统的核心，也是再现软件的载体，测试软件采用的是LabVIEW[7]。PC机内部存储用于ABS信号再现、各种路况环境下实车匹配耐久性试验测得的真实4轮轮速信号；再现轮速信号的过程中PC机用于处理采集的数据，并将过程和结果显示在软件界面上。

2.2 信号回放模块

信号回放模块由4组信号回放电路组成，将计算机输入的在各种路况环境下实车匹配的耐久性试验中得到的4轮真实轮速数据曲线信号转换成4组正弦波形信号。

由于旋转磁场发生器是由线圈和铁芯组成类似于磁电式传感器，磁电式输出信号特性就是旋转磁场发生器的输入信号特性。因此齿轮的形状特征和齿轮的转速决定信号频率，其有如下的关系：

(1)

式中：f为正弦波信号频率,Hz；Z为齿轮齿数；v为齿轮转速,km/h；R为齿轮半径尺寸,m。

通过式(1)可以得到输入旋转磁场发生器的频率信号与轮速对应。

信号幅值由间隙和齿轮转速决定，随转速增加而增大，随间隙的增加而减少[8]。通过观察轮速传感器的输出波形来确定幅值大小，具体是：信号发生器与信号放大器相连用于产生正弦信号，产生的信号通入旋转磁场发生器里产生旋转的磁场，轮速传感器感应旋转的磁场，经过转换电阻器输出信号，在示波器上显示；确定一个合适的间隙(轮速传感器感应面与旋转磁场发生器感应面之间的距离)，保持信号频率不变，调节幅值0～20 V，观察传感器输出波形，调节过程中若出现稳定轮速传感器信号波形则记录该频率下的幅值；取1～3 000 Hz频率里特殊的和尽可能多的点，使用上述方法记录对应频率下的幅值，最后通过多项式拟合可以得到与1～3 000 Hz频率对应的幅值。

信号发生器通过USB接口与计算机相连，回放模块将正弦信号的幅值与频率写入信号发生器内。

数据采集卡采集的轮速传感器信号的频率f与齿轮转速v成正比例关系：

(2)

式中f为数据采集卡采集的轮速传感器信号频率，Hz。

通过式(2)可以将再现的轮速频率信号转换成齿轮的转速信号。

2.3 信号放大模块

信号放大模块是将回放模块输出的正弦信号进行放大，再输出给旋转磁场发生模块。由于输入的正弦波信号的频率范围很广，而旋转磁场是由线圈和铁芯组成，感性负载线圈的阻抗会受频率的变化影响，使输入电流变化，因此采用交流恒流源放大器[9]。

2.4 旋转磁场发生模块

旋转磁场发生模块由4个旋转磁场发生器组成，如图3所示，旋转磁场发生器由2个线圈、2个铁芯、铝合金固定夹和线圈的输入端组成。2个铁芯留有小的气隙，2个铁芯由铝合金固定夹固定在一起，通过螺丝固定于磁场发生器固定支架上。

信号放大模块把放大的正弦交变信号发送到旋转磁场发生器的线圈里，线圈将其转化为旋转磁场信号，铁芯使得磁场信号加强，使轮速传感器感应到信号。

旋转磁场发生器的设计应考虑：磁场大小、线圈匝数、线圈线径、铁芯的尺寸因素以及通入线圈电流后旋转磁场发生器产生的磁场对激励传感器产生的最优效果。

2.5 信号转换模块

传感器信号转换示意图，如图4所示，UV是传感器供电电压，12 V；RM为检测电阻，50 Ω或115 Ω；对于普通的主动式输出信号值Ilow、Ihigh，通常为Ilow=7 mA、Ihigh=14 mA；对于智能式轮速传感器输出信号值Ilow、Imid、Ihigh，通常为Ilow=7 mA、Imid=14 mA、Ihigh=28 mA；传感器输出信号经过检测电阻，获得测试中的信号电压URM[10]。

接通供电，随着磁场的交替变化，传感器输出方波脉冲，如图5(a)所示，主动式非智能轮速传感器输出高低电流信号的方波脉冲，其占空比为t1/T。如图5(b)所示，智能式轮速传感器输出三电平信号波形。三电平信号包含高电流信号，其频率与车轮转速成正比，中电流信号由9位方波信号提供车轮的附加信号，包括气隙储备、车轮正反转等信息，低电流信号是基础电流水平，三电平信号的占空比为t2/T[11]。

3 软件设计及实现

选用了LabVIEW软件开发轮速再现系统，完成了信号回放系统的前面板和后面板的编写。图形化软件编程使系统界面友好、操作简单，实现了数据文件载入、参数设置、数据采集、输出波形显示及波形数据保存等功能[12]。

如图6所示，信号回放模块的软件设计结构图主要由6部分组成，分别为系统初始化、读取文件(真实的轮速信号文件)、系统参数设置、发送数据信号、采集轮速信号和信号的显示与回放。

信号回放系统基本流程是：当进入信号回放系统时，系统默认初始化；当载入各种路况坏境下与实车相匹配的耐久性试验的真实四轮轮速曲线数据CSV文件，系统读取文件以波形曲线的形式显示在LabVIEW的前面板界面上；系统参数设置主要有车轮的齿数、尺寸类型、车轮的尺寸、轮速传感器类型；根据所设定的系统参数将读取的轮速数据转换成对应幅值和频率的正弦波信号，然后写入信号发生器产生信号，经过信号放大模块，发送到旋转磁场发生器模块产生旋转磁场激励轮速传感器产生信号；采集卡采集轮速传感器产生的信号并发送到计算机里，通过LabVIEW以波形曲线的形式显示在LabVIEW前面板上；LabVIEW将再现的轮速信号通过信号的频率结合系统参数转换成速度时间图像并显示在前面板上。

3.1 回放系统的前面板和后面板设计

波形回放系统的前面板图设计如图7所示，左侧是载入文件和参数设置，在LabVIEW的前面板上加入一个文件路径输入控件，用来加载真实的轮速信号文件；4个数值显示控件分别为读取文件的起始行、行数、齿轮的齿数和车轮的尺寸的数值设置，4个枚举控件分别为车轮尺寸类型、前后轮轮速传感器的类型和输出信号的类型的设置；2个按钮控件来实现装入文件和退出系统操作；1个布尔开关控件来控制是否回放。右侧是回放曲线面板和波形曲线显示区域，波形曲线面板是显示采集卡采集的4个轮速传感器信号波形；回放曲线显示的是四轮真实的轮速信号和再现的轮速信号，共8个波形图控件组成。

回放系统后面板设计主要有读取文件、发送数据和采集数据并处理。如图8所示，读取真实轮速数据文件，数据文件是由时间数据和4列轮速数据，通过2个子vi实现，其中子vi3提取4列轮速数据的功能是将后4列的轮速数据提取出来，子vi2速度信号转频率信号的功能是将4列速度信号转换成4列频率信号；输出类型可选速度和频率，通过条件结构，输出到波形图里。如图9所示，使用的是LabVIEW中的仪器I/O函数面板，采用VISA写入将正弦信号的幅值与频率写入信号发生器[13]。将从真实的速度信号转换成正弦的轮速信号，通过信号发生器的通讯指令写入信号发生器用来产生信号。如图10所示，将采集的前轮2个二电平主动式输出波形1和波形2通过子vi电压频率测量滤波得到频率信号，再经过频率与速度转换子模块转换得到再现轮子的速度信号。后轮三电平的传感器信号处理与二电平信号处理类似。经过以上3个主要模块的LabVIEW后面板设计就可以实现真实的轮速信号的再现。

3.2 再现结果显示

采集卡采集的轮速传感器波形显示如图11所示，采集部分传感器输出信号显示在LabVIEW前面板的波形面板上。图中前轮使用是输出为二电平脉宽调制的主动式轮速传感器，后轮是输出为三电平的智能式轮速传感器。在各种路况环境下实车匹配的耐久性试验中得到的真实的4轮轮速信号的速度变化波动很大，所以读真实的轮速数据从6 000行到7 000行，采集部分速度变化不大时间段的轮速传感器输出信号显示在波形面板上。可以看出波形曲线高低电流值和占空比大小都是符合要求的。

波形回放系统的前面板见图7，系统参数设置为：车轮齿数43、车轮周长尺寸2.813 m、前轮传感器输出信号类型二电平信号、后轮传感器输出信号类型三电平信号。回放曲线面板分为4块，每块有上下2幅波形曲线，下面的波形曲线是真实的4轮轮速曲线，上面的波形曲线是再现的4轮轮速曲线，再现的轮速曲线是通过对采集到的轮速传感器波形进行数据处理得到的。从图7可以看出真实的4个轮子的轮速曲线与再现的轮速曲线十分的吻合，可以得出以下的结论：

(1)测量前后轮的轮速传感器是合格的产品；

(2)该系统可以得到真实可靠的轮速信号；

(3)实现对轮速传感器在低速和高速下精确的测试；

(4)实现了实车4个轮子轮速信号同时再现；

(5)该系统可以高效地检测轮速传感器产品，适应现代汽车工业的发展。

4 结束语

本文提出并测试了一套基于LabVIEW的实车ABS四轮轮速传感器信号再现系统，该系统采用旋转磁场发生器产生旋转的磁场激励轮速传感器，这种电与磁与电之间转换的方法，与传统电机驱动齿轮激励传感器相比，成本低，重复性好并且克服了电机转速稳定性差和测试精度低等缺点，实现了轮速高精度再现。还可以将旋转磁场发生器和轮速传感器放入高低温箱内实现-40～150 ℃环境下的轮速传感器测试。测试结果表明：再现的信号与真实的轮速信号十分吻合，该系统可以给ABS和ESP系统耐久性试验提供与实车相匹配的真实可靠的轮速信号。