车辆被动安全测试数据格式的研究

郝赓，段成刚，马汶锴，刘俊杉，于萍

中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

在汽车工业高速发展的今天，车辆安全始终是汽车行业从业者和汽车消费者关注的因素，即使在智能驾驶、驾驶辅助装置等技术日渐成熟的时代背景下，车辆安全的可靠性与稳定性仍然是立足之本。而车辆安全离不开大量的开发与试验验证，这些试验中不仅需要测量、采集的数据量庞大，还通常需要测试多种类型的物理量，如车辆安全测试中使用的假人通常包含几十上百通道的加速度、位移、力、力矩等传感器。试验中需要测量、采集的常见基础物理量有：长度、时间、速度、角速度、压强、加速度、力矩、压力等[1-3]，这些基础测量数据通过一系列或简单或复杂的运算，便可得到进一步的数据，进而反映车辆的相关性能。在试验过程中，这些大量且种类繁多的数据从现实中的物理量经过多个测试仪器设备最终转化为储存在计算机或设备中的数据，这个过程中数据将有多种不同的类型、格式，本文以车辆被动安全测试为例，简要解释数据从采集到最终储存的过程。

1 测试系统搭建

搭建车辆安全类测试项目的测试系统，无外乎将现实中要测量的物理量转化为测量到的物理信号并加以储存[4-6]，通常包含3个步骤：

(1)各类型传感器将实际物理量转化为不同类型的电信号，通常包含位移、侵入量、距离等长度量,反映加速减速、振动、冲击等运动过程的加速度，反映变形情况的力矩，反映运动状态、变形状态的角速度，监测流体状态的压强，以及反映这些物理量在时间维度上的刻度——时间，这些物理量经过传感器转化为不同类型的电信号，如电压、电流、电桥、通信信号等。

(2)数据采集系统根据测试的配置文件将传感器转化后的电信号再转译成物理量的采样信号，其中模拟量信号如电压、电流、电桥等，可以通过简单的配置传感器相关参数即可完成设置，数据采集系统便可根据设定参数将传感器采集到的信号转化为被测物理量的采样信号；数字量信号如各种车辆通信信号则相对复杂，需要按照规定的协议进行通信才能解读出被测物理量信号。

(3)数据采集系统关联的软件将采样信号储存为原始数据文件，因为各个数据采集设备制造商的适配软件往往只能保存和使用自家特定格式的原始数据，所以在实际使用中常常需要根据使用需求转换为其他格式的数据格式，如碰撞假人等通用的ISO mme格式、适用于MATLAB的.mat文件、适用于DIAdem的.dat文件、Excel、txt等。

测试系统示意如图1所示。

图1 测试系统示意

2 物理量在传感器上的应用

被动安全领域测试物理量大多数为基本的力学物理量，如加速度、由加速度和时间积分得到的速度、进一步积分得到的位移、加速度与质量组合成的力值、力值与位移组合成的弯矩、压强、(气体/液体)压力、角速度，此外还可能涉及温度、电流、电压、电阻等物理量[7]。

这些物理量均需由传感器转化为相应电信号才能进行采集，本文主要介绍物理量在这些传感器的工程应用。根据传感器类型不同，这些物理量有些被转换为其他模拟量信号，如电压、电桥、电流等电信号；有些则被转换为数字量信号，如车载通信系统中使用的CAN总线信号、LIN总线信号、FlexRay总线信号等，这些通信信号在传递中还需遵照相应协议，才可正常传输和接收[8]。

将物理量信号转换为模拟量信号的传感器，通常包含一定的使用条件，如适用环境条件、测量范围、测量单位、激励电压等信息。在使用这些传感器时需要根据使用场景妥善选择合理的传感器，并在使用的数据采集系统中正确地配置，才能准确获取想要采集的物理量信号。

传感器参数设置界面如图2所示，此界面为传感器库(sensor database)，可以将试验用到的所有传感器信息录入此处，在试验中选择对应的传感器进行使用时，避免试验中反复输入传感器信息。如图2所示的右侧传感器信息中，首先选择传感器的数据类型以及模拟量信号(Analog)，此外还可设置数字输入信号、数字输出信号、点爆触发信号等传感器信号类型。

图2 传感器参数设置界面

在车辆被动安全测试中，传感器通常需要设置对应的ISO Code来表示测试物理量信息，ISO Code包含了被测物、测试位置、传感器细分位置、物理量、方向、滤波等级等信息，详情可以参考相关标准[9]的相关定义。此处可设置传感器的ISO Code、量程、单位、滤波等级等与测试相关的信息，还可设置更细分的传感器信号类型(如全桥、半桥、IEPE等)、激励电压、灵敏度系数等传感器自身的信息。这些参数中，灵敏度系数直接影响采集到的数据，灵敏度系数是传感器将物理量转化为模拟量信号的一个比例系数。现实的物理量通过传感器采集成为模拟量信号，物理量与模拟量之前的线性关系系数即为灵敏度系数。

传感器类型需要根据传感器本身进行设定，如常用的电桥、IEPE、电压等类型，该类型即指传感器将被测物理量转化为何种电信号。例如车辆被动安全常使用全桥加速度传感器，这类传感器将采样的物理信号转化为电桥信号，并将电桥信号传递给后续的数据采集系统等设备。

若传感器将现实的物理量转化为数字量信号(如各种车载通信信号)，则需要遵守相应的协议，才能完成信号传输。本文以CAN信号为例[8]，CAN信号又称报文，由二进制数或数字脉冲组成数据帧，这些帧按功能不同进行分段，这些段又可被称为帧的域或场。CAN信号主要有数据帧、远程帧、错误帧、过载帧4种类型，其中数据帧又包含开始域、仲裁域、控制域、数据域、安全域、应答域和结束域。传感器需要根据协议转化为正确格式的报文，后续步骤中数据采集系统等设备才能按同样的协议接收、读取报文，从而完成整个测试流程。

3 数据采集系统的介入与作用

传感器将现实的物理量转化为可被测量到的模拟量或数字量信号后，就需要数据采集系统进行后续处理，这样也意味着传感器要与数据采集系统有相应的通信方式。在汽车常见的测试中，部分模拟量信号可以简单地通过可自定义线序的各式接口连接通信，常见的如多种针脚数的Lemo接头、BNC接头、Tajimi接头；有些数字量信号则需要规定通信协议接口才能传输，如串行接口、并行接口等。

各数据采集系统一般有着自己适配的控制软件，方便操作。如图2所示的软件设置界面中，在录入试验用到的传感器信息后，需要使用该软件建立测试配置。测试配置文件设置界面如图3所示。设置测试配置时，需要规定测试使用的硬件、使用通道和对应的传感器型号，以便软件与硬件建立通信，获取对应的数据；此外，建立配置还可能涉及测试通道参数、采样频率、诊断、触发条件、数据下载/保存/输出、滤波/统计/计算等。在测试中，传感器将转化后的模拟量信号传递给数据采集系统，如电桥、电压、电流等信号，数据采集系统在对应的配置下，将测到的电桥、电压、电流信号经过灵敏度系数的计算还原为物理量，即完成了测试原始数据的采集。

图3 测试配置文件设置界面

数据采集系统在采集数字量信号(如CAN信号)时，需要对信号进行解码[8]。在测试过程中，传感器按协议将被采集的物理量转化成CAN信号，数据采集系统接收到信号，按照协议对复杂的报文进行识别和解码后，即可得到采集到的物理量。

4 数据的处理与保存格式

原始数据经过数据采集系统适配的软件保存后，可以进行初步处理，如滤波、调整0时刻、调整偏移等；随后可使用数据处理相关软件进行进一步处理与计算。

在测试过程中，因为采样、失真、噪声等因素，得到的信号通常需要先进行滤波再进行计算等处理[10]。车辆被动安全测试中常使用CFC(channel filter class)滤波等级对信号通道进行要求，常见的滤波等级主要有CFC60、CFC180、CFC600、CFC1000[11]。CFC滤波等级的要求见表1，可以简化理解为信号在某一截止频率衰减，以CFC60为例，要求信号在100 Hz(60/0.6)时，衰减程度在-3 dB，信号最终的滤波效果要在-30 dB，采样率要求最低为600 Hz。

表1 CFC滤波等级的要求

CFC滤波等级可以通过在数据采集系统软件中设置数据采集通道的低通滤波器实现,也可以先采集完原始数据后再对原始数据进行低通滤波，这些通常能够在数据采集系统软件中实现，也能够在专业处理软件中实现。但是为了保证数据的原始性，通常试验中采集原始数据，随后根据需求进行滤波。在设置软件的低通滤波器时，可使用4阶巴特沃斯(butterworth)滤波器实现。

图4为某一加速度信号原始数据和经过CFC 1 000滤波后的数据对比。由图4a可知，该加速度采样信号在CFC 1 000滤波后，1 650 Hz截止频率下衰减3 dB；由图4b可知，滤波后的信号曲线明显变得平滑，部分杂峰消失。

图4 某一加速度信号原始数据和经过CFC 1 000滤波后的数据对比

数据初步完成处理之后，可由数据采集系统软件保存为其他多种格式。一般来说，不同品牌数据采集系统适配软件有其各自的原始数据格式，如.dmd、.dat、.dts等。为了便于数据在不同分析处理软件之间传递调用，又可保存为.csv、.mat、.txt等。在车辆被动安全测试领域还有专属的ISO mme格式，ISO mme格式对数据文件层级、数据通道等均有规范要求。使用ISO mme格式保存的数据具有比较统一的文件夹结构和数据存储规范，能够高效地在不同试验室间传递与读取识别，避免了试验室以及试验人员的不同操作习惯导致的数据格式不一致。

5 结束语

本文简要介绍了车辆被动安全测试的测试架构，对其中主要节点涉及的功能和在这个节点下被测数据进行了处理或运算，方便试验人员理解测试过程中数据的传递、转换，以便在遇到数据技术问题时及时排查错误出现的步骤并处理。