摘要：在實(shí)車磁撞試驗(yàn)中，車速的大小直接影響試驗(yàn)的結(jié)果。為了從根本上解決橡皮繩彈射實(shí)車碰撞試驗(yàn)中橡皮繩的老化和時(shí)變特性給速度控制帶來(lái)的困難，提高控制精度和抗干擾能力，對(duì)橡皮繩彈射車速控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)基于MOTOROLA單片機(jī)系統(tǒng)的控制器的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件算法進(jìn)行了分析和討論。
關(guān)鍵詞：速度控制 單片機(jī) 控制器

撞擊速度控制一直是汽車碰撞試驗(yàn)中最為關(guān)鍵的部分。汽車被動(dòng)安全性法規(guī)中的多項(xiàng)決定性的指標(biāo)如人體頭部傷害指數(shù)（HIC）、胸部合成加速度、大腿力等都是同車輛撞擊速度有密切關(guān)系的，所以必須嚴(yán)格保證撞擊速度在允許的偏差范圍內(nèi)[1～4]。在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的橡皮繩彈射實(shí)車碰撞速度控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。在汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用的MOTOROLA單片機(jī)系統(tǒng)具有卓越的穩(wěn)定性和豐富實(shí)用的功能，該系統(tǒng)配以其它輔助電路，可成功地構(gòu)建出系統(tǒng)的控制器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的控制能夠完成速度的采集和控制算法的實(shí)現(xiàn)。

1 車速控制的總體方案

為了解決橡皮繩的時(shí)變特性和驅(qū)動(dòng)裝置的非線性特性，提高整個(gè)系統(tǒng)抵抗?jié)L動(dòng)阻力干擾的能力，根據(jù)橡皮繩彈射碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際情況，結(jié)合清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室的實(shí)際，速度控制的總體方案如圖1所示。

通過(guò)控制橡皮繩拉伸的長(zhǎng)度進(jìn)行"開(kāi)環(huán)"控制，粗略地把速度控制到一定的范圍內(nèi)。通過(guò)安裝在加速滑車上的傳感器、控制器和執(zhí)行器等構(gòu)成速度"閉環(huán)"控制系統(tǒng)，力圖精確、穩(wěn)定地控制碰撞時(shí)的車速。

對(duì)于質(zhì)量為1.5噸的小轎車，在距離加速末端拉伸5m處釋放加速，可得到15km/h的車速。由動(dòng)能定理和等效原理可以計(jì)算出在拉伸5m以上情況下，在距離加速末端拉促5m處與加速末端的速度差：

（1/2）·m·v1 2=ΔW=1/2·m·v22 2-1/2·m·v21 2

其中，v1、v22、c21分別為拉伸5m得到的車速、拉伸5m以上時(shí)加速末端的速度和在距離加速末端拉伸5m處的速度。若在實(shí)車碰撞中v22+v21=100km/h

代入數(shù)據(jù)可得：v22-v21=2.25km/h

由理論分析和計(jì)算結(jié)果可以看出：在加速末端速度變化量相對(duì)很小，有利于控制調(diào)整，但是留給控制系統(tǒng)的時(shí)間也很少。閉環(huán)系統(tǒng)控制策略為對(duì)整個(gè)過(guò)程的初始階段不加控制，到加速的末端進(jìn)行速度的調(diào)整和控制。

圖2為試驗(yàn)車輛與滑車之間連接的示意圖。由于滑車與被測(cè)試車輛間只有推力，其非線性特性和動(dòng)力的時(shí)變特性給控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)增加了難度。"閉環(huán)"系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的框圖如3所示。

執(zhí)行器即為剎車機(jī)構(gòu)，利用軌道和剎車片的摩擦消耗系統(tǒng)的動(dòng)能來(lái)降低加速滑車的速度，導(dǎo)致加速滑車與被測(cè)車輛脫離，從而切斷被測(cè)車輛的動(dòng)力源，對(duì)車速進(jìn)行控制。

2 控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)分析

控制器要求具有復(fù)雜計(jì)算的能力，而且整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)需要安裝在加速滑車上，工況較惡劣。因此選用單片機(jī)作為整個(gè)控制器的核心器件，以單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建控制器。

根據(jù)控制單元的要求，作為控制器核心器件的單片機(jī)應(yīng)具備以下性能：

·有足夠大的RAM
·有足夠大的EEPROM
·有足夠大并方便開(kāi)發(fā)的ROM
·有A/D轉(zhuǎn)換功能
·有串行通訊能力
·有足夠強(qiáng)的中斷功能
·有很高的穩(wěn)定性，最好有良好的耐沖擊能力

根據(jù)以上的性能要求，選擇MOTOROLA公司的MC68HC711E9[6]單片機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)速度采集、狀態(tài)顯示、算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理等功能，所設(shè)計(jì)的控制器的組成框圖如圖4所示。

2.2 速度的測(cè)量

在控制系統(tǒng)中，速度的測(cè)量精度直接影響最后的控制精度。若用傳統(tǒng)的五輪儀方式來(lái)測(cè)量車速，其滑差和傳動(dòng)遲滯問(wèn)題將使精度提高到本系統(tǒng)要求的水平變得很困難；若應(yīng)用超聲波測(cè)速，其測(cè)量距離對(duì)于長(zhǎng)達(dá)70m的加速跑道又顯不足。因此采用的速度測(cè)量方案為：由記錄等距明暗條紋的反射式光電開(kāi)關(guān)完成位移的采集，時(shí)間由擴(kuò)展的單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來(lái)記錄，最后速度由單片機(jī)計(jì)算出來(lái)，此新穎的非接觸式測(cè)量大距離的方法測(cè)量精度高、安裝簡(jiǎn)便、成本較低。

作為速度控制系統(tǒng)的控制器，時(shí)間的測(cè)量精度直接影響控制的精度。采用集成的精度為30×10 -6的晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)間測(cè)量精度遠(yuǎn)高于速度測(cè)量精度，所以由計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)引起的誤差可以忽略不計(jì)。此外，因?yàn)榕鲎踩痰拿恳粋€(gè)位移采集點(diǎn)用4字節(jié)32位計(jì)數(shù)器來(lái)記錄時(shí)間的絕對(duì)值，所以消除了累積誤差。

對(duì)于單片機(jī)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，出于精度的考慮，選擇的分頻因子為1。這樣用于定時(shí)的單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率與單片機(jī)的E時(shí)鐘信號(hào)的頻率相同，其時(shí)鐘周期為(1/2M)s,即0.5μs。對(duì)于單片機(jī)本身具有的16位計(jì)數(shù)器，在上述的時(shí)鐘周期情況下，計(jì)數(shù)器每32.77ms溢出一次，本控制器采用4字節(jié)來(lái)記錄時(shí)間，系統(tǒng)記錄的整個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為：

32.77×64=2097s≈35min

此時(shí)間長(zhǎng)度可以滿足整個(gè)碰撞試驗(yàn)過(guò)程對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度的要求。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)，對(duì)于每個(gè)位移點(diǎn)，系統(tǒng)用兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示16位計(jì)數(shù)器的溢出次數(shù)，即為4字節(jié)時(shí)間值的高16位，此數(shù)值的更新由計(jì)數(shù)器的溢出中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外兩個(gè)字節(jié)為光電經(jīng)過(guò)明暗條紋交界處時(shí)16位計(jì)數(shù)器的數(shù)值，即為4字節(jié)時(shí)間值的低16位，用輸入捕捉中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入捕掉中斷程序把輸入捕捉中斷所記錄的16位計(jì)數(shù)器的數(shù)值和計(jì)數(shù)器的溢出次數(shù)存儲(chǔ)到每一位移點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RAM中。為滿足時(shí)間的精確性要求，在所有的中斷中，計(jì)數(shù)器的溢出中斷優(yōu)先級(jí)最高，輸入捕捉中斷的優(yōu)先級(jí)次之。

考慮到在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間的一致性要求，計(jì)數(shù)器的溢出中斷和輸入捕捉中斷之間不希望有中斷嵌套發(fā)生。用于設(shè)置位移標(biāo)志的條形碼產(chǎn)生的中斷信號(hào)的間距為2cm，對(duì)于最高車速為60km/h的試驗(yàn)車輛，其兩個(gè)輸入捕捉中斷之間的時(shí)間差最小為：

0.02÷60×3.6=0.0012s

在這段時(shí)間里共有1200/0.5=2400個(gè)E時(shí)鐘，足可以運(yùn)行一個(gè)輸入捕捉中斷程序中一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出中斷程序。因此在車速不超過(guò)上述車速時(shí)，單片機(jī)可以成功地對(duì)時(shí)間進(jìn)行記錄。

光電的輸出電路為集電極開(kāi)路接口形式，為了與單片機(jī)的CMOS輸入電路進(jìn)行連接，利用分壓電路及門電路的輸入特性來(lái)進(jìn)行電平變換，設(shè)計(jì)的位移采集及整型電路示意圖如圖5所示。