摘 要： 防止轉向機構對駕駛員傷害是駕駛員保護的一項重要指標，是國家強制性檢驗和CCC認證項目。人體模塊撞擊轉向機構試驗數據的準確可靠關系到汽車生產商和廣大消費者的切身利益，具有重要的意義。根據相關防止轉向機構對駕駛員傷害的標準法規研究人體模塊試驗數據測量儀器的技術要求，并開發出適合人體模塊試驗的觸發準確、多通道同步高速采集、準確可靠的數據采集處理系統，對提高汽車檢測水平和檢測效率具有重要意義。
關鍵詞：轉向機構；數據采集；數據處理
0 引言
GB 11557-2011、ECE R12和FMVSS 203人體模塊撞擊試驗是評價汽車轉向機構對駕駛員保護性能的測試項目之一，一直以來是國家強制性檢驗和CCC認證項目。試驗數據的準確性關系到汽車生產商和廣大消費者的切身利益，研究準確、可靠、抗干擾能力強的數據采集系統具有重要的意義。為了提高汽車檢測水平，采用先進的試驗數據采集方法和數字信號處理技術，并結合大量的人體模塊撞擊試驗的經驗，開發出適合人體模塊撞擊試驗的數據采集處理系統。此數據采集處理系統價格合理、功能完善、性能先進可靠，集試驗數據采集、處理和試驗報告生成于一體，可提高汽車檢測效率。
1 人體模塊撞擊試驗標準法規技術要求
1.1 人體模塊撞擊試驗技術要求
GB 11557-2011、ECE R12和FMVSS 203均要求人體模塊以24.1 km/h的速度撞擊安裝在前半截車身或模擬轉向機構安裝構架上的轉向操縱裝置即轉向盤。GB 11557-2011要求水平方向的沖擊力不超過11 123 N[1]，而ECE R12要求沖擊合力不超過11 110 N[2]，FMVSS 203 要求持續時間大于3 ms的沖擊合力不得超過11 120 N[3]。
1.2 人體模塊撞擊試驗測量儀器技術要求
人體模塊撞擊轉向機構速度的測量精度應在±1%以內；測量儀器應滿足ISO 6487-2002,傳感器的響應值CFC（濾波等級）為600, CAC（通道幅值等級）為2T。ISO 6487-2002要求試驗數據采樣頻率不得低于濾波等級的10倍，即人體模塊撞擊試驗數據采樣頻率不得低于 6 kHz[4]。測量儀器應包含3個力信號采集通道、2個加速度采集通道和2個速度采集通道。
2 系統設計方案及功能
數據采集處理系統構成及工作原理如圖1所示。該系統主要由力和加速度傳感器、兩對激光對射式光電開關、24 V開關電源、輸入信號調節模塊、數據采集模塊、USB通信模塊和數據處理計算機等組成。
2.1 系統的硬件構成及功能
2.1.1 輸入信號調節模塊
輸入信號調節模塊主要完成各通道信號增益放大和抗混濾波等功能，預處理試驗過程中傳感器的電壓信號經放大處理后送入數據采集模塊。本系統采用隔離應變輸入模塊ADAM-3016。ADAM-3016的帶寬為2.4 kHz，包括mV或V輸入的轉換結構、電壓或電流輸出轉換結構和1 000 V DC 3路光隔離。
力或加速度信號由傳感器測量得到，微電壓信號(mV)需經過ADAM-3016的放大處理輸入到數據采集模塊。標準要求試驗數據采樣頻率不低于6 kHz，試驗采樣頻率通常為10 kHz或20 kHz。根據Nyquist采樣定理：在進行模擬、數字信號的轉換過程中，采樣頻率不得低于信號最高頻率的2倍。一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5~10倍。ADAM-3016的帶寬為2.4 kHz，滿足10 kHz或20 kHz的采樣頻率要求。
此外，本系統采用2對激光對射式光電開關測速，光電開關選用QS186E+QS18VP6R。測速原理是通過2對光電開關之間的距離s以及運動物體通過2對光電開關的時間間隔t，相除得到其平均速度。QS186E+QS18VP6R的激勵電壓和反饋信號電壓為24 V，其反饋信號需進行分壓，小于10 V后方可輸入到數據采集模塊模擬輸入通道。分壓電路如圖2所示。
2.1.2 數據采集和USB通信模塊
數據采集模塊完成A/D轉換和數據采集觸發等功能。為了便攜和操作方便，數據采集系統擬使用USB通信方式。
本系統采用USB-4716即插即用數據采集模塊，如圖3所示。此模塊帶有16位多功能USB通信模塊，可與任何帶有USB端口的計算機進行通信。模塊包含16路16位分辨率模擬輸入通道、8路數字輸入輸出通道、2路模擬輸出通道和2路16位計數器。其功能可靠穩定，最高采樣頻率可達到200 kS/s。
人體模塊撞擊試驗需要采集3個力信號、2個加速度信號和2個速度信號共7個模擬輸入通道。模擬輸入通道電路如圖4所示。
USB-4716數據采集模塊有外部觸發和內部觸發兩種觸發方式。USB-4716有10 MHz時鐘計時器，響應速度快，可以滿足實時觸發采集試驗數據。本系統采用內部觸發方式，程序監測模擬輸入通道AI1的信號，當人體模塊通過光電開關時，觸發數據采集模塊進行數據采集。
2.2 系統軟件設計及調試
系統軟件程序采用Visual Basic設計，通過USB-4716驅動程序對數據采集模塊進行指令操作。系統的軟件結構較為復雜，包括USB-4716觸發、速度采集、原始數據濾波、碰撞力采集及傷害評價指標計算和試驗報告的生成等。
2.2.1 數據處理
原始試驗數據采用Butterworth數字濾波方式，濾波等級為CFC 600，濾波程序詳見ISO 6487-2002附錄A。由濾波后的試驗數據計算出合力和水平合力，并求出持續時間不小于3 ms的最大合力值。最后，繪制相應的力—時間歷程曲線，生成試驗報告如圖5所示。
2.2.2系統軟件設計流程
試驗時，首先設置試驗參數。程序監測人體模塊是否通過光電開關信號，當人體模塊通過光電開關時，觸發數據采集模塊開始采集試驗數據，同時程序采集計算人體模塊的飛行速度，生成試驗報告。系統軟件流程圖如圖6所示。
3 數據采集系統標定驗證
依據JJF 1048-1995對數據采集系統進行驗證，測量系統的采樣頻率、線性度、誤差限、時間漂移和通道間串擾[5]。系統各項指標驗證原理如下：
⑴采樣頻率測試：采用標準周期信號源接通系統通道，對采集數據進行分析，統計N個信號周期內采集數據個數nN，系統通道采集速率為v。有：
其中，f為標準周期信號的頻率。
⑵線性度測試：在系統測量范圍內選取11個校準信號點，標準直流信號源接入通道提供相應電壓，分析采集電壓信號的線性度。
⑶誤差限測試：求出線性度測試試驗中11個校準點的誤差限值，以其中的最大值作為通道誤差限的實測值。被測通道在信號E處的誤差限A的計算如下：
其中，
為通道采集數據的平均值，σ為采集數據的標準差，E為標準電壓信號。
時間漂移技術指標零點漂移特性參數、增益漂移特性參數和通道間串擾技術指標串擾抑制比均根據JJF 1048-1995中相應計算公式由被測通道采集數據與標準信號計算得出，不再贅述。
4 結論
本文介紹了一種適用于人體模塊撞擊轉向機構的數據采集處理系統。系統符合相關防止轉向機構對駕駛員傷害標準法規對測量儀器的要求，觸發準確，功能完善、性能先進可靠，集試驗數據采集、處理和試驗報告生成于一體，極大地提高了汽車檢測效率，全面提升了汽車檢測水平。
參考文獻
[1] GB 1557-2011. 防止轉向機構對駕駛員的傷害[S]. 北京：中國標準出版社，2011.
[2] ECE R12. Uniform previsions concerning the approval of vehicles with regard to the driver against the steering mechanism in the event of impact[S]. Geneva: Economic Commission of Europe, 2006.
[3] FMVSS 203. Impact protection for the driver from the steering control system[S]. Washington,1990.
[4] ISO 6487-2002. Road vehicle-measurement techniques in impact tests-instrumentation[S]. Geneva, 2002.
[5] JJF 1048-1995. 數據采集系統校準規范[S]. 北京：國家技術監督局，1995.