汽车检测设备智能仪表

第一节    汽车检测设备智能仪表的特点

一、汽车检测设备的仪表

检测设备的仪表是对检测对象进行采集量化、显示的部件，是实现人和机器设备沟通的主要渠道，大部分检测设备的测试结果都是通过单机进行显示的。

传统的仪表多采用指针式显示测量数据。这种指针式仪表的主要缺点是精度低，分辨能力差，寿命短，不易调整，功能单一。随着大规模集成电路和微处理器的发展，智能化仪表逐步取代了传统的仪表。所谓的智能仪表就是以微型计算机为核心的仪表。这种仪表将测量设备传感器、电路结构、软件设计有机结合在一起。由于智能仪表以软件替代许多硬件线路，使仪表的电路结构简化，功能增强。而且由于软件编程的灵活性，使输入信号的非线性处理变得很容易，因而使仪表的测量精度大为提高，使测量和数据加工融为一体。同时智能仪表一般都具有与上层计算机的标准接口，能作为一台智能程控仪表单元接入系统，从而构成更高一层水平的自动测试系统。

二、智能仪表的功能

1 、能自动进行误差及非线性修正

在自动测量系统中，由于被测量参数及传感器的非线性、以及环境温度引起的零点漂移等因素的影响，将使测量结果产生一定的误差。在智能仪表中，利用微型计算机的快速工作及计算能力，可对上述误差进行修正，进而实现对非线性参数的自动补偿，如声级计量的非线性补偿等等。即便是随机误差，若能通过实验事先找到一定的误差规律，或求出误差统计模型，也可进行有效的补偿。例如测量汽车车速时，由于汽车的加速度是有限的，不可能出现车速的瞬变的情况如果测量到的车速变化太大则可能是随机误差而进行的修正。在汽车检测设备的智能仪表中还可以对测量对象的量值范围进行事先设定，例如汽车的轴重测量台的量值范围一般为 100kg － 13000kg ，则可在智能仪表中设定测量值在 100kg 以下时为非法数据，而不进行传输。这样防止操作人员误踩上轴重台使得控制系统把人的体重误判为车轴的重量。

2 、运算及数据处理

在许多被测系统中，不是直接得到欲测参数，而是采用一种所谓“间接”测量的方法。也就是说，必须把被测结果经过一定的运算才能得到被测参数，如测量汽车喇叭的声级，若在一般的仪器中，需采用复杂的电路，但在智能化仪器中，就可用软件的计算来完成，因而使系统大为简化。不仅如此，计算机还能对被测参数进行数据处理。数据处理的主要工作有：数字滤波，它可以有效的减少干扰信号；量纲变换为对应的工程物理单位；自动调零，可自动减去原始点的非零值而免去硬件的调整；量程调整，可根据输入信号的大小决定测量范围以提高测量精度。在智能化仪表中还可以进行统计、累加、平均处理等，因而大地提高了测试系统的可靠性及功能。

（ 1 ）工程量纲转换：汽车检测过程参数有不同的单位，例如制动力用 N ，质量用 kg ，光强用 cd 等。但是输入通道仅将各模拟量转换成相应的数字量，而仪表测量时必须转换成原来参数的真实值才能实行显示或打印，这就是工程量纲转换。转换的前提条件是测量值与工程量值的关系为线性。如图所示：

由于输入通道中零点漂移等原因，当输入信号为 0 时， A/D 转换后的值不一定为 0, 例如为 D₀ ，对应工程量的初值为 Y_min ，当输入信号为满量程时， A/D 转换值为 D₁ ，对应的工程量终值为 Y_max ，当输入信号为量程范围内任一点 C 时， CD/BE=AD/AE ，即 CD=BE × AD/AE 则：

PV=CD+DD^’=DD^’+BE × AD/AE

=Y_min+(Y_max － Y_min) × (D^’ － D₀)/(D₁ － D₀)

式中 Y_min 、 Y_max 为被测量点工程量的初值和终值， D₀ 、 D₁ 为转换的零量程值和满量程值， D^’ 为该点 PV 的 A/D 值。

例 1 ：输入 0 － 10mA 电流，变成 0 － 5V 输入，对应温度 300 － 400 ℃。当温度为 T ℃时，变送器输出电流为 2mA ， A/D 转换器 1V 信号进行转换，依上述公式得温度的工程量值为：

T=300+(400 － 300) × (1 － 0)/(5 － 0)

=300+100 × 1/5=320( ℃ )

例 2 ： PH 值测量仪表的量程范围为 2 － 10 ，输入电压量程为 0 － 5V ，当输入电压为 3V 时，则有

PH=2+(10 － 2) × (3 － 0)/(5 － 0)=2+8 × 3/5=6.8

(2) 零漂处理：在硬件上提供一个零点标准信号源，并且作为一个测量点，需要校正时，软件将该点值采入，若原来标准信号定为 100 个码，现在转换出来的值为 110 个码，则零点漂移了 10 个码，因而对其采样点的转换代码均需减去 10 个码。在实际工作过程中，并不需要频繁采样零点标准码，只要控制一定周期时间采样点标准信号即可。

（ 3 ）非线性校正：将信号输入的各测点的测量范围分成若干段，若要求精度高时，测的分段数多些。事先在存贮器设置好校正系数，显示测量值时，查出校正值进行修正即可。

3 、仪表工作自动化功能

在自动测量系统中，根据被测参数的大小选择合适的量程，是提高测量精度的重要手段。智能仪表可以根据被参数大小自动改变量程、增益或进行零点压缩，因而提高了测量精度和读数的分辨力。同时，还可以进行标准测量步骤的自动组合、长期测量条件的给定、系统动态特性自动校正、测量结果的自动判断和分选等等，所以不仅提高了测量精度，而且大大提高了系统的测量能力，并简化了操作手续。例如在汽车制动性能测量中，对制动性能是否合格的判断，需要经过一系列的计算才能得出结论，这在传统仪表中是很难作到的，而在以微机为核心的智能仪表中，确是很容易实现的。

对过程状态进行软件判断，一般分两个方面：上下限检查，将输入信号进行上下限判断，决定报警性质、报警手段（如显示、灯光、音响等）等；变化速度检查，对信号急速变化的监视，以防止异常干扰，通常应保证 | Δ PV| ≤变化速率的限值。

4 、输出方式灵活

在常规仪表中，有模拟显示或记录仪表进行显示或记录，而在智能化仪表中，既存在用模拟显示或记录，也可直接采用数字显示，还可以进行存贮和打印，而且通过串行通信总线，还可以进行远距离通信。有些智能仪器还可经过 CRT 显示各种画面和动态曲线，使得测量过程显得十分直观。

5 、自诊断功能

智能仪表与常规仪表之间，一个很重要的区别，就是它有一定的自诊断功能，即它可以对自身的故障进行诊断或监控，一旦发生故障，便及时进行报警。有些还可以根据不同的故障采取不同的对策，如停机、继续运行或由自动变为手动等等。

6 、人机对话功能

现代测量技术是很复杂的，仪表的功能愈加复杂和灵巧。如果按正常仪表的组成，则势必大大增加控制面板上的控制机械，而且要求操作者必须仔细地观察的操作，这就大量增加了操作错误和读取错误的可能性。而在智能仪表中，将微型机组合到测量系统中，配备各种显示装置，使系统具有灵活的人机对话功能中，以不同的显示方式配合操作人员进行工作，这不仅大简化了面板装备，而且显著地减少了操作和读数错误，并提供及时修改错误的方便，从而大大地增加了系统的灵活性。

第二节   检测信号的调理和数据处理

检测信号的调理任务是将传感器或敏感元件测出的电信号，转换成单片机或 A/D 转换器输入要求的电平信号。测量系统中信号调理的任务比较复杂，除了信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号调理电路。但在智能仪表系统中，许多原来依靠硬件实现的信号调节任务都可以通过软件来实现，这样大大简化了汽车检测智能仪表系统中的硬件结构。检测信号的调理任务，其重点是信号放大、信号滤波、以及对频率量的放大整形等。

一、小信号放大器的设计

在检测系统中，测量电路或敏感元件的输出信号一般较弱，传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两端会产生较大的干扰信号，称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入的共模信号有较高的抑制能力，但共模信号是通过一定的电阻加到输入端的，对来自共模干扰的信号源并不是能起到很好的抑制作用，解决的办法是采用由一组运算放大器组合成的仪表放大器，来对传感器输出的微小信号进行放大。仪表放大器温漂系数很小，放大信号稳定，在小信号放大中应用得很多。但仪表放大器的成本较高。

由于汽车检测设备的现场环境很恶劣，传感器两端往往有较大的干扰信号，因此现场控制智能仪表放大器的基本要求是：要有很高的抗共模干扰电压能力，温漂系数要小，放大信号要稳定。在国产的汽车检测智能仪表中，大多采用了斩波稳零型运算放大器或仪表放大器做第一级放大，通用运算放大器做缓冲放大输出。

斩波稳零型运算放大器，是近年来兴起的第四代集成运算放大器。这种放大器综合了交流放大和直流放大的优点，采用调制的方法，把直流信号变成交流信号进行放大，然后经过解调恢复为直流信号。由于采取了交流隔直放大，因而它的温漂系数极低。并且它不断对输入端短路时的零点进行监检，使放大器的零点保持稳定。

运算放大器作为测量放大器使用时，有三种连接方式，即反相放大式，同相放大方式和差动输入方式。

二、小信号放大的先进技术

1 、隔离放大器。隔离放大器不用接通电流信号就能提供输入到输出之间的通路。芯片耦合的方法，可以是变压器耦合也可以是光电耦合。较先进的隔离放大器有三种隔离功能，即输入、输出及电源间的独立隔离。

2 、可编程增益放大。在多通道或多参数数据采集系统中，为了使用一个放大器来满足不同的模拟输入通道的不同增益要求，必须采用可编程增益放大器，在用软件控制通道切换的同时，改变放大器的增益数值。通常增益可按二进制、十进制位数或其它指数倍递增。

3 、小信号双线发送器。在恶劣环境下远距离传送弱信号是前向通道的一个艰巨任务。最新推出的低漂移双线变送器可以较好地完成这一任务，它由高精度仪表放大器、压控输出电流源和双匹配精密参考电流组成，用输入信号源调制电源电路，用一对双绞线来传送输出标准信号电流（ 4 ～ 20mA ）。

4 、 DC/DC 变换器。这些是前向通道中的理想固体电源，可以为前向通道的各种模拟电路提供隔离电源，可以将电源浮置起来而与其它地线无关。多通道隔离式的 DC/DC 变换器可将输入的一组直流电压变成多组相互隔离的直流电压输出。

5 、通用有源滤波器。做成通用芯片状态的有源滤波器，可根据用户要求构成各种函数类型（低通、高通、带通）、响应类型（ Butterworth ， Bessel 等）、极数以及特定应用的截止频率。通过级联还可方便地获得更高阶的滤波器。

三、滤波电路

1 、硬件滤波电路

滤波电路是信号调理电路重要的一环，硬件滤波电路如果措施只当，可以将大多数干扰信号拒之门外，但仍有少数干扰窜入微机系统，引起不良后果。因此软件滤波电路是不可少的，但由于软件滤波电路是以 CPU 开销为代价的，如果没有硬件滤波电路消除干扰， CPU 将忙于奔命，严重的影响到系统的效率和实时性。因此，一个成功的滤波电路是由软件和硬件相结合构成的。硬件滤波电路常用 RC 滤波器接在一些低频信号的传输电路中（例如侧滑台的差动变压器输出端），它可以有效地削弱各类高频干扰信号（各类“毛刺”性干扰信号相对慢变的有效信号均属于高频干扰）。但硬件滤波电路的主要缺点是体积较大，要增加成本，如果截止频率小于 0.1Hz ，硬件滤波电路是很难胜任的，必须配合软件数字滤波电路来实现。

2 、软件滤波

数字滤波的作用是借助于软件实现一些数学运算来克服干扰信号，对信号进行平滑加工。软件滤波的基本方法是经过多次采样，得到一个 A/D 转换的数据系列，通过某种处理后，得到一个可信度较高的结果。这种从数据系列中提取逼近真值的数据处理办法称为软件滤波。软件滤波有硬件的功效却不需要硬件的投资。由于软件算法的灵活性，其效果往往是硬件滤波电路达不到的。它的不足之处是要占 CPU 机时。

在汽车检测设备中，主要干扰信号是随机性的，对于非周期性随机干扰信号，采用软件滤波是非常有效的，在下面介绍的几种软件滤波均以 8 位 A/D 转换为代表，采用单字节定点算法。对于 12 位 A/D 系统，算法原理是相同的，只是数据的结构和类型不同而已。数字滤波的方法很多，下面介绍几种。

（ 1 ）程序判断滤波法

程序判断滤波法主要是对信号的合理性进行判别，判别输入信号的范围，太大太小均不合理。信号或者是由突然的干扰引起，或者由某些器件故障引起。汽车检测设备的测量范围是有一定限度的，例如车速测量是汽车的加速性不可能太高，仪表每次采样后都可和上次的采样值比较。如果变化范围不超过经验值，本次采样有效，否则，本次采样应视为干扰而放弃，以上次采样为准。为了加快判断速度，将经验数值取反后以立即数身份编入程序中，然后以加法运算来代替减法运算。例如，相邻两次的采样值不应超过＃ 02H ，取反后为＃ 0FDH 。当变化量为＃ 03H 时，相加即产生进位，从而达到一条指令判断的目的。

（ 2 ）去极值平均滤波法

因明显干扰的采样值远离真实值，我们可以将其剔除，不参加平均值计算，这就是去极值平均滤波法。其算法原理如下：连续采样 N 次，将其累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按 N － 2 个采样点求平均值，即得采样有效值。

（ 3 ）低通滤波法

对于目标参数变化很慢的物理量（例如轴重），采用低通滤波法是很有效的。但它不能滤除高于二分之一采样频率的干扰信号，所以低通滤波法应和其它滤波法联合使用。将普通硬件的 RC 低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可用软件算法来模拟硬件低通滤波的功能。经推导低通滤波器的算法如下： Y_n=a*X_n+(1－a)*Y_n-1

式中 X_n 为本次采样值， Y_{n － 1} 为上次滤波器输出值， a 为滤波系数，其值通常远小于 1 ， Y_n 为本次滤波器输出值。由上式可以看出，本次滤波器输出值主要取决于上次滤波器输出值，这种算法模拟了具有较大惯性的低通滤波器的功能。滤波器算法的截止频率可由下式算出：

F_L=a/2πt

其中 t 为采样间隔时间。