郝賡，段成剛，馬汶鍇，劉俊杉，于萍

中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，車輛安全始終是汽車行業(yè)從業(yè)者和汽車消費(fèi)者關(guān)注的因素，即使在智能駕駛、駕駛輔助裝置等技術(shù)日漸成熟的時(shí)代背景下，車輛安全的可靠性與穩(wěn)定性仍然是立足之本。而車輛安全離不開大量的開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證，這些試驗(yàn)中不僅需要測(cè)量、采集的數(shù)據(jù)量龐大，還通常需要測(cè)試多種類型的物理量，如車輛安全測(cè)試中使用的假人通常包含幾十上百通道的加速度、位移、力、力矩等傳感器。試驗(yàn)中需要測(cè)量、采集的常見基礎(chǔ)物理量有：長(zhǎng)度、時(shí)間、速度、角速度、壓強(qiáng)、加速度、力矩、壓力等[1-3]，這些基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)通過一系列或簡(jiǎn)單或復(fù)雜的運(yùn)算，便可得到進(jìn)一步的數(shù)據(jù)，進(jìn)而反映車輛的相關(guān)性能。在試驗(yàn)過程中，這些大量且種類繁多的數(shù)據(jù)從現(xiàn)實(shí)中的物理量經(jīng)過多個(gè)測(cè)試儀器設(shè)備最終轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)或設(shè)備中的數(shù)據(jù)，這個(gè)過程中數(shù)據(jù)將有多種不同的類型、格式，本文以車輛被動(dòng)安全測(cè)試為例，簡(jiǎn)要解釋數(shù)據(jù)從采集到最終儲(chǔ)存的過程。

1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

搭建車輛安全類測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試系統(tǒng)，無外乎將現(xiàn)實(shí)中要測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為測(cè)量到的物理信號(hào)并加以儲(chǔ)存[4-6]，通常包含3個(gè)步驟：

(1)各類型傳感器將實(shí)際物理量轉(zhuǎn)化為不同類型的電信號(hào)，通常包含位移、侵入量、距離等長(zhǎng)度量,反映加速減速、振動(dòng)、沖擊等運(yùn)動(dòng)過程的加速度，反映變形情況的力矩，反映運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、變形狀態(tài)的角速度，監(jiān)測(cè)流體狀態(tài)的壓強(qiáng)，以及反映這些物理量在時(shí)間維度上的刻度——時(shí)間，這些物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)化為不同類型的電信號(hào)，如電壓、電流、電橋、通信信號(hào)等。

(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試的配置文件將傳感器轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)再轉(zhuǎn)譯成物理量的采樣信號(hào)，其中模擬量信號(hào)如電壓、電流、電橋等，可以通過簡(jiǎn)單的配置傳感器相關(guān)參數(shù)即可完成設(shè)置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便可根據(jù)設(shè)定參數(shù)將傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為被測(cè)物理量的采樣信號(hào)；數(shù)字量信號(hào)如各種車輛通信信號(hào)則相對(duì)復(fù)雜，需要按照規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行通信才能解讀出被測(cè)物理量信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的軟件將采樣信號(hào)儲(chǔ)存為原始數(shù)據(jù)文件，因?yàn)楦鱾€(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備制造商的適配軟件往往只能保存和使用自家特定格式的原始數(shù)據(jù)，所以在實(shí)際使用中常常需要根據(jù)使用需求轉(zhuǎn)換為其他格式的數(shù)據(jù)格式，如碰撞假人等通用的ISO mme格式、適用于MATLAB的.mat文件、適用于DIAdem的.dat文件、Excel、txt等。

測(cè)試系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意

2 物理量在傳感器上的應(yīng)用

被動(dòng)安全領(lǐng)域測(cè)試物理量大多數(shù)為基本的力學(xué)物理量，如加速度、由加速度和時(shí)間積分得到的速度、進(jìn)一步積分得到的位移、加速度與質(zhì)量組合成的力值、力值與位移組合成的彎矩、壓強(qiáng)、(氣體/液體)壓力、角速度，此外還可能涉及溫度、電流、電壓、電阻等物理量[7]。

這些物理量均需由傳感器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào)才能進(jìn)行采集，本文主要介紹物理量在這些傳感器的工程應(yīng)用。根據(jù)傳感器類型不同，這些物理量有些被轉(zhuǎn)換為其他模擬量信號(hào)，如電壓、電橋、電流等電信號(hào)；有些則被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，如車載通信系統(tǒng)中使用的CAN總線信號(hào)、LIN總線信號(hào)、FlexRay總線信號(hào)等，這些通信信號(hào)在傳遞中還需遵照相應(yīng)協(xié)議，才可正常傳輸和接收[8]。

將物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)的傳感器，通常包含一定的使用條件，如適用環(huán)境條件、測(cè)量范圍、測(cè)量單位、激勵(lì)電壓等信息。在使用這些傳感器時(shí)需要根據(jù)使用場(chǎng)景妥善選擇合理的傳感器，并在使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中正確地配置，才能準(zhǔn)確獲取想要采集的物理量信號(hào)。

傳感器參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示，此界面為傳感器庫(kù)(sensor database)，可以將試驗(yàn)用到的所有傳感器信息錄入此處，在試驗(yàn)中選擇對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行使用時(shí)，避免試驗(yàn)中反復(fù)輸入傳感器信息。如圖2所示的右側(cè)傳感器信息中，首先選擇傳感器的數(shù)據(jù)類型以及模擬量信號(hào)(Analog)，此外還可設(shè)置數(shù)字輸入信號(hào)、數(shù)字輸出信號(hào)、點(diǎn)爆觸發(fā)信號(hào)等傳感器信號(hào)類型。

圖2 傳感器參數(shù)設(shè)置界面

在車輛被動(dòng)安全測(cè)試中，傳感器通常需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的ISO Code來表示測(cè)試物理量信息，ISO Code包含了被測(cè)物、測(cè)試位置、傳感器細(xì)分位置、物理量、方向、濾波等級(jí)等信息，詳情可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]的相關(guān)定義。此處可設(shè)置傳感器的ISO Code、量程、單位、濾波等級(jí)等與測(cè)試相關(guān)的信息，還可設(shè)置更細(xì)分的傳感器信號(hào)類型(如全橋、半橋、IEPE等)、激勵(lì)電壓、靈敏度系數(shù)等傳感器自身的信息。這些參數(shù)中，靈敏度系數(shù)直接影響采集到的數(shù)據(jù)，靈敏度系數(shù)是傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)的一個(gè)比例系數(shù)?，F(xiàn)實(shí)的物理量通過傳感器采集成為模擬量信號(hào)，物理量與模擬量之前的線性關(guān)系系數(shù)即為靈敏度系數(shù)。

傳感器類型需要根據(jù)傳感器本身進(jìn)行設(shè)定，如常用的電橋、IEPE、電壓等類型，該類型即指?jìng)鞲衅鲗⒈粶y(cè)物理量轉(zhuǎn)化為何種電信號(hào)。例如車輛被動(dòng)安全常使用全橋加速度傳感器，這類傳感器將采樣的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電橋信號(hào)，并將電橋信號(hào)傳遞給后續(xù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備。

若傳感器將現(xiàn)實(shí)的物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)(如各種車載通信信號(hào))，則需要遵守相應(yīng)的協(xié)議，才能完成信號(hào)傳輸。本文以CAN信號(hào)為例[8]，CAN信號(hào)又稱報(bào)文，由二進(jìn)制數(shù)或數(shù)字脈沖組成數(shù)據(jù)幀，這些幀按功能不同進(jìn)行分段，這些段又可被稱為幀的域或場(chǎng)。CAN信號(hào)主要有數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀4種類型，其中數(shù)據(jù)幀又包含開始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、安全域、應(yīng)答域和結(jié)束域。傳感器需要根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)化為正確格式的報(bào)文，后續(xù)步驟中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備才能按同樣的協(xié)議接收、讀取報(bào)文，從而完成整個(gè)測(cè)試流程。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介入與作用

傳感器將現(xiàn)實(shí)的物理量轉(zhuǎn)化為可被測(cè)量到的模擬量或數(shù)字量信號(hào)后，就需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理，這樣也意味著傳感器要與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有相應(yīng)的通信方式。在汽車常見的測(cè)試中，部分模擬量信號(hào)可以簡(jiǎn)單地通過可自定義線序的各式接口連接通信，常見的如多種針腳數(shù)的Lemo接頭、BNC接頭、Tajimi接頭；有些數(shù)字量信號(hào)則需要規(guī)定通信協(xié)議接口才能傳輸，如串行接口、并行接口等。

各數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般有著自己適配的控制軟件，方便操作。如圖2所示的軟件設(shè)置界面中，在錄入試驗(yàn)用到的傳感器信息后，需要使用該軟件建立測(cè)試配置。測(cè)試配置文件設(shè)置界面如圖3所示。設(shè)置測(cè)試配置時(shí)，需要規(guī)定測(cè)試使用的硬件、使用通道和對(duì)應(yīng)的傳感器型號(hào)，以便軟件與硬件建立通信，獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；此外，建立配置還可能涉及測(cè)試通道參數(shù)、采樣頻率、診斷、觸發(fā)條件、數(shù)據(jù)下載/保存/輸出、濾波/統(tǒng)計(jì)/計(jì)算等。在測(cè)試中，傳感器將轉(zhuǎn)化后的模擬量信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如電橋、電壓、電流等信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)的配置下，將測(cè)到的電橋、電壓、電流信號(hào)經(jīng)過靈敏度系數(shù)的計(jì)算還原為物理量，即完成了測(cè)試原始數(shù)據(jù)的采集。

圖3 測(cè)試配置文件設(shè)置界面

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采集數(shù)字量信號(hào)(如CAN信號(hào))時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼[8]。在測(cè)試過程中，傳感器按協(xié)議將被采集的物理量轉(zhuǎn)化成CAN信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到信號(hào)，按照協(xié)議對(duì)復(fù)雜的報(bào)文進(jìn)行識(shí)別和解碼后，即可得到采集到的物理量。

4 數(shù)據(jù)的處理與保存格式

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適配的軟件保存后，可以進(jìn)行初步處理，如濾波、調(diào)整0時(shí)刻、調(diào)整偏移等；隨后可使用數(shù)據(jù)處理相關(guān)軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理與計(jì)算。

在測(cè)試過程中，因?yàn)椴蓸印⑹д?、噪聲等因素，得到的信?hào)通常需要先進(jìn)行濾波再進(jìn)行計(jì)算等處理[10]。車輛被動(dòng)安全測(cè)試中常使用CFC(channel filter class)濾波等級(jí)對(duì)信號(hào)通道進(jìn)行要求，常見的濾波等級(jí)主要有CFC60、CFC180、CFC600、CFC1000[11]。CFC濾波等級(jí)的要求見表1，可以簡(jiǎn)化理解為信號(hào)在某一截止頻率衰減，以CFC60為例，要求信號(hào)在100 Hz(60/0.6)時(shí)，衰減程度在-3 dB，信號(hào)最終的濾波效果要在-30 dB，采樣率要求最低為600 Hz。

表1 CFC濾波等級(jí)的要求

CFC濾波等級(jí)可以通過在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件中設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道的低通濾波器實(shí)現(xiàn),也可以先采集完原始數(shù)據(jù)后再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，這些通常能夠在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)，也能夠在專業(yè)處理軟件中實(shí)現(xiàn)。但是為了保證數(shù)據(jù)的原始性，通常試驗(yàn)中采集原始數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)需求進(jìn)行濾波。在設(shè)置軟件的低通濾波器時(shí)，可使用4階巴特沃斯(butterworth)濾波器實(shí)現(xiàn)。

圖4為某一加速度信號(hào)原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過CFC 1 000濾波后的數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖4a可知，該加速度采樣信號(hào)在CFC 1 000濾波后，1 650 Hz截止頻率下衰減3 dB；由圖4b可知，濾波后的信號(hào)曲線明顯變得平滑，部分雜峰消失。

圖4 某一加速度信號(hào)原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過CFC 1 000濾波后的數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)據(jù)初步完成處理之后，可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件保存為其他多種格式。一般來說，不同品牌數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適配軟件有其各自的原始數(shù)據(jù)格式，如.dmd、.dat、.dts等。為了便于數(shù)據(jù)在不同分析處理軟件之間傳遞調(diào)用，又可保存為.csv、.mat、.txt等。在車輛被動(dòng)安全測(cè)試領(lǐng)域還有專屬的ISO mme格式，ISO mme格式對(duì)數(shù)據(jù)文件層級(jí)、數(shù)據(jù)通道等均有規(guī)范要求。使用ISO mme格式保存的數(shù)據(jù)具有比較統(tǒng)一的文件夾結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范，能夠高效地在不同試驗(yàn)室間傳遞與讀取識(shí)別，避免了試驗(yàn)室以及試驗(yàn)人員的不同操作習(xí)慣導(dǎo)致的數(shù)據(jù)格式不一致。

5 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)要介紹了車輛被動(dòng)安全測(cè)試的測(cè)試架構(gòu)，對(duì)其中主要節(jié)點(diǎn)涉及的功能和在這個(gè)節(jié)點(diǎn)下被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理或運(yùn)算，方便試驗(yàn)人員理解測(cè)試過程中數(shù)據(jù)的傳遞、轉(zhuǎn)換，以便在遇到數(shù)據(jù)技術(shù)問題時(shí)及時(shí)排查錯(cuò)誤出現(xiàn)的步驟并處理。