摘 要： 防止转向机构对驾驶员伤害是驾驶员保护的一项重要指标，是国家强制性检验和CCC认证项目。人体模块撞击转向机构试验数据的准确可靠关系到汽车生产商和广大消费者的切身利益，具有重要的意义。根据相关防止转向机构对驾驶员伤害的标准法规研究人体模块试验数据测量仪器的技术要求，并开发出适合人体模块试验的触发准确、多通道同步高速采集、准确可靠的数据采集处理系统，对提高汽车检测水平和检测效率具有重要意义。
关键词：转向机构；数据采集；数据处理
0 引言
GB 11557-2011、ECE R12和FMVSS 203人体模块撞击试验是评价汽车转向机构对驾驶员保护性能的测试项目之一，一直以来是国家强制性检验和CCC认证项目。试验数据的准确性关系到汽车生产商和广大消费者的切身利益，研究准确、可靠、抗干扰能力强的数据采集系统具有重要的意义。为了提高汽车检测水平，采用先进的试验数据采集方法和数字信号处理技术，并结合大量的人体模块撞击试验的经验，开发出适合人体模块撞击试验的数据采集处理系统。此数据采集处理系统价格合理、功能完善、性能先进可靠，集试验数据采集、处理和试验报告生成于一体，可提高汽车检测效率。
1 人体模块撞击试验标准法规技术要求
1.1 人体模块撞击试验技术要求
GB 11557-2011、ECE R12和FMVSS 203均要求人体模块以24.1 km/h的速度撞击安装在前半截车身或模拟转向机构安装构架上的转向操纵装置即转向盘。GB 11557-2011要求水平方向的冲击力不超过11 123 N[1]，而ECE R12要求冲击合力不超过11 110 N[2]，FMVSS 203 要求持续时间大于3 ms的冲击合力不得超过11 120 N[3]。
1.2 人体模块撞击试验测量仪器技术要求
人体模块撞击转向机构速度的测量精度应在±1%以内；测量仪器应满足ISO 6487-2002,传感器的响应值CFC（滤波等级）为600, CAC（通道幅值等级）为2T。ISO 6487-2002要求试验数据采样频率不得低于滤波等级的10倍，即人体模块撞击试验数据采样频率不得低于 6 kHz[4]。测量仪器应包含3个力信号采集通道、2个加速度采集通道和2个速度采集通道。
2 系统设计方案及功能
数据采集处理系统构成及工作原理如图1所示。该系统主要由力和加速度传感器、两对激光对射式光电开关、24 V开关电源、输入信号调节模块、数据采集模块、USB通信模块和数据处理计算机等组成。
2.1 系统的硬件构成及功能
2.1.1 输入信号调节模块
输入信号调节模块主要完成各通道信号增益放大和抗混滤波等功能，预处理试验过程中传感器的电压信号经放大处理后送入数据采集模块。本系统采用隔离应变输入模块ADAM-3016。ADAM-3016的带宽为2.4 kHz，包括mV或V输入的转换结构、电压或电流输出转换结构和1 000 V DC 3路光隔离。
力或加速度信号由传感器测量得到，微电压信号(mV)需经过ADAM-3016的放大处理输入到数据采集模块。标准要求试验数据采样频率不低于6 kHz，试验采样频率通常为10 kHz或20 kHz。根据Nyquist采样定理：在进行模拟、数字信号的转换过程中，采样频率不得低于信号最高频率的2倍。一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍。ADAM-3016的带宽为2.4 kHz，满足10 kHz或20 kHz的采样频率要求。
此外，本系统采用2对激光对射式光电开关测速，光电开关选用QS186E+QS18VP6R。测速原理是通过2对光电开关之间的距离s以及运动物体通过2对光电开关的时间间隔t，相除得到其平均速度。QS186E+QS18VP6R的激励电压和反馈信号电压为24 V，其反馈信号需进行分压，小于10 V后方可输入到数据采集模块模拟输入通道。分压电路如图2所示。
2.1.2 数据采集和USB通信模块
数据采集模块完成A/D转换和数据采集触发等功能。为了便携和操作方便，数据采集系统拟使用USB通信方式。
本系统采用USB-4716即插即用数据采集模块，如图3所示。此模块带有16位多功能USB通信模块，可与任何带有USB端口的计算机进行通信。模块包含16路16位分辨率模拟输入通道、8路数字输入输出通道、2路模拟输出通道和2路16位计数器。其功能可靠稳定，最高采样频率可达到200 kS/s。
人体模块撞击试验需要采集3个力信号、2个加速度信号和2个速度信号共7个模拟输入通道。模拟输入通道电路如图4所示。
USB-4716数据采集模块有外部触发和内部触发两种触发方式。USB-4716有10 MHz时钟计时器，响应速度快，可以满足实时触发采集试验数据。本系统采用内部触发方式，程序监测模拟输入通道AI1的信号，当人体模块通过光电开关时，触发数据采集模块进行数据采集。
2.2 系统软件设计及调试
系统软件程序采用Visual Basic设计，通过USB-4716驱动程序对数据采集模块进行指令操作。系统的软件结构较为复杂，包括USB-4716触发、速度采集、原始数据滤波、碰撞力采集及伤害评价指标计算和试验报告的生成等。
2.2.1 数据处理
原始试验数据采用Butterworth数字滤波方式，滤波等级为CFC 600，滤波程序详见ISO 6487-2002附录A。由滤波后的试验数据计算出合力和水平合力，并求出持续时间不小于3 ms的最大合力值。最后，绘制相应的力—时间历程曲线，生成试验报告如图5所示。
2.2.2系统软件设计流程
试验时，首先设置试验参数。程序监测人体模块是否通过光电开关信号，当人体模块通过光电开关时，触发数据采集模块开始采集试验数据，同时程序采集计算人体模块的飞行速度，生成试验报告。系统软件流程图如图6所示。
3 数据采集系统标定验证
依据JJF 1048-1995对数据采集系统进行验证，测量系统的采样频率、线性度、误差限、时间漂移和通道间串扰[5]。系统各项指标验证原理如下：
⑴采样频率测试：采用标准周期信号源接通系统通道，对采集数据进行分析，统计N个信号周期内采集数据个数nN，系统通道采集速率为v。有：
其中，f为标准周期信号的频率。
⑵线性度测试：在系统测量范围内选取11个校准信号点，标准直流信号源接入通道提供相应电压，分析采集电压信号的线性度。
⑶误差限测试：求出线性度测试试验中11个校准点的误差限值，以其中的最大值作为通道误差限的实测值。被测通道在信号E处的误差限A的计算如下：
其中，
为通道采集数据的平均值，σ为采集数据的标准差，E为标准电压信号。
时间漂移技术指标零点漂移特性参数、增益漂移特性参数和通道间串扰技术指标串扰抑制比均根据JJF 1048-1995中相应计算公式由被测通道采集数据与标准信号计算得出，不再赘述。
4 结论
本文介绍了一种适用于人体模块撞击转向机构的数据采集处理系统。系统符合相关防止转向机构对驾驶员伤害标准法规对测量仪器的要求，触发准确，功能完善、性能先进可靠，集试验数据采集、处理和试验报告生成于一体，极大地提高了汽车检测效率，全面提升了汽车检测水平。
参考文献
[1] GB 1557-2011. 防止转向机构对驾驶员的伤害[S]. 北京：中国标准出版社，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. 数据采集系统校准规范[S]. 北京：国家技术监督局，1995.