汽车电子油门检测系统的研究与实现

油门作为汽车上不可缺少的重要部件，直接影响着汽车的安全性能。自21世纪以来，大部分汽车都使用电子油门替换了常规的拉线油门。与老式的拉线油门相比，电子油门通过油门踏板深浅来控制电子信号发出指令，使得引擎提供与之匹配的动力，它最大的特点就是能通过ECU控制节气阀开度。当油门踏板位置发生改变时，电子油门输出的信号可以作为衡量电子油门自动控制精确度的依据，电子油门检测系统就是依据这些实时信号，采用各种方案来评测电子油门的质量和可靠性，实现其性能检测。

1 系统检测项目及类型
    电子油门的主要功能是把驾驶员踩下油门踏板的角度转换成与其成正比的电压信号，同时把油门踏板的各种特殊位置制成接触开关，把怠速、高负荷、加减速等发动机工况变成电脉冲信号输送给电控发动机的控制器ECU，以达到供油、喷油与变速等的优化自动控制。本检测系统按电子油门类型，主要采用5种检测方案：具体包括双信号检测、双信号加开关量检测、单信号检测、单信号加开关量检测、带KD装置的电子油门检测。
1．1 系统检测项目
    大多数的电子油门都需要检测其同步度、线性度、踏板力等信息，这些检测项目的具体定义如下：
    (1)同步度：油门在某一行程角度输出两条信号值的相等程度。
    (2)线性度：油门在某一行程角度信号的理论电压值与实际电压值的差。
    (3)空行程角度：是指当踏板开始发生角度变化时，信号持续不变的踏板行程角度。
    (4)踏板力：包括压力和弹力，是踏板从怠速到满行程，再从满行程到怠速整个过程的受力曲线。
    (5)油门信号曲线：包括怠速信号和满行程信号，油门踏板从怠速到满行程的电压输出信号曲线。
    (6)滞后性：在给定角度上，测量两个不同旋转方向上的输出压力，滞后性效应就是这两个输出压力间的差异。可接受的最大差距为Ua的士1％。
    (7)重复性：在同样条件下，10个完整的来回行程后，对于给定温度为(23±5)℃的传感器以及在同一方向上的任何一个点，所记录的电压差都不能超过O．5％。
    (8)倾斜误差：计算公式如下：
   
    式中：VGR是关于坡度的变量；△X表示弯曲点之间的距离，单位为mm；△Us1是满荷载Vs1和慢速Vs1之间的区别；Us1n和Us1n-1表示在位置n处和n-1处的电压；Xn和Xn-1表示在位置n处和n-1处的行程。
1．2 系统检测类型
    带KD装置的电子油门是检测项目中设计最复杂的一款油门。在以角度为横坐标的油门检测图形中有KD装置的油门需要转化成行程显示，行程可以根据公式L=2*R*sin(Θ／2)算得。式中：L为行程；R为旋转半径；Θ为旋转角度。其中R为设定值，Θ为角度传感器检测值。另外，对怠速位置、力、行程及电压值范围的具体判定条件可参考图1和图2。图1是带KD装置的油门理想力曲线图。由图可见，KD款油门的起始点(横坐标2 mm处)即F1点，感知点(横坐标50 mm处)即F2点，最大力点即F3点。

    例如设定的50～56 mm行程内存在KD力最大值点，判断该点力的值是否符合设定要求，判断该点距离设定的50 mm的距离是否小于设定值(图2中为2 mm)；从KD力最大值点对应行程加上0．7 mm后行程位置对应的输出电信号是否为4．1 V(设定值)；从输出电信号4．1 V位置到机械限位位置(即最大行程位置56 mm点)行程是否大于3．3 mm等。图2为带KD装置的油门信号的判定条件图形。

    单信号检测功能主要是检测主信号电压SIG1的同步度，线性度等是否在设定范围之内。单信号加开关量检测是在单信号检测的基础上增加了开关量的检测，具体如图3所示。
    双信号检测主要是检测两路电压信号SIG1和SIG2的同步度和线性度是否在设定的范围之内，保证实测信号曲线在理想信号曲线之间。另外，对空行程的怠速电压等也有具体的检测规定，这里依据油门类型的不同，分别进行其标准的设定。双信号加开关量检测主要是在上述双信号检测基础上增加了一个开关量检测，在设定电压范围内检测开关电压的高低变化，进而判断其正确性，具体如图4所示。

2 系统通信协议
    此系统采用串口通信协议，波特率默认设置为9 600 b／s，此项可调节。设定字符格式为1个起始位，8个数据位和2个停止位，中间8位即为有效数据。
    上位机发出指令格式：0xAA+指令+校验码(和为0校验)。指令内容为单次测试指令：0x91；循环测试指令：0x92；测试结束：0x94。
    每个单次测试下位机发出数据格式为：6个0xBB字节作为数据的开始标志，中间为采集的实时数据(数据分组发送，一个循环一组数据，每组数据以角度递增O．5度为一个值)，最后为6个0xCC字节作为数据的结束标志。数据内容为10位A／D采集的原始值，基准电压5 V。中间具体采集的实时数据格式为数据类型(6个二进制位)+数据内容(10个二进制位)。部分数据类型具体定义见表1所示。

3 系统软件的实现
3．1 主要功能模块的软件实现
    电子油门检测系统由上位机软件和下位机软硬件两部分组成。下位机软件用C语言编写，具体的硬件设计电路和软件编程部分这里不再详细说明。上位机软件由三个主要功能模块构成，它们是油门通信模块、参数设置模块、信息管理模块，总体设计流程如图5所示。首先进行系统初始化，包括串口通信初始化、产品参数设置初始化(读取后台数据库中的第一条记录作为默认设置数据)，等待上位机发送检测命令，下位机依据协议验证后传送实时信号检测数据，同时显示实时信号曲线，然后依据设置条件判断该产品合格否，并将结果进行存储等后期处理。

    在通信模块中，直接采用微软通信控件MSComm。考虑到串口收发数据的速度，这里的程序在处理实时数据时采用先接收、后处理的方法，防止串口通信实时数据的丢失，具体程序实现流程如图6所示。
3．2 检测系统上位机主界面
    本检测系统采用VC++作为上位机开发工具，采用图形化界面来完成和直观体现其检测过程和检测结果，同时，后台使用ACCESS管理并存储测试的大量数据，方便操作人员查看测试情况和演示在线测试过程，并且能随时更新数据库，从而可以测试多种类型的油门。
    在菜单的命令选择区域内，当点击产品信息参数，则出现产品设置界面，对油门标准参数进行设置，配置后的当前信息会出现在显示设置信息界面中；当点击历史纪录，则出现以往设置并检验过的产品件号，任意点击其中一个，则显示设置信息界面会显示出该产品的各项参数；当点击打印保存，对当前产品的设置信息、检验结果及当前界面保存到Excel中。带KD装置的油门检测主界面如图7所示，中间显示区左侧为信号显示区，右侧为油门压力和弹力显示区；界面下面为检测结果显示区，点击“显示设置信息”按钮可查看当前产品的设置信息，点击“同步度曲线图”可查看该款油门同步度曲线。

4 结语
    基于VC++环境下PC机与单片机实时通信及数据处理的方法，设计了一个电子油门检测系统。充分利用VC++的强大数据分析能力，极大地提高了开发效率。按电子油门款式和类型的不同，主要采用5种检测方案检测油门电压信号的同步度、线性度、迟滞度怠速时的空行程角度等，最后通过实时数据的获取，得到了电子油门实时信号变化曲线图，直观反映了油门内部的电信号特征，保证了安全可靠的检测目的，具有一定实用性。目前，该电子油门检测系统已经投入使用。实践表明，该测试系统设计可靠，测试效果良好。