[汽车碰撞检测试验中数据采集系统的特点与分析] 基于java的数据采集系统

　　汽车上市的重要准入条件――碰撞试验安全性能检测 　　 　　近几年我国汽车保有量和驾乘人口正处于快速增长期，与此同时，道路交通安全事故死亡比发达国家严重得多。因此，无论是政府、企业还是消费者都对汽车安全投入了高度的关注。随着2006年侧面碰撞安全和追尾碰撞安全两项法规的出台，再加上2001年颁布并实施的《乘用车正面碰撞的乘员保护》法规，我国目前总计已有3项强制性的汽车碰撞安全法规。这意味着所有无法满足这三项安全法规要求的乘用车都不得上市。更多的消费者在购车时也将汽车安全性能作为一个重要的考虑因素。消费者和媒体对中国权威的汽车安全性能星级评价(NCAP)的出台呼声也越来越高。市场的需求引发厂家对汽车安全性越来越重视，用于研发而进行的汽车碰撞试验也越来越多，特别是自主品牌长城汽车、奇瑞汽车和吉利汽车都投入了很大的人力和物力来改善其产品的安全性能。
　　实车碰撞试验检测由国家授权的检测机构来进行，它是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本，最有效的方法。它主要基于乘员保护的观点，并借鉴交通事故形式的统计结果，采取正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和与钢柱发生碰撞等多种形式，来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆状态及操作状况，评价车辆的被动安全性能。厂家可根据实车碰撞试验结果分析车辆结构的薄弱环节和采取措施改进车辆的安全性，如安全车身的设计、增设或改进车内外乘员保护装置等等。
　　汽车碰撞检测试验有多方面的评价指标，包括假人体内各器官的加速度冲击值、所遭受的力和力矩大小以及挤压变形位移等指标，此外还要综合考核车身加速度传感器信号、车身变形量、碰撞后车门开启状况以及燃油泄漏量等。而其中很大一部分（尤其是假人体内传感器信号数据）是需要通过电测量数据采集系统的采集处理，最终将试验结果反馈至试验人员用来计算假人伤害值和其它评价指标。在某些情况下，电测量的通道数目多达150个，涉及到加速度、力和力矩、位移、电流和开关量等种类，由此可见，数据采集系统是汽车碰撞试验中很重要的一个测量环节。
　　
　　汽车碰撞试验数据采集系统的特点分析
　　
　　碰撞试验数据是评价车辆被动安全性能的最主要依据之一，从车身和假人内部的传感器得到的模拟信号经过数据采集分析系统转化为数字信号，最终经过硬件电路和软件程序处理得到各种碰撞曲线、指标，把试验结果以量化形式表现，更易于法规的执行和更详细的车辆被动安全性能的评估。
　　目前在汽车碰撞试验中使用较多的数据采集系统主要有德国KT公司的MINIDAU、日本共和电业的DIS3000、美国DTS的TDAS系列、德国Messring公司的NA33等。这些产品都可以实现汽车碰撞中数据采集的基本功能，使用起来则各有特点：MINIDAU的采集控制软件采用了ISO/DTR13499标准，并采用MS-ACCESS来建立和维护传感器数据库， 自动化程度较高，但操作起来稍稍有点复杂；DIS3000的特点是简洁实用，易于操作；TDAS体积小巧，安装灵活，界面可视化较好，且支持ISO/DTR13499数据格式标准；NA33在结构上比较灵活，能与牵引系统集成控制使用，采样频率和记录时间这两项指标较高。
　　1. 数据采集仪的结构抗冲击性能要求
　　在汽车碰撞试验中，被测车辆需要达到一定的速度，这通常是通过电机牵引系统来实现的。在被牵引加速过程中，车辆须加速行进几十米到上百米不等，因此目前应用于汽车碰撞试验的数据采集分析系统主要为车载式，实时完成数据采集任务。此外，数据采集仪器必须具备很高的耐冲击性，通常要求在三个方向上能够承受1000次强度为980m/s2 （10ms）的冲击。这也是汽车碰撞试验采集仪区别于普通采集仪的重要特征。此外，数据采集仪应当有集成于一体的内部电池与记忆体，并能保证至少30分钟的操作时间，采样频率应不小于10kHz。
　　2. 电气性能
　　AD转换器分辨率不低于16bit，能够采集来自应变和压阻式传感器、半导体传感器和电压测量器的信号。每个通道具有自己的模数转换器，确保所有通道同时采样，没有延迟。目前用于碰撞试验的数采仪模拟通道的输入主要是测量电压信号，而无法测量电荷量。能够进行Shunt分流检查和自动调零，支持DALLAS传感器ID识别。低通滤波按照ISO标准和SAE标准的CFC1000。另外，数字开关量输入至少12个通道，各个通道是相互隔离的。
　　3. 记录方式
　　无论采用何种数据采集系统，首先要设置好采样频率、记录时间。目前的记录存储技术已有较大发展，采样频率通常为10kHz或20kHz时，相应的记录时间可达到100秒或50秒，完全可以满足试验要求。
　　4. 触发方式
　　对于常规的电测量数据采集系统，完成采集任务是不存在问题的。但是对于汽车碰撞试验来说，并不是每一次试验都能顺利地采集到数据的。任何细微的失误都可能导致数据采集失败。无论在国内还是国外，都出现过采集失败的情况，最常见的原因是数采系统没有被正确触发和电池电量不足。
　　是否有正确的触发信号产生，关系到数据采集工作的成败。由于碰撞试验不可再现且成本高昂，故要求最大可能地提高一次性成功率。为此，各公司的产品均提供了多重保险的触发方式，即在带状开关引起的数字量触发的同时，还采用一些典型的模拟量（B柱和假人头部的加速度）来产生触发。根据试验中触发方式的不同，可分为单触发模式和双触发模式。单触发模式也叫瞬态触发模式，也就是当碰撞的一瞬间的时候才产生触发信号，开始记录数据。这时触发的产生可以是由碰撞挤压带状开关产生的，也可以是因为某一通道模拟量超过了所设定的阈值而由软件自动产生的。前者可以得到准确的碰撞零时刻，后者只能粗略地估计何时为零时刻。双触发模式也叫记录模式，要用到两个触发信号：第一个触发信号使数采设备开始记录，第二个触发信号用于标明碰撞零时刻。现在的数采设备记录时间可以超过50秒，而车辆从起步加速到碰撞壁所用的时间一般不会超过30秒，因此我们可以在发车前几秒钟便手工启动数采系统开始记录数据。这样即使万一后面没有任何触发信号产生，也可确保碰撞数据被记录下来。目前世界各碰撞试验机构中，有的采用单触发模式，也有的采用双触发模式。二者比较起来，双触发模式比单触发模式多了一道保险，即能够保证至少有一次触发产生，因此对于是否有触发信号产生的问题在发车前便可做到心中有底了；而采用单触发模式则无法提前知道触发信号是否产生，只能在碰撞结束后去观察数据采集仪的指示灯来判断。双触发模式的记录时间长，数据量很大但是更全面，包括加速阶段的数据也被记录下来了，可用来检查加速阶段是否平稳。
　　
　　5 通道量程设置（幅值等级CAC）
　　通道量程CAC值即实际选用的量程，在数值上等于测量范围的上限，不能太小也不宜过大，应视具体情况并根据经验来选取。碰撞速度的不同、形式的不同、位置的不同，相应的加速度范围差异也很大，可能达到5－10倍，故通道量程CAC不是恒定的。太小的CAC值会削去试验数据的某些峰值而导致数据丢失，太大的CAC值则会降低分辨率。以正面碰撞试验为例，其Hybrid-III 型假人体内传感器可按EuroNCAP的推荐值（表 1）来选取。车身传感器大多为加速度计，B柱处的加速度计CAC值可取100－200g，A柱前方的车头部位的加速度计CAC值则应取500－1000g，其它部位参见表 2。通道信号的正负号应根据假人体内传感器和车载传感器的实际安装方向来确定。需要指出，信号的正负方向对假人伤害值评价是有影响的，应尽量符合规范。根据SAEJ211中的规定，坐标系的X、Y、Z正方向分别为车辆的前、右、下方。因此在正面碰撞试验中，通常头部X方向加速度测量值为负，Z方向为正；胸部位移和大腿力均为负值。
　　
　　6. 通道数字滤波频率等级（CFC值）
　　CFC值表明了通道的数字滤波频率等级。在采集时最好设置为大于CFC 1000或选用未滤波的数据，在计算伤害指标时则需根据要求进行相应的数字滤波。
　　7. 传感器接插头和接地
　　加速度传感器普遍采用压阻式（如ENDEVCO，MEAS），也有采用应变式的（如Kyowa）。如果采用压电式的，则还需要单独连接电荷/电压转换器，以与数采仪相匹配。加速度传感器在碰撞试验中易受损，这是由试验的强冲击性特点和安装位置所决定的。
　　在碰撞试验过程中，数采仪、传感器和电缆均会受到巨大的冲击，如处理不当，轻则会造成干扰信号，重则会导致接插头受损和信号丢失。因此，接插头一定要牢固，并且方便使用。通常采用7芯LEMO自锁式接插头。有些厂商采用其他形式的接插头（如8芯LEMO接头和Tajimi接头），导致不能相互通用，带来麻烦。应将假人、数采仪及电池一起接地。LEMO接插头的针脚定义（包括接地针脚）最好统一，并与数采仪外壳一起接地。
　　8. 电池维护
　　为了车载的需要，数据采集仪都自带了锂电池，有的还额外多带了一套备用电池。为了延长电池的寿命，最好每个月都进行一次完全的放电，最长不要超过三个月。在自带的软件中可以对电池进行完全充放电操作。
　　
　　数据采集技术的发展趋势
　　
　　随着电子技术的飞速发展，汽车碰撞试验数据采集技术也呈现出快速、便捷、小巧、灵活、智能化的发展趋势，大大提高了数据采集过程的效率。
　　1. 数采仪与计算机的接口技术：
　　目前大多采用10兆BNC以太网接口或RS232串行接口。随着计算机和通信技术的飞速发展，很多笔记本电脑已经不支持10兆以太网接口和不提供RS232串行接口了。因此新的接口通信方式，如无线网络接口、USB接口已经得到了应用。特别是对于在试验中要经历自由飞行的行人保护的头型Headform和腿型Legform，无线通信技术就更具优势了。
　　2. 高级传感器信息(ATI)：
　　即将传感器信息与传感器进行合并。DALLAS ID 芯片最新版本提供了4－16kB内存空间来储存传感器信息，包括传感器的标定信息和相关参数设置。因此，不仅仅是传感器ID信息，关于传感器其他更多的信息可以直接从试验准备数据库中读出来，通过数据采集器传输至传感器芯片中，且这种过程是相互的。这就使得传感器和假人在使用过程中具有很好的可移植性，即同一个传感器能够非常便捷地在不同试验室之间、不同的数据采集系统中共享使用而无需更多的参数设置。
　　3. 更好地支持ISO13499数据交换格式：
　　这将使数据有更好的通用性，便于在国际上的相互交流。
　　4. 多语言环境支持：
　　尤其是中文语言环境的支持。
　　5. 数采――假人一体化集成(In-Dummy技术)：
　　假人的传感器在碰撞试验中占了很多通道，假人的线束也无形中增加了假人的重量和走线的麻烦程度。最新的In-Dummy技术将多个数据采集设备安装于假人体内，这样假人身上传感器即可以由假人身上配备的多个数据采集装置自己采得。这些数据采集设备通过Hub连接，并统一通过数字接口与计算机通信。如DTS与FTSS合作开发了iDummy系统，KT与Denton合作开发的nxt系统，德国Messring开发的M=bus技术产品。数采――假人一体化集成(In-Dummy技术)经过这几年的发展，日趋成熟，国外已用得越来越多，如法国PSA集团，在中国则处于市场培育阶段。从长远看，此项技术必将得到广泛的应用。