車輛運行參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計

金嘉+彭遠(yuǎn)行

摘 要：針對傳統(tǒng)汽車運動參數(shù)采集系統(tǒng)的缺點，設(shè)計一套基于STM32的ARM平臺的新型采集系統(tǒng)，可以采集車輛運動參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，包括位置信息、姿態(tài)信息、開關(guān)量、模擬量、頻率量等，并把參數(shù)進(jìn)行時間同步，以此來判斷車輛的整車性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 檢測系統(tǒng) 設(shè)計

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0017-03

汽車整車道路性能試驗是通過對汽車運動參數(shù)進(jìn)行測量和分析實現(xiàn)的，需要實時記錄運動性能參數(shù)，運動性能參數(shù)包括軌跡、速度、加速度和角速度等一系列參數(shù)，而傳統(tǒng)的測試方法需要用各個單獨的儀器對這些參數(shù)進(jìn)行分別測試。傳統(tǒng)姿態(tài)測量的機械陀螺平臺體積大、質(zhì)量重?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品的集成度越來越高，慣性測量系統(tǒng)具有精度高、體積小、功耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

該文設(shè)計的車輛運行參數(shù)采集系統(tǒng)，基于STM32的ARM處理器平臺，集成了高精度GPS模塊、陀螺儀模塊、車輛運動性能參數(shù)采集模塊，記錄車輛在運行過程中的運行參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，以此達(dá)到性能分析的目的。

1 需求分析及系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求分析

汽車的性能測試依靠汽車的運動參數(shù)，故采集系統(tǒng)要提取車輛軌跡、加速度、速度、角速度等位置、姿態(tài)信息。為了全面檢驗整車性能，系統(tǒng)集成了一套信息采集板，實時測試和記錄在相應(yīng)時刻的車輛狀態(tài)信息，如方向盤轉(zhuǎn)角、油門、剎車、油門等參數(shù)，并利用軟件，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行時間同步。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述分析，對系統(tǒng)要采集的物理量和模塊進(jìn)行分類，模擬量：油門，剎車等；開關(guān)量：車門，車燈等電氣開關(guān)；頻率量：發(fā)動機轉(zhuǎn)速等；接口量：使用ARM處理器各類通信總線外接的GPS、陀螺儀等模塊系統(tǒng)功能模塊。圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件設(shè)計

2.1 最小系統(tǒng)

采集系統(tǒng)是基于STM32的ARM平臺開發(fā)的，STM32擁有豐富的片上資源，免去了大量外接電路，提高了系統(tǒng)集成度，節(jié)約開發(fā)成本。外接8 M晶振，經(jīng)過倍頻電路，使得CPU的時鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，STM32的穩(wěn)定性大大提高了系統(tǒng)工作性能。

2.2 模擬量

在時間上、數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量稱為模擬量。對非電量進(jìn)行測量、處理、控制時，要把非電量轉(zhuǎn)化成模擬電信號。標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓信號為0～10 V，標(biāo)準(zhǔn)的模擬電流信號為4～20 mA。

在汽車上有很多參數(shù)的檢測需要轉(zhuǎn)換為模擬量信號，如油門、剎車等。

將檢測端與檢測電路輸入端相連，檢測的信號經(jīng)過LM324放大后與CPU的ADC通道相連，實現(xiàn)對非電量的量化和檢測。模擬量放大電路如圖2所示。

2.3 開關(guān)量

開關(guān)量，指控制繼電器的接通或者斷開所對應(yīng)的值，即“1”和“0”。它有1和0兩種狀態(tài)，這是數(shù)字電路中的開關(guān)性質(zhì)。

可用開關(guān)量對汽車某些特定器件的狀態(tài)進(jìn)行描述，如車燈、車門等一系列只有兩種狀態(tài)的量。

系統(tǒng)設(shè)計了2組4路開關(guān)量采集電路，如圖3。開關(guān)量采集模塊使用了P181GB光耦電路，輸入端與汽車端待檢測器件相連，輸出端與STM32處理器的I/O相連接，當(dāng)檢測到器件狀態(tài)發(fā)生變化時，通過光耦可以把變化的電流傳遞到CPU端，記錄變化狀態(tài)。

2.4 頻率量

頻率量測量原理，是通過相應(yīng)的傳感器，將周期變化的特性轉(zhuǎn)化為電信號，再由電子頻率計顯示對應(yīng)的頻率，如工頻、聲頻、振動頻率等。

頻率量是與被測量如轉(zhuǎn)速、流量、風(fēng)向等物理量參數(shù)成比例的TTL電平的頻率信號，可能是脈沖頻率、周期或是脈沖數(shù)。該文采用電子計數(shù)法進(jìn)行測量。由于STM32擁有較強的控制與運算功能，電子計數(shù)法的測量頻率范圍寬，精度高，易于實現(xiàn)。

利用光耦電路，可以把電量隔離，該系統(tǒng)采用了PG181GB光耦電路（如圖4）。利用施密特觸發(fā)器可以把變化緩慢地輸入信號整形成邊沿陡峭的矩形脈沖，可以實現(xiàn)脈沖波的整形，脈沖監(jiān)幅，還可以利用其回差電壓的特性來提高電路的抗干擾能力。在頻率量采集電路中使用了HEF40106BT施密特觸發(fā)器，可以提高頻率采集電路的穩(wěn)定性。

2.5 接口量

STM32擁有豐富的片上接口資源，系統(tǒng)利用這些接口外接了很多模塊設(shè)備，以此實現(xiàn)更多數(shù)據(jù)的采集。

系統(tǒng)使用了美國Trimble公司的高精度GPS模塊，BD982，原理如圖5。支持GPS L1/L2/L5和GLONASS L1/L2信號，具有精確定位和航向姿態(tài)測量功能，提供兩個連接的天線間及到遠(yuǎn)程基站的多星基線RTK。模塊誤差率為1 Hz帶寬相位誤差<1 mm，支持GPS、DGPS、RTK工作模式。模塊輸出經(jīng)緯度，方向角，實時GPS速度/加速度。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議支持TCP/IP，UDP等常用傳輸協(xié)議。

BD982使用了3路串口總線與CPU進(jìn)行通信，1路網(wǎng)口接口，在系統(tǒng)中，模塊使用了RTK工作模式。

系統(tǒng)使用MPU6050陀螺儀對車輛的姿態(tài)信息進(jìn)行測試，測量維數(shù)為加速度3維，角速度3維，姿態(tài)角3維；量程為加速度±2 g，角速度±2000°/s；數(shù)據(jù)輸出頻率100 Hz/20 Hz；模塊使用了IIC接口，通信接口簡介簡潔，節(jié)約了CPU的通用I/O口。

3 實驗驗證

利用采集系統(tǒng)對運行中的汽車進(jìn)行參數(shù)采集實驗驗證，與上位機通信，驗證了系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)語

利用參數(shù)采集系統(tǒng)與上位機通信，采集和記錄車輛在運行過程中的運動參數(shù)和車輛的狀態(tài)參數(shù)，利用外接模塊可以獲得車輛的位置信息，姿態(tài)信息（如圖6）。運動參數(shù)可用于汽車整車性能實驗，可以結(jié)合車輛狀態(tài)參數(shù)做后續(xù)應(yīng)用開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉付強.基于MEM器件的捷聯(lián)姿態(tài)測量系統(tǒng)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[2] 鄧海裳，王鳳梅.微型慣性測量組合姿態(tài)測試系統(tǒng)[J].傳感器世界，2004（9）：14-17.

[3] 周木子.便攜式汽車道路試驗數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[4] 周英煥，王憲.基于嵌入式系統(tǒng)新型車輛行駛記錄儀的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計[J].江南大學(xué)學(xué)報，2004（1）：33-35，39.