汽车加速度数据采集系统的设计

引言

    随着我国汽车工业的发展和人民生活水平的提高，我国人均汽车保有量快速增长，汽车安全性也就越来越受到关注。汽车主动安全系统就成为现阶段汽车系统的主要研究方向。汽车主动安全系统需要大量的、精确的汽车行驶状态参数，其中，车辆加速度是最为关键的参数之一，因此，一个稳定的、准确的测量系统就显得很重要。本文针对车辆运行环境的特点，设计了一种汽车行驶过程中加速度采集系统，其特点是结构简单，集成度更高，能为主动安全系统提供稳定，准确的数据。

1系统设计

    本采集系统通过惯性测量单元采集汽车行驶过程中的加速度，并将采集到的数据传到微控制器中，数据在微控制器中进行基本处理，通过串口将数据传到PC上显示并使用工具分析所采集的数据，根据分析结果判断本采集系统能否达到稳定的预期目标。

    采集系统中的硬件电路主要是由ARM7微控制器LPC2114,微机电系统( miem-elecira-mechanical-system,MEMS)ADIS16355传感器和相应的外围电路(如，串口电路，LCD液晶电路)组成;软件设计是在ARM DeveloperSuite环境下使用C语言编程，主要实现硬件初始化，数据采集，数据的基本处理，液晶显示以及与PC机的串口收发通信等。采集系统的原理框图如图1。

图1采集系统的原理框图

    1. 1硬件电路的设计

    1.1. 1 ARM7微控制器

    根据采集系统对处理速度以及对大量数据处理的需要和简化结构、提高可靠性、减少体积、减少成本、经济实用等原则，主控制器芯片选用性价比较好的ARM7微控制器芯片NXP LPC2114。LPC2114带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM&TDM1-S CPU，有较小的64引脚封装，而且有极低的功耗，可实现最大60 MHz的CPU操作频率，带有128 k片内Flash程序存储器，2个1fiC550工业标准UART和2个SPI接口，2个32位定时器等片内外设以及支持32个中断请求输入。

    1.1.2  ADIS16355惯性测量单元

    ADIS16355惯性测量单元是一种完整的三轴陀螺仪与三轴加速计惯性检测系统。该传感器结合了ADI公司的iMEMS和棍合信号处理技术，提供校准的数字惯性检侧，是高集成度的解决方案，其结构简单的输出寄存器和SPI端口可简化系统的接口设计和编程。三轴陀螺仪测量范围为±75°/s,±1540/s，±3400/s,14位分辨率;三轴加速度计测量范围为±10g,14位分辨率;冲击承受力为2OOOgn。

    ADIS16355的SPI端口包括片选线(CS)、串行时钟线(SCLK)、数据输人线(DIN)和数据榆出线(DDUT）。CS线使能ADIS16355的SPI端口，当CS为高时DOUT线为高阻状态，信号在DIN和SCLIC线上无法对操作有影响。一个完整的数据帧包括16个时钟周期。由于SP1端口工作在同步全双工模式下，16位数据的收发将在同一个16个时钟周期内完成，这就使得在配置下一个读周期的同时可以收到上一个读周期对应的数据。时序图见图2。

图2致据读写时序图

    1.1.3采集系统的硬件设计

    ADIS16355将采集到的数据通过SPI端口传到LPC2114 ,当采集完成一组数据后在LCD上显示采集完成，然后通过串口将数据传到PC机上显示。采集系统硬件接线图如图3。其中P0. 29端接测量单元的使能端，通过P0. 29来控制是否从测量单元读取数据;SPI的SCLIC为测量单元提供串行时钟;SPI的MOSI接测量单元的DIN端，通过这一端口可以向侧量单元写控制命令(如初始化命令等)，也可以通过此端口向测量单元中的输出数据寄存器写读命令;SPI的M150接测量单元的ROUT端，输出数据寄存器中的数据通过这一端口传到微控制器LPC2114中。xEYI按键是启动采集程序的开关，KEY2,KEY3和KEY4分别代表向PC机传送x轴、Y轴和Z轴的加速度数据。SPLC501点阵式图形液晶显示模块为128X64点阵，通过它可以显示采集完成和对PC输出数据的类别。

图3采集系统硬件接线图

    1.2软件设计

    采集系统的软件设计使用C语言编程，在ARM Deve-toper Suite环境下编译调试。采集软件的主要功能是每隔单位时间从传感器内部的寄存器中读取采集完毕的数据，然后将数据通过申口传到PC机上显示并分析。采集系统程序流程图如图4所示。初始化部分包括SPI、计数器功，UART, LCD和传感器的初始化，其中，传感器的初始化包括传感器的复位，自检，自动调"0"以及传感器输出数据寄存器更新时间的设置。主程序主要由中断子程序、显示程序和与PC机接口程序等三部分组成:

    1)中断子程序，计数器TO每隔一个单位时间(一般单位时间取传感器输出数据寄存器更新时间的1/2)产生一次中断，在中断子程序中读取传感器内部的输出数据寄存器;

    2)当数据采集完成后LCD显示“采集完成”，并且选择向PC机传轴X轴，Y轴和Z轴之中的一组数据,

    3)经过选择KEY2,KEY3和KEY4来选择向PG机传输X轴、Y轴或Z轴的加速度，同时在LCD上显示“正在传输数据”，最后通过串口将所要传输的数据传到PC机上，在PC机上显示并分析数据。

2实验与数据分析

    本采集系统可以同时采集X轴纵向，Y轴横向和2轴垂直向的加速度，为了测试本系统的稳定性和分析测量噪声的统计特性，现以在静止状态下纵向加速度和垂直向加速度为例各采集10组数据每组l000个点。纵向加速度理论值是1gn，垂直加速度是-1g，相应的通过SPI读取的愉出数据寄存器的值为a和-397。所采集的相关数据如图5(a)和图5(b)所示。

    图6为纵向加速度和垂直加速度中一组数据的SPI。分析以上数据;1)在静止状态下纵向加速度均值在-3.000~-4. 000之间，垂直加速度均值在-397. 000附近分布，这是由于传感器不是完全水平摆放而造成，可以将数据减去均值来消除这一偏差；2)通过求加速度的SPI可以看出:在只有在0附近的值很大且近似等于方差值时，其余各点的值近似为0。而高斯白噪声的特点是:零均值，SPI仅在零点时，有一个等于过程方差的冲激，而在其他点的值均为0，根据这一特点可以看出系统采集的数据带有高斯白噪声，这一噪声属于测量噪声。由于所采集的10组数据都符合以上分析，由此可知本采集系统静态性能稳定、可靠。

    图7为汽车行驶在平直路面上所采集的纵向和垂直的加速度，可以看出:本采集系统在实车运动中采集数据平稳。由此可知本采集系统动态性能稳定、可靠。

图4采集系统程序流程图

图5 静止状态下纵向和垂直加速度输出图

图6 纵向和垂直加速度自相关函数

图7 实测状态下汽车纵向和垂直加速度

3结束语

    该汽车加速度采集系统是为了给汽车主动安全系统提供可靠、稳定的数据。本文对系统硬件部分和软件流程进行了阐述。通过实验和对静态与实车所采集的数据进行分析，验证了该采集系统是稳定的、可靠的，可以为下一步控制策略提供可靠的数据。该系统对提升汽车的安全性能起到较大作用，在实际应用中有较好的实用价值。

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