基于加速度計(jì)的汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高。安全、便捷、舒適、無污染、經(jīng)濟(jì)性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵在于汽車的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時(shí)獲取。
汽車在行駛過程中的各種路況信息是非常復(fù)雜的。在行駛過程中可作為剛性特征體來考慮，將三軸加速度計(jì)放在被測(cè)車體的某個(gè)特征點(diǎn)上，就可準(zhǔn)確地采集到該特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中在x軸，y軸，z軸的三個(gè)加速度分量。結(jié)合車體總質(zhì)量可以計(jì)算出車輛的瞬時(shí)受力情況；結(jié)合車輛即時(shí)速度，可以計(jì)算出瞬時(shí)功率。采集和計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息可以進(jìn)行本地的控制處理。同時(shí)，本系統(tǒng)支持CAN總線接口，利用該接口，可以將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析處理。從而使本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于汽車自動(dòng)變速器，汽車安全氣囊(Airbag)、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛系統(tǒng)等方面。

1 方案總體設(shè)計(jì)
該采集平臺(tái)需要解決數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及通信的問題，而且由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，需要保證系統(tǒng)的抗干擾性及可靠性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控制器通過ADXL330采集三個(gè)坐標(biāo)軸上的加速度分量，經(jīng)過分析計(jì)算后提供給本系統(tǒng)直接應(yīng)用或通過CAN總線提供給別的應(yīng)用者。

2 建立汽車運(yùn)動(dòng)模型
汽車在路面上的運(yùn)行環(huán)境是非常復(fù)雜的，受到的振動(dòng)頻率分布很寬，一般情況下車輛的振動(dòng)頻率范圍可分為如下幾種情況：
剛體運(yùn)動(dòng)：0～15 Hz；
結(jié)構(gòu)振動(dòng)，板件共振：15～150 Hz；
噪聲及嘯鳴：150 Hz以上。
汽車典型的共振頻率范圍通常為：
車身共振頻率：1～1．5 Hz；
車輪跳動(dòng)：10～12 Hz；
座椅上的乘客：4～6 Hz；
懸置的動(dòng)力總成：10～20 Hz；
結(jié)構(gòu)共振頻率：大于20 Hz；
輪胎共振頻率：30～50 Hz和80～100 Hz。
在研究車輛的運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要研究的對(duì)象一般包括車輛的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)位移、瞬時(shí)加速度、瞬時(shí)功率、瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力等。而以上各項(xiàng)參數(shù)，均可通過對(duì)被測(cè)點(diǎn)的加速度計(jì)算得出。車體在空間位置的加速度如圖2所示。

車輛瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力F=ma。其中，F(xiàn)為車輛的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力；m為車體總質(zhì)量；a為運(yùn)動(dòng)加速度。
速度。其中，v為運(yùn)動(dòng)速度；v0為初始速度；為加速度對(duì)時(shí)間的積分。
瞬時(shí)功率P=Fv。
ADXL330是一個(gè)三軸(x軸，y軸和z軸)模擬輸出的加速度傳感器，通過ADXL330能夠測(cè)量出任意時(shí)刻三個(gè)方向的加速度分量。通過測(cè)量得到的加速度分量可以計(jì)算出車輛的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)等信息。

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 電源設(shè)計(jì)
汽車的用電設(shè)備所需電能有兩個(gè)來源：發(fā)電機(jī)和蓄電池，輸出的額定電壓為12 V。本設(shè)計(jì)中采用LM2575開關(guān)穩(wěn)壓器和LM1117低壓差線性穩(wěn)壓器將12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3 V的供電電源。電源設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

LM2575是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1 A集成穩(wěn)壓電路，電壓輸入范圍寬為7～40 V，電流輸出最大可達(dá)1 A；同時(shí)內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等。
LM1117為低壓差線性穩(wěn)壓器，其壓差典型值僅為1．2 V，輸出電壓精度高達(dá)±1％。輸出的3．3 V電源提供給主控制器使用，為保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸出端需要添加一個(gè)10μF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。
3．2 主控制器電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主控制器采用MC9S12DJ256單片機(jī)，它是Freescale公司基于16位HCS12內(nèi)核制造的高速、高性能、低功耗的芯片。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)和內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。
MC9S12DJ256單片機(jī)的主頻高達(dá)25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI、3個(gè)同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉／輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A／D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、兼容CAN 2．0A／B協(xié)議的2個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部I2C總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的FLASH E2PROM，12 KB的RAM及4 KB的E2PROM，資源十分豐富，可滿足本方案設(shè)計(jì)要求。主控制器電路如圖4所示。

3．3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
ADXL330支持對(duì)輸出進(jìn)行低通濾波?？梢酝ㄟ^調(diào)整輸出引腳接地電容的大小來設(shè)置。輸出帶寬主要是由RFILT，Cxyz的大小決定的。-3dB的帶寬計(jì)算公式如下：

可簡化為：

電阻RFILT的標(biāo)稱值為32 kΩ，位于芯片內(nèi)部，偏差在±15％。Cxyz的最小值不能小于0．004 7μF。
由于汽車在路面上的的振動(dòng)頻率一般在1～100 Hz的范圍內(nèi)，則可選取濾波電容Cxyz的值為0．05μF，從而實(shí)現(xiàn)帶寬為100 Hz的低通濾波。電路如圖5所示。為了濾除供電電源產(chǎn)生的噪聲，需要在加速度計(jì)的電源Vs和Com之間接一只0．1μF的電容。
3．4 CAN總線傳輸電路設(shè)計(jì)
PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。它主要是為汽車中高速通信(高達(dá)1 Mb／s)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，MC9S12DJ-256的CANTX0和CAN-RX0并不直接和收發(fā)器PCA82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦TLP113隔離后再和PCA82C250相連，這樣就可以實(shí)現(xiàn)各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。其電路原理如圖6所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
ADXL330的輸出為模擬電壓信號(hào)，可直接進(jìn)行A／D采樣。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出的相關(guān)參數(shù)也會(huì)變化，本文電源電壓為3.3 V，比率因子電壓加速度比為330mV／g，加速度為0時(shí)的輸出電壓約為0.5Vs(Vs為電源電壓)。所以，將x軸輸出信號(hào)Xout，換算成對(duì)應(yīng)加速度ax為：

由于傳感器在使用中會(huì)存在隨機(jī)干擾，這些干擾會(huì)影響測(cè)量精度。本文采用簡單的平均值濾波法降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，取最近5次采樣的平均值為最終采樣值，采樣流程圖如圖7所示。

報(bào)文的收發(fā)由CAN控制器根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動(dòng)完成。由于MC9S12DJ256的CAN控制器擁有3級(jí)緩沖，所以可以發(fā)送多組數(shù)據(jù)完成實(shí)時(shí)操作。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU根據(jù)TXEx位來確定可用的緩沖區(qū)，然后將報(bào)文寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并置位控制寄存器中的發(fā)送標(biāo)志；由CAN控制器自動(dòng)完成發(fā)送。CPU收到報(bào)文時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷，在中斷處理函數(shù)中將接收到的報(bào)文寫入接收隊(duì)列。CAN收發(fā)流程如圖8所示。

5 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了一種基于加速度計(jì)ADXL330的汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)采集平臺(tái)，介紹了其軟硬件結(jié)構(gòu)。通過該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與汽車運(yùn)行相關(guān)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算。同時(shí)，采用高性能的控制器芯片使系統(tǒng)功耗低，計(jì)算性能高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較少的改動(dòng)就能很好地應(yīng)用于汽車自動(dòng)變速器、汽車安全氣囊(Air-bag)、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序(ESP)等方面，具有很強(qiáng)的技術(shù)適用性和開發(fā)前景。