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)濟性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標。實現(xiàn)這些目標的關(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，將三軸加速度計放在被測車體的某個特征點上，就可準確地采集到該特征點運動過程中在x軸，y軸，z軸的三個加速度分量。結(jié)合車體總質(zhì)量可以計算出車輛的瞬時受力情況；結(jié)合車輛即時速度，可以計算出瞬時功率。采集和計算出的運動參數(shù)等信息可以進行本地的控制處理。同時，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)送到汽車計算機控制系統(tǒng)進行綜合分析處理。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
該采集平臺需要解決數(shù)據(jù)采集、計算及通信的問題，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采集三個坐標軸上的加速度分量，經(jīng)過分析計算后提供給本系統(tǒng)直接應(yīng)用或通過CAN總線提供給別的應(yīng)用者。
2 建立汽車運動模型
汽車在路面上的運行環(huán)境是非常復(fù)雜的，受到的振動頻率分布很寬，一般情況下車輛的振動頻率范圍可分為如下幾種情況：
剛體運動：0～15 Hz；
結(jié)構(gòu)振動，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：10～12 Hz；
座椅上的乘客：4～6 Hz；
懸置的動力總成：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。
在研究車輛的運動時，主要研究的對象一般包括車輛的運動速度、運動位移、瞬時加速度、瞬時功率、瞬時驅(qū)動力等。而以上各項參數(shù)，均可通過對被測點的加速度計算得出。車體在空間位置的加速度如圖2所示。
車輛瞬時驅(qū)動力F=ma。其中，F(xiàn)為車輛的瞬時驅(qū)動力；m為車體總質(zhì)量；a為運動加速度。
速度
。其中，v為運動速度；v0為初始速度；
為加速度對時間的積分。
瞬時功率P=Fv。
ADXL330是一個三軸(x軸，y軸和z軸)模擬輸出的加速度傳感器，通過ADXL330能夠測量出任意時刻三個方向的加速度分量。通過測量得到的加速度分量可以計算出車輛的運行狀態(tài)，動力學(xué)參數(shù)等信息。
3 硬件設(shè)計
3．1 電源設(shè)計
汽車的用電設(shè)備所需電能有兩個來源：發(fā)電機和蓄電池，輸出的額定電壓為12 V。本設(shè)計中采用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1 A；同時內(nèi)部有完善的保護電路，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±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
系統(tǒng)主控制器采用MC9S12DJ256單片機，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鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。
MC9S12DJ256單片機的主頻高達25 MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，包括2個異步串行通信口SCI、3個同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉／輸出比較定時器、2個10位8通道A／D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、兼容CAN 2．0A／B協(xié)議的2個CAN模塊以及一個內(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
ADXL330支持對輸出進行低通濾波?？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的帶寬計算公式如下：
可簡化為：
電阻RFILT的標稱值為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
PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口，可以提供對總線的差動發(fā)送和接收能力，與ISO11898標準完全兼容，并具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護總線的能力。它主要是為汽車中高速通信(高達1 Mb／s)應(yīng)用而設(shè)計。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，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，這樣就可以實現(xiàn)各CAN節(jié)點間的電氣隔離，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
ADXL330的輸出為模擬電壓信號，可直接進行A／D采樣。當電源電壓發(fā)生變化時，輸出的相關(guān)參數(shù)也會變化，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時的輸出電壓約為0.5Vs(Vs為電源電壓)。所以，將x軸輸出信號Xout，換算成對應(yīng)加速度ax為：
由于傳感器在使用中會存在隨機干擾，這些干擾會影響測量精度。本文采用簡單的平均值濾波法降低干擾對系統(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。
報文的收發(fā)由CAN控制器根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動完成。由于MC9S12DJ256的CAN控制器擁有3級緩沖，所以可以發(fā)送多組數(shù)據(jù)完成實時操作。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU根據(jù)TXEx位來確定可用的緩沖區(qū)，然后將報文寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并置位控制寄存器中的發(fā)送標志；由CAN控制器自動完成發(fā)送。CPU收到報文時會觸發(fā)中斷，在中斷處理函數(shù)中將接收到的報文寫入接收隊列。CAN收發(fā)流程如圖8所示。
5 結(jié)語
本文設(shè)計了一種基于加速度計ADXL330的汽車動力學(xué)參數(shù)采集平臺，介紹了其軟硬件結(jié)構(gòu)。通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)了與汽車運行相關(guān)的動力學(xué)數(shù)據(jù)的采集和計算。同時，采用高性能的控制器芯片使系統(tǒng)功耗低，計算性能高，運行穩(wěn)定可靠。對系統(tǒng)進行較少的改動就能很好地應(yīng)用于汽車自動變速器、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，具有很強的技術(shù)適用性和開發(fā)前景。