汽車(chē)碰撞實(shí)驗車(chē)載測試系統中數據采集板的設計

在汽車(chē)被動(dòng)安全性研究中，碰撞實(shí)驗是一項關(guān)鍵性的實(shí)驗，而通過(guò)合適的測量技術(shù)取得整車(chē)或零部件和模型假人的實(shí)驗數據才能保證實(shí)驗的成功。汽車(chē)碰撞實(shí)驗中的電測量技術(shù)主要有兩大類(lèi):一類(lèi)是拖長(cháng)線(xiàn)測量方式;一類(lèi)是車(chē)載數據采集。隨著(zhù)研究的深入和對測量技術(shù)要求的提高，對后一種測量方式的需求更加迫切。

汽車(chē)碰撞實(shí)驗作為一項高速大沖擊的實(shí)驗，車(chē)載測試系統需要具備能承受大沖擊、通道數多、大容量數據可靠存儲及觸發(fā)準確的特點(diǎn)。國外的碰撞實(shí)驗車(chē)載測試系統已形成比較成熟的產(chǎn)品，但價(jià)格相當昂貴。而國內的測試設備也都是在各自領(lǐng)域研制，不適合在碰撞實(shí)驗的惡劣環(huán)境條件下使用。

數據采集板是這種車(chē)載測試設備的核心，本文比較深入研究了一種用于該車(chē)載設備中的數據采集板。按照正面碰撞乘員保護的設計規則(CMVDR294)中對測試儀器的規定，將本車(chē)載測試系統中的數據采集板每個(gè)通道采樣頻率設計為10kHz，模擬信號轉換為數字量采用12位的數字長(cháng)度?？紤]到信號后續分析處理的需要，在系統設計上使各通道信號采集完全同步。

1 數據采集板的設計原理

車(chē)載測試系統采用多塊數據采集板并行工作的方式，由單獨主模塊負責觸發(fā)判斷。每個(gè)數據采集板作為整個(gè)測試系統中的一個(gè)獨立子模塊，使用單獨的MCU完成采集板的控制工作。同類(lèi)采集板中大多是用一塊A/D芯片負責一路通道信號采集來(lái)滿(mǎn)足同時(shí)性的要求，但這樣使大數目通道擴展很困難，并且使整個(gè)系統很龐雜，降低了碰撞時(shí)的可靠性。在本板設計中每塊數據采集板使用一塊A/D芯片實(shí)現四個(gè)通道信號的同步采集。這樣通過(guò)減少芯片數量使采集板的可靠性得到提高。采集板結構示意圖如圖1。

在測試系統工作時(shí)，數據采集板不斷把傳感器信號轉換為數字量，循環(huán)存儲在數據采集板的存儲器中。當數據采集板接收到控制模塊產(chǎn)生的碰撞結束信號時(shí)會(huì )產(chǎn)生中斷，停止數據采集，等待與地面微機的通信。

2 硬件組成

2.1 MCU和地址空間

數據采集板的MCU采用MOTOROLA公司的高檔8位單片機MC68HC-711E9[3]，這種單片機在汽車(chē)的復雜工況下有著(zhù)廣泛的應用，并且在某安全氣袋控制器中也得到了實(shí)際應用，實(shí)踐證明它的耐沖擊性符合本數據采集板的要求。它在擴展模式下有8根數據線(xiàn)和16根地址線(xiàn)，可以尋址64KB的空間。這種MCU對數據存儲器和程序存儲器的尋址是統一的，都在這64KB空間內，通過(guò)設置相關(guān)寄存器重新安排單片機的RAM區和寄存器區，使在配置后的地址空間中＄0000～＄CFFF是連續的數據存儲器區。

但是受單片機最大尋址64KB的限制，數據存儲器的空間很小。由于每塊數據采集板要存儲四個(gè)通道模擬量的轉換結果，數據存儲器的容量必須有足夠大才能保證存儲較長(cháng)時(shí)間的信號。為此使用了兩片512KB的SRAM芯片628512作為外擴數據存儲器。MCU只有16根地址線(xiàn)，所以采用分頁(yè)擴展存儲器技術(shù)，用4根PORT A的輸出端口線(xiàn)，使每片628512形成8個(gè)64KB的頁(yè)面。在每個(gè)頁(yè)面上＄0000～＄CFFF可以用來(lái)存儲數據。從而系統可用的數據存儲空間是16×52=832KB，即每個(gè)通道的數據存儲器容量是208KB。若采樣速率以10kHz計算，而每個(gè)轉換結果為12bit，最大占用2個(gè)字節空間，所以系統可以保存的每個(gè)通道數據時(shí)間是208÷(10×2)=10.4s，滿(mǎn)足系統要求。

2.2 信號調理電路

汽車(chē)碰撞實(shí)驗中采用EGG公司的壓阻式傳感器，它內部集成了穩壓裝置，還具有溫度補償功能，自帶放大，使傳感器的輸出范圍變成了±2V。本信號調理電路首先對傳感器的信號放大2倍，這樣傳感器的信號輸出范圍可與一般的A/D模擬端輸入范圍±5V相匹配，提高了系統的轉換精度。此放大電路部分采用了AD公司的儀表放大用芯片AD620，并且硬件上使放大倍數可以在檔位1、2、5、10間調節，這樣在不同沖擊強度的實(shí)驗中都可使信號轉換的分辨率較高。放大后的信號還被MAX291構成的程控濾波器濾波后送入A/D轉換電路。按碰撞法規要求，濾波頻率設定為2kHz。

2.3 A/D轉換電路

A/D轉換器是數據采集板的核心，此板設計中選擇了MAXIM公司的12位高速A/D轉換芯片MAX120[2]，它具有雙極性±5V的電壓輸入范圍，完成一次轉換的時(shí)間為1.6微秒，內部具有采樣保持電路和低漂移的電壓基準，具有標準的微處理器(μP)接口。利用這種芯片組成的A/D轉換電路如圖2。

圖2中的MAX308[2]是MAXIM公司的多路開(kāi)關(guān)，它具有低導通電阻(小于100Ω)、低泄漏電流的特點(diǎn)，典型開(kāi)關(guān)切換速度為85納紗。

MAX120的輸入阻抗為6kΩ，如果A/D芯片與多路開(kāi)關(guān)直接連接，輸入信號在多路開(kāi)關(guān)上的分壓將會(huì )引起的誤差近似為這個(gè)誤差超出了要求的精度范圍，為此在A(yíng)/D芯片前加上輸入緩沖器。在此選用MAXIM公司的高速緩沖放大器MAX405[2]，它的輸入阻抗為2.5MΩ，輸出阻抗為0.01Ω，這樣信號在多路開(kāi)關(guān)上引起的壓降誤差只有緩沖器本身近于零內阻，保證了信號在傳輸到A/D芯片的輸入端不會(huì )引起大的失真。實(shí)際設計中采用這一方式大大提高了系統的精度。

由于數據采集板只用了一塊A/D芯片，為了保證各路信號的轉換都同步，設計中在多路開(kāi)關(guān)之前給每路信號都加上采樣保持電路(AD781)[1]。采集板工作時(shí)，每次采樣循環(huán)中，首先發(fā)出采樣/保持信號使各通道信號被同時(shí)采樣后進(jìn)入保持狀態(tài)，隨后多路開(kāi)關(guān)逐步選通每一路模擬信號進(jìn)入A/D轉換器。

采集電路采用MAX120的全控制方式(方式1)。在這種方式下形成的系統工作時(shí)序如圖3所示。

系統工作時(shí)，切換通道和啟動(dòng)A/D轉換器使用同一條指令:

STAA ＄DFF0，CHANEEL

當這條指令執行時(shí)，譯碼形成的LAE與E時(shí)鐘信號的邏輯組合使LE呈高電平，選通74HC373，數據總線(xiàn)上的通道號CHANEEL(對應數據總線(xiàn)的AD2、AD1、AD0)和多路開(kāi)關(guān)控制信號MEN通過(guò)74HC373分別出現在MAX308的地址選擇端和控制端，對應通道的模擬信號經(jīng)過(guò)MAX308輸出到緩沖器MAX405。在下個(gè)E時(shí)鐘，LE變成低電平，74HC373鎖存通道號和控制信號MEN，選中通道的模擬信號始終保持在MAX308輸出端，直到下次通道選擇指令被執行。

MAX308的一路被選通的同時(shí)， LAE信號還與寫(xiě)信號2Y2進(jìn)行邏輯組合作為A/D轉換器MAX120的啟動(dòng)信號?？紤]到被選中通道的模擬信號出現在MAX308輸出端需要一定的建立時(shí)間才能達到合適精度，同時(shí)工作在方式1下的MAX120其內部采樣保持器也需要一定的采樣時(shí)間(350納秒)來(lái)捕捉輸入模擬信號，因此在MAX308的通道切換和啟動(dòng)MAX120之間需要一定的時(shí)間間隔才能保證轉換結果的精度。為此設計中選擇了使LAE與2Y2信號相或，再通過(guò)兩片MXD1000延遲芯片延時(shí)400納秒作為A/D 轉換器的啟動(dòng)信號CON。轉換啟動(dòng)后，MCU通過(guò)與PA0管腳相連的信號判斷轉換完成。在讀數據指令執行的同時(shí)，轉換結果被讀信號2Y3控制，通過(guò)總線(xiàn)緩沖器74HC245送入MCU的數據總線(xiàn)，被讀入MCU后再寫(xiě)入存儲器單元。

2.4 存儲單元

設計中的數據存儲單元選用了兩片RAM芯片628512?？紤]到實(shí)際實(shí)驗是大強度撞擊，使用時(shí)用非易失性SRAM來(lái)代替。HK1255是與628512完全兼容的非易失性SRAM芯片，可以直接代替628512使用，并且其內置鋰電池，在無(wú)外部供電的情況下數據能保存相當長(cháng)的時(shí)間。這樣就保證了即使實(shí)驗中遇到大沖擊強度使系統電源斷掉的情況，也可以把實(shí)驗中采集的數據保存下來(lái)，大大增強了系統的可靠性。

3 采集板軟件設計

數據采集板軟件主要實(shí)現兩個(gè)功能:完成對模擬量的采樣和存儲;與PC機聯(lián)機通訊。主程序流程如圖4所示。在設置采樣參數后，數據采集板對4路模擬信號進(jìn)行一次循環(huán)采樣，存儲結束后根據采樣結束標志判斷是否已完成數據采集工作。其中采樣結束標志是在主模塊判斷觸發(fā)后、數據采集板中的外中斷(IRQ)響應時(shí)，執行中斷子程序時(shí)設置的。在采集過(guò)程中，程序把采集到的數據連續存儲，每當所設地址指針到達數據存儲區底部時(shí)，設定其重新指向存儲區頂部，用重新存儲的數據刷新原來(lái)的數據。采樣結束后在數據存儲器區最后一次的采樣數據之后存儲連續＄0F個(gè)＄FF，作為采樣結束的標志。數據傳輸到地面PC機之后，在數據處理中可根據連續的＄0F個(gè)＄FF標志向前判斷、選取所采集到的各個(gè)通道碰撞波形。這種循環(huán)存儲方式在有限的存儲空間內最大長(cháng)度地保存了所需要的碰撞時(shí)刻前后的波形。

聯(lián)機通訊軟件的作用是在實(shí)驗之前設定采樣參數，在實(shí)驗之后把每塊數據采集板存儲器中的數據傳輸到地面PC機。

本文介紹了自行研制的用于汽車(chē)碰撞實(shí)驗車(chē)載測試設備中的數據采集板。該數據采集板具有以下特點(diǎn):①采集板使用單獨的MCU控制，構成的測試系統在實(shí)驗過(guò)程中不需要地面微機的干預;②用一片A/D芯片實(shí)現四通道同步高速數據采集，文中分析了其工作時(shí)序;③實(shí)現了碰撞實(shí)驗在大沖擊環(huán)境下大容量數據的可靠存儲;④程序設計上采用了循環(huán)存儲的思想，最大限度地利用了存儲空間;⑤與其它模塊一起可以構成更多通道數的采集系統。

在整個(gè)板卡設計中沒(méi)有采用任何可調節的元器件，在系統固定上采用了很好的固化與緩沖，這些措施也大大提高了系統的耐沖擊性和可靠性。在與原有測量系統的對比實(shí)驗中，對于相同輸入信號，使用該數據采集板的車(chē)載測試系統與原有系統的采集結果體現了很高的一致性，滿(mǎn)量程的誤差小于0.8%，符合系統的精度要求，取得了較好的效果。同時(shí)這一數據采集板還可以應用在其它需要高速同步采集的測試實(shí)驗中。