汽車(chē)二自由度數據采集系統設計

引言
汽車(chē)的二自由度橫擺角速度與側向加速度這兩個(gè)參數對汽車(chē)的穩定性分析具有重要作用，是汽車(chē)主動(dòng)安全的重要組成部分，可以通過(guò)預測與實(shí)測兩種方式獲得。為了得到更真實(shí)的數據，本文設計了基于A(yíng)RM微控制器和ADIS16355傳感器的數據采集系統，通過(guò)實(shí)車(chē)測試得到了汽車(chē)的橫擺角速度與側向加速度的數據，分析了干擾源，并且對數據采用卡爾曼濾波方法進(jìn)行處理。

1 系統工作原理
ADIS16355傳感器裝在接近汽車(chē)的中心位置上(接近汽車(chē)的質(zhì)心位置)，建立汽車(chē)的三維坐標系如圖1所示。

汽車(chē)X、Y、Z三個(gè)方向的旋 圖1 汽車(chē)三維坐標系轉角速度與加速度可通過(guò)ADIS16355傳感器測得，測得的數據通過(guò)ADC轉換成數字信號，然后通過(guò)SPI串行通信協(xié)議把采集到的數據傳送到控制器中，這里只取側向加速度與橫擺角速度這兩個(gè)信息量。采用的控制器是Philips公司生產(chǎn)的ARM7處理器LPC2119。數據采集系統工作原理如圖2所示。

2 系統模塊介紹
2．1 LPC2119簡(jiǎn)介
ARM是指精簡(jiǎn)指令集的微處理器，具有高性能、廉價(jià)、低耗能的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。該系統采用的是ARM7系列的LPC21 19微控制器。LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S內核的微控制器，并帶有128 KB的高速Flash存儲器；指令支持32位的ARM模式與16位的Thumb模式：128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼的ARM方式能夠在最大時(shí)鐘速率下運行；對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30％，而性能的損失卻很小。LPC2119具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN總線(xiàn)、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達9個(gè)外部中斷，功耗低，性能強大，特別適用丁汽車(chē)、工業(yè)控制應用以及醫療系統和容錯維護總線(xiàn)。由于內置了寬范圍的串行通信接口，也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器以及其他各種類(lèi)型的應用。
2．2 ADIS16355簡(jiǎn)介
ADIS1635傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器，具有體積小、功能強、功耗低等特性。它主要由以下模塊組成：陀螺儀、加速度傳感器、A／D轉換器、數字校準以及SPI協(xié)議轉換模塊。在三維直角坐標系X、Y、Z中，陀螺儀與加速度傳感器首先感應到物體的運動(dòng)，分刖測得運動(dòng)物體X、Y、Z三個(gè)方向的旋轉角速度與加速度，三個(gè)方向旋轉角速度的測量范用分別為±75°／s、±150°／s、±300°／ s，加速度的測量范圍都為±10g，有效數據位都為14位。它具有很高的分辨率，其中旋轉角速度的最低分辨率為0．073 26，三個(gè)方向的加速度的分辨率為2．255mg，基本能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。它的工作電壓為5 V，直接輸出16位的數字信號，通過(guò)SPI通信協(xié)議傳送。ADIS16355的結構框圖如圖3所示。

2．3 SPI協(xié)議簡(jiǎn)介
SPI協(xié)議是Motorola公司制定的全雙工串行通信協(xié)議，具有傳送速度快、協(xié)議簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。通信只需要四根線(xiàn)，即SCK(時(shí)鐘)、SSEL(從機選擇)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)；最高傳送速率可以達到系統工作頻率的1／8，并且已經(jīng)得到了廣泛的應用。ADIS16355也是通過(guò)SPI協(xié)議來(lái)傳送。首先把LPC2119中集成的SIP控制器設置為主機，把傳感器的SPI接口設置為從機，把它們的接線(xiàn)對應連接起來(lái)，即相當于從控制器的從機選擇端，在通信過(guò)程中要使它一直保持低電平，處于有效狀態(tài)；然后，通過(guò)主控制器把需要采集信號的地址發(fā)送到從控制器中。SPI時(shí)序圖如圖4所示。