汽車(chē)駕駛模擬器硬件控制系統的研究設計

汽車(chē)駕駛模擬器是利用計算機實(shí)時(shí)控制和計算機圖形處理技術(shù)模擬汽車(chē)的實(shí)際行駛過(guò)程，用來(lái)培訓駕駛員，縮短上車(chē)試車(chē)的周期，降低駕駛培訓的成本。汽車(chē)駕駛模擬器包括硬件和軟件兩部分組成。硬件由計算機、顯示設備、方向盤(pán)、儀表盤(pán)等部件構成，軟件包括道路環(huán)境的計算機仿真視景系統、聲響模擬、操作平臺等子系統構成。本文將對硬件控制系統的設計進(jìn)行研究。

　　一、控制系統的原理和功能

　　汽車(chē)駕駛模擬器系統包括機械部分、控制系統和模擬軟件三大部分。機械部分的點(diǎn)火裝置、方向盤(pán)、離合裝置、腳剎裝置、手剎裝置、油門(mén)裝置、檔位裝置、儀表裝置均采用實(shí)物仿真；控制系統定時(shí)檢測點(diǎn)火情況、方向盤(pán)轉過(guò)的角度、旋轉方向、離合器、腳剎、手剎、油門(mén)、檔位的狀態(tài)，并將檢測的結果傳送給計算機，通過(guò)模擬軟件來(lái)變換駕駛的場(chǎng)景，同時(shí)，將當前的水溫、時(shí)速、發(fā)動(dòng)機轉速和油量傳送給控制系統，以改變儀表盤(pán)的指示?？刂葡到y原理圖如圖1 所示。

圖1 控制系統原理圖

　　計算機采樣數據的程序是用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)。為了數據的準確性，采集數據每20ms 刷新一次。這樣每20ms 檢測一次點(diǎn)火裝置、離合裝置、腳剎裝置、手剎裝置、油門(mén)裝置、檔位裝置的狀態(tài)，并將檢測結果傳送給計算機。在駕駛的過(guò)程中，由于方向盤(pán)在不停的轉動(dòng)，這就要求程序能夠實(shí)時(shí)的檢測出方向盤(pán)的方向和角度。

　　二、方向盤(pán)的位置檢測

　　在實(shí)際設計過(guò)程中，要判斷方向盤(pán)的轉向以及轉動(dòng)角度，也就是說(shuō)首先要判斷左轉還是右轉，然后判斷轉的角度。方向盤(pán)的轉動(dòng)方向和轉動(dòng)角度示意圖如圖2 所示，選用兩個(gè)光電感應開(kāi)關(guān)JK122，安裝在轉盤(pán)旁邊，x1 和x2 處為兩個(gè)光電感應開(kāi)關(guān)所放位置，當轉盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，有齒擋住光電感應開(kāi)關(guān)，則輸出為1，反之輸出為0。

圖2 方向盤(pán)的轉動(dòng)方向和轉動(dòng)角度示意圖

　　假設任意兩齒之間距離為d，只要x1 和x2 之間距離不等于n/2.d（n 為任意整數），則轉盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，x1、x2 兩處的輸出波形就將如圖3 所示。

圖3 x1 和x2 處的輸出波形

　　由此可見(jiàn)，假設x1、x2 的初始狀態(tài)都為0，則正轉時(shí)其狀態(tài)變化為00—01—11—10—00， 而反轉時(shí)狀態(tài)變化為00—10—11—01—00。只要知道x1、x2 的當前狀態(tài)和下一狀態(tài)，即可知道此時(shí)方向盤(pán)的轉向了。我們在設計時(shí)要判斷好初始狀態(tài)為00 這種情況。將x1、x2 信號分別接到兩個(gè)T 觸發(fā)器的輸入端上，并將反向后的信號作為觸發(fā)器的清零信號。當初始狀態(tài)為00 時(shí)，兩個(gè)觸發(fā)器輸出都為0，如果后一狀態(tài)為01，則觸發(fā)器T1 輸出為1，表示正轉；如果后一狀態(tài)為10，則觸發(fā)器T2 輸出為1，表示反轉。由于緊接著(zhù)的狀態(tài)肯定是11，所以觸發(fā)器清零后，等到狀態(tài)為00 又可以重新開(kāi)始判斷。判斷轉向后，還要判斷轉動(dòng)的角度。在這里我們又加入兩個(gè)T 觸發(fā)器T3 和T4，當輸入x1、x2 的狀態(tài)從11 變化到10，觸發(fā)器T3 輸出為1，反之，如果從11 變化到01，觸發(fā)器T4 輸出為1。最后，將四個(gè)觸發(fā)器的輸出信號相或后作為時(shí)鐘信號送到計數器中，并將T1、T3 的輸出信號相或后作為計數器的輸入信號，于是當方向盤(pán)正轉時(shí)計數器向上累加，而反轉時(shí)則向下遞減，最后通過(guò)讀出計數器的輸出數據即可得知方向盤(pán)的轉動(dòng)角度。本文采用CPLD 技術(shù)設計控制電路，原理圖如圖4 所示。

圖4 CPLD 設計原理圖

由圖可知，CPLD 技術(shù)設計一般是一種“自頂而下”的設計，其設計過(guò)程如下：

　?。?）行為設計；確定所設計的系統或CPLD 芯片的功能、性能及允許的芯片面積或成本。

　?。?）結構設計；根據該系統或CPLD 的特點(diǎn)，將其分解為接口清晰、相互關(guān)系明細、盡可能簡(jiǎn)單的子系統，得到1 個(gè)總體結構。這個(gè)結構可能包括算術(shù)運算單元、控制單元、數據通道、各種算術(shù)狀態(tài)機等。

　?。?）邏輯設計；盡可能采用規則的邏輯結構或采用自己經(jīng)過(guò)考驗的邏輯單元或模塊。

　?。?）電路設計；將邏輯圖將轉換成電路圖，在很多情況下，這時(shí)需要進(jìn)行硬件仿真以最終確定邏輯設計的正確性。

　　最后，將設計好的電路經(jīng)過(guò)編譯，形成熔絲文件，將該文件下載到選定的CPLD 就成為了可以完成固定功能的ASIC 了。在整個(gè)開(kāi)發(fā)程序中，采用軟件MAX+plusII 編程可實(shí)現，選用Altera 公司生產(chǎn)的芯片EPM7128SLC84-15 。

　　三、控制系統的軟件設計

　　本系統軟件部分由檢測主程序、驅動(dòng)儀表程序和方向盤(pán)等開(kāi)關(guān)量輸入程序組成。檢測主程序包括數據采集模塊、CPLD 模塊，并且分配給儀表和開(kāi)關(guān)量輸入不同的端口。在端口的初始化中將所有初始狀態(tài)設置為0，通過(guò)軟件的定時(shí)器掃描，各端口的狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳給主程序，其主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖

　　采用VC++語(yǔ)言將硬件中的狀態(tài)、角 度等數據交互信息做成一個(gè)硬件連接庫，它作為橋梁，把硬件所有的操作與軟件部分的視景系統緊密的結合在一起，成為一個(gè)完整的汽車(chē)駕駛模擬訓練系統。

　　4、結束語(yǔ)

　　該系統運用CPLD技術(shù)，充分地考慮了方向盤(pán)、離合器、腳剎、手剎、油門(mén)、換檔的相應時(shí)間，通過(guò)協(xié)議，與軟件部分的視景系統緊密的結合在一起。并且通過(guò)本文設計的實(shí)例可以看出，合理地應用CPLD技術(shù)，大大提高了系統設計的靈活性，提高了系統的可靠性和集成度，縮短了產(chǎn)品研制的周期，同時(shí)還可以降低設計成本，節省PCB板的面積和布線(xiàn)難度。因此，在目前的電子設計中，充分利用CPLD的設計體系結構將起到事半功倍的效果。目前，控制系統已經(jīng)制作出了推廣應用，取得了良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益，受到了學(xué)員的一致好評。本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：整個(gè)硬件控制系統很多的研究人員主要采用單片機結合串口、并口進(jìn)行通訊。由于單片機分配地址、布線(xiàn)較繁瑣，可靠性不強，單片機與單片機之間的數據交換也存在一定的局限性。我們采用了CPLD 技術(shù)、數據采集模塊能夠很方便的對硬件部分的點(diǎn)火情況、方向盤(pán)轉過(guò)的角度、旋轉方向、離合器、腳剎、手剎、油門(mén)、檔位的狀態(tài)進(jìn)行編譯操作，及時(shí)進(jìn)行數據交換，大大提高了控制系統的可控性和可靠性，降低了生產(chǎn)周期和成本。

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