基于加速度计的汽车动力学参数采集平台设计

引言
    随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高。安全、便捷、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取。
    汽车在行驶过程中的各种路况信息是非常复杂的。在行驶过程中可作为刚性特征体来考虑，将三轴加速度计放在被测车体的某个特征点上，就可准确地采集到该特征点运动过程中在x轴，y轴，z轴的三个加速度分量。结合车体总质量可以计算出车辆的瞬时受力情况；结合车辆即时速度，可以计算出瞬时功率。采集和计算出的运动参数等信息可以进行本地的控制处理。同时，本系统支持CAN总线接口，利用该接口，可以将得到的数据发送到汽车计算机控制系统进行综合分析处理。从而使本系统可以广泛应用于汽车自动变速器，汽车安全气囊(Airbag)、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序(ESP)、电控悬挂系统等方面。

1 方案总体设计
    该采集平台需要解决数据采集、计算及通信的问题，而且由于应用环境的复杂性，需要保证系统的抗干扰性及可靠性。系统硬件结构框图如图1所示。主控制器通过ADXL330采集三个坐标轴上的加速度分量，经过分析计算后提供给本系统直接应用或通过CAN总线提供给别的应用者。

2 建立汽车运动模型
    汽车在路面上的运行环境是非常复杂的，受到的振动频率分布很宽，一般情况下车辆的振动频率范围可分为如下几种情况：
    刚体运动：0～15 Hz；
    结构振动，板件共振：15～150 Hz；
    噪声及啸鸣：150 Hz以上。
    汽车典型的共振频率范围通常为：
    车身共振频率：1～1．5 Hz；
    车轮跳动：10～12 Hz；
    座椅上的乘客：4～6 Hz；
    悬置的动力总成：10～20 Hz；
    结构共振频率：大于20 Hz；
    轮胎共振频率：30～50 Hz和80～100 Hz。
    在研究车辆的运动时，主要研究的对象一般包括车辆的运动速度、运动位移、瞬时加速度、瞬时功率、瞬时驱动力等。而以上各项参数，均可通过对被测点的加速度计算得出。车体在空间位置的加速度如图2所示。

    车辆瞬时驱动力F=ma。其中，F为车辆的瞬时驱动力；m为车体总质量；a为运动加速度。
    速度。其中，v为运动速度；v0为初始速度；为加速度对时间的积分。
    瞬时功率P=Fv。
    ADXL330是一个三轴(x轴，y轴和z轴)模拟输出的加速度传感器，通过ADXL330能够测量出任意时刻三个方向的加速度分量。通过测量得到的加速度分量可以计算出车辆的运行状态，动力学参数等信息。

3 硬件设计
3．1 电源设计
    汽车的用电设备所需电能有两个来源：发电机和蓄电池，输出的额定电压为12 V。本设计中采用LM2575开关稳压器和LM1117低压差线性稳压器将12 V输入电压转换为5 V和3．3 V的供电电源。电源设计原理图如图3所示。

    LM2575是美国国家半导体公司生产的1 A集成稳压电路，电压输入范围宽为7～40 V，电流输出最大可达1 A；同时内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。
    LM1117为低压差线性稳压器，其压差典型值仅为1．2 V，输出电压精度高达±1％。输出的3．3 V电源提供给主控制器使用，为保证电源系统的稳定性，输出端需要添加一个10μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
3．2 主控制器电路设计
    系统主控制器采用MC9S12DJ256单片机，它是Freescale公司基于16位HCS12内核制造的高速、高性能、低功耗的芯片。它使用了锁相环技术和内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。
    MC9S12DJ256单片机的主频高达25 MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉／输出比较定时器、2个10位8通道A／D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、兼容CAN 2．0A／B协议的2个CAN模块以及一个内部I2C总线模块；片内拥有256 KB的FLASH E2PROM，12 KB的RAM及4 KB的E2PROM，资源十分丰富，可满足本方案设计要求。主控制器电路如图4所示。

3．3 数据采集电路设计
    ADXL330支持对输出进行低通滤波。可以通过调整输出引脚接地电容的大小来设置。输出带宽主要是由RFILT，Cxyz的大小决定的。-3dB的带宽计算公式如下：
    
    可简化为：
   
    电阻RFILT的标称值为32 kΩ，位于芯片内部，偏差在±15％。Cxyz的最小值不能小于0．004 7μF。
    由于汽车在路面上的的振动频率一般在1～100 Hz的范围内，则可选取滤波电容Cxyz的值为0．05μF，从而实现带宽为100 Hz的低通滤波。电路如图5所示。为了滤除供电电源产生的噪声，需要在加速度计的电源Vs和Com之间接一只0．1μF的电容。
3．4 CAN总线传输电路设计
    PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收能力，与ISO11898标准完全兼容，并具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的能力。它主要是为汽车中高速通信(高达1 Mb／s)应用而设计。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，MC9S12DJ-256的CANTX0和CAN-RX0并不直接和收发器PCA82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦TLP113隔离后再和PCA82C250相连，这样就可以实现各CAN节点间的电气隔离，提高系统的稳定性和安全性。其电路原理如图6所示。

4 软件设计
    ADXL330的输出为模拟电压信号，可直接进行A／D采样。当电源电压发生变化时，输出的相关参数也会变化，本文电源电压为3.3 V，比率因子电压加速度比为330mV／g，加速度为0时的输出电压约为0.5Vs(Vs为电源电压)。所以，将x轴输出信号Xout，换算成对应加速度ax为：
   
    由于传感器在使用中会存在随机干扰，这些干扰会影响测量精度。本文采用简单的平均值滤波法降低干扰对系统的影响，取最近5次采样的平均值为最终采样值，采样流程图如图7所示。

    报文的收发由CAN控制器根据CAN协议规范自动完成。由于MC9S12DJ256的CAN控制器拥有3级缓冲，所以可以发送多组数据完成实时操作。需要发送数据时，CPU根据TXEx位来确定可用的缓冲区，然后将报文写入发送缓冲区，并置位控制寄存器中的发送标志；由CAN控制器自动完成发送。CPU收到报文时会触发中断，在中断处理函数中将接收到的报文写入接收队列。CAN收发流程如图8所示。

5 结语
    本文设计了一种基于加速度计ADXL330的汽车动力学参数采集平台，介绍了其软硬件结构。通过该系统，实现了与汽车运行相关的动力学数据的采集和计算。同时，采用高性能的控制器芯片使系统功耗低，计算性能高，运行稳定可靠。对系统进行较少的改动就能很好地应用于汽车自动变速器、汽车安全气囊(Air-bag)、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序(ESP)等方面，具有很强的技术适用性和开发前景。