汽車碰撞實(shí)驗(yàn)車載測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)

在汽車被動(dòng)安全性研究中，碰撞實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)，而通過合適的測(cè)量技術(shù)取得整車或零部件和模型假人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能保證實(shí)驗(yàn)的成功。汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中的電測(cè)量技術(shù)主要有兩大類:一類是拖長(zhǎng)線測(cè)量方式;一類是車載數(shù)據(jù)采集。隨著研究的深入和對(duì)測(cè)量技術(shù)要求的提高，對(duì)后一種測(cè)量方式的需求更加迫切。

汽車碰撞實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)高速大沖擊的實(shí)驗(yàn)，車載測(cè)試系統(tǒng)需要具備能承受大沖擊、通道數(shù)多、大容量數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)及觸發(fā)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。國外的碰撞實(shí)驗(yàn)車載測(cè)試系統(tǒng)已形成比較成熟的產(chǎn)品，但價(jià)格相當(dāng)昂貴。而國內(nèi)的測(cè)試設(shè)備也都是在各自領(lǐng)域研制，不適合在碰撞實(shí)驗(yàn)的惡劣環(huán)境條件下使用。

數(shù)據(jù)采集板是這種車載測(cè)試設(shè)備的核心，本文比較深入研究了一種用于該車載設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集板。按照正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則(CMVDR294)中對(duì)測(cè)試儀器的規(guī)定，將本車載測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板每個(gè)通道采樣頻率設(shè)計(jì)為10kHz，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量采用12位的數(shù)字長(zhǎng)度?？紤]到信號(hào)后續(xù)分析處理的需要，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使各通道信號(hào)采集完全同步。

1 數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)原理

車載測(cè)試系統(tǒng)采用多塊數(shù)據(jù)采集板并行工作的方式，由單獨(dú)主模塊負(fù)責(zé)觸發(fā)判斷。每個(gè)數(shù)據(jù)采集板作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)獨(dú)立子模塊，使用單獨(dú)的MCU完成采集板的控制工作。同類采集板中大多是用一塊A/D芯片負(fù)責(zé)一路通道信號(hào)采集來滿足同時(shí)性的要求，但這樣使大數(shù)目通道擴(kuò)展很困難，并且使整個(gè)系統(tǒng)很龐雜，降低了碰撞時(shí)的可靠性。在本板設(shè)計(jì)中每塊數(shù)據(jù)采集板使用一塊A/D芯片實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道信號(hào)的同步采集。這樣通過減少芯片數(shù)量使采集板的可靠性得到提高。采集板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

在測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集板不斷把傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，循環(huán)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集板的存儲(chǔ)器中。當(dāng)數(shù)據(jù)采集板接收到控制模塊產(chǎn)生的碰撞結(jié)束信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，停止數(shù)據(jù)采集，等待與地面微機(jī)的通信。

2 硬件組成

2.1 MCU和地址空間

數(shù)據(jù)采集板的MCU采用MOTOROLA公司的高檔8位單片機(jī)MC68HC-711E9[3]，這種單片機(jī)在汽車的復(fù)雜工況下有著廣泛的應(yīng)用，并且在某安全氣袋控制器中也得到了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐證明它的耐沖擊性符合本數(shù)據(jù)采集板的要求。它在擴(kuò)展模式下有8根數(shù)據(jù)線和16根地址線，可以尋址64KB的空間。這種MCU對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的尋址是統(tǒng)一的，都在這64KB空間內(nèi)，通過設(shè)置相關(guān)寄存器重新安排單片機(jī)的RAM區(qū)和寄存器區(qū)，使在配置后的地址空間中＄0000～＄CFFF是連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)。

但是受單片機(jī)最大尋址64KB的限制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間很小。由于每塊數(shù)據(jù)采集板要存儲(chǔ)四個(gè)通道模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量必須有足夠大才能保證存儲(chǔ)較長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)。為此使用了兩片512KB的SRAM芯片628512作為外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCU只有16根地址線，所以采用分頁擴(kuò)展存儲(chǔ)器技術(shù)，用4根PORT A的輸出端口線，使每片628512形成8個(gè)64KB的頁面。在每個(gè)頁面上＄0000～＄CFFF可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。從而系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是16×52=832KB，即每個(gè)通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量是208KB。若采樣速率以10kHz計(jì)算，而每個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果為12bit，最大占用2個(gè)字節(jié)空間，所以系統(tǒng)可以保存的每個(gè)通道數(shù)據(jù)時(shí)間是208÷(10×2)=10.4s，滿足系統(tǒng)要求。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中采用EGG公司的壓阻式傳感器，它內(nèi)部集成了穩(wěn)壓裝置，還具有溫度補(bǔ)償功能，自帶放大，使傳感器的輸出范圍變成了±2V。本信號(hào)調(diào)理電路首先對(duì)傳感器的信號(hào)放大2倍，這樣傳感器的信號(hào)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(tǒng)的轉(zhuǎn)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(shù)可以在檔位1、2、5、10間調(diào)節(jié)，這樣在不同沖擊強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)中都可使信號(hào)轉(zhuǎn)換的分辨率較高。放大后的信號(hào)還被MAX291構(gòu)成的程控濾波器濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換電路。按碰撞法規(guī)要求，濾波頻率設(shè)定為2kHz。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

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

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

MAX120的輸入阻抗為6kΩ，如果A/D芯片與多路開關(guān)直接連接，輸入信號(hào)在多路開關(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/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(hào)在多路開關(guān)上引起的壓降誤差只有緩沖器本身近于零內(nèi)阻，保證了信號(hào)在傳輸?shù)紸/D芯片的輸入端不會(huì)引起大的失真。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用這一方式大大提高了系統(tǒng)的精度。

由于數(shù)據(jù)采集板只用了一塊A/D芯片，為了保證各路信號(hào)的轉(zhuǎn)換都同步，設(shè)計(jì)中在多路開關(guān)之前給每路信號(hào)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(hào)使各通道信號(hào)被同時(shí)采樣后進(jìn)入保持狀態(tài)，隨后多路開關(guān)逐步選通每一路模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)工作時(shí)序如圖3所示。

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

STAA ＄DFF0，CHANEEL

當(dāng)這條指令執(zhí)行時(shí)，譯碼形成的LAE與E時(shí)鐘信號(hào)的邏輯組合使LE呈高電平，選通74HC373，數(shù)據(jù)總線上的通道號(hào)CHANEEL(對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)總線的AD2、AD1、AD0)和多路開關(guān)控制信號(hào)MEN通過74HC373分別出現(xiàn)在MAX308的地址選擇端和控制端，對(duì)應(yīng)通道的模擬信號(hào)經(jīng)過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(hào)和控制信號(hào)MEN，選中通道的模擬信號(hào)始終保持在MAX308輸出端，直到下次通道選擇指令被執(zhí)行。

MAX308的一路被選通的同時(shí)， LAE信號(hào)還與寫信號(hào)2Y2進(jìn)行邏輯組合作為A/D轉(zhuǎn)換器MAX120的啟動(dòng)信號(hào)。考慮到被選中通道的模擬信號(hào)出現(xiàn)在MAX308輸出端需要一定的建立時(shí)間才能達(dá)到合適精度，同時(shí)工作在方式1下的MAX120其內(nèi)部采樣保持器也需要一定的采樣時(shí)間(350納秒)來捕捉輸入模擬信號(hào)，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(zhuǎn)換結(jié)果的精度。為此設(shè)計(jì)中選擇了使LAE與2Y2信號(hào)相或，再通過兩片MXD1000延遲芯片延時(shí)400納秒作為A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)CON。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，MCU通過與PA0管腳相連的信號(hào)判斷轉(zhuǎn)換完成。在讀數(shù)據(jù)指令執(zhí)行的同時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀信號(hào)2Y3控制，通過總線緩沖器74HC245送入MCU的數(shù)據(jù)總線，被讀入MCU后再寫入存儲(chǔ)器單元。

2.4 存儲(chǔ)單元

設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元選用了兩片RAM芯片628512?？紤]到實(shí)際實(shí)驗(yàn)是大強(qiáng)度撞擊，使用時(shí)用非易失性SRAM來代替。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(nèi)置鋰電池，在無外部供電的情況下數(shù)據(jù)能保存相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。這樣就保證了即使實(shí)驗(yàn)中遇到大沖擊強(qiáng)度使系統(tǒng)電源斷掉的情況，也可以把實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)保存下來，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

3 采集板軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集板軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:完成對(duì)模擬量的采樣和存儲(chǔ);與PC機(jī)聯(lián)機(jī)通訊。主程序流程如圖4所示。在設(shè)置采樣參數(shù)后，數(shù)據(jù)采集板對(duì)4路模擬信號(hào)進(jìn)行一次循環(huán)采樣，存儲(chǔ)結(jié)束后根據(jù)采樣結(jié)束標(biāo)志判斷是否已完成數(shù)據(jù)采集工作。其中采樣結(jié)束標(biāo)志是在主模塊判斷觸發(fā)后、數(shù)據(jù)采集板中的外中斷(IRQ)響應(yīng)時(shí)，執(zhí)行中斷子程序時(shí)設(shè)置的。在采集過程中，程序把采集到的數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)，每當(dāng)所設(shè)地址指針到達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)底部時(shí)，設(shè)定其重新指向存儲(chǔ)區(qū)頂部，用重新存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)刷新原來的數(shù)據(jù)。采樣結(jié)束后在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)最后一次的采樣數(shù)據(jù)之后存儲(chǔ)連續(xù)＄0F個(gè)＄FF，作為采樣結(jié)束的標(biāo)志。數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機(jī)之后，在數(shù)據(jù)處理中可根據(jù)連續(xù)的＄0F個(gè)＄FF標(biāo)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(chǔ)方式在有限的存儲(chǔ)空間內(nèi)最大長(zhǎng)度地保存了所需要的碰撞時(shí)刻前后的波形。

聯(lián)機(jī)通訊軟件的作用是在實(shí)驗(yàn)之前設(shè)定采樣參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)之后把每塊數(shù)據(jù)采集板存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機(jī)。

本文介紹了自行研制的用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)車載測(cè)試設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集板。該數(shù)據(jù)采集板具有以下特點(diǎn):①采集板使用單獨(dú)的MCU控制，構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中不需要地面微機(jī)的干預(yù);②用一片A/D芯片實(shí)現(xiàn)四通道同步高速數(shù)據(jù)采集，文中分析了其工作時(shí)序;③實(shí)現(xiàn)了碰撞實(shí)驗(yàn)在大沖擊環(huán)境下大容量數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ);④程序設(shè)計(jì)上采用了循環(huán)存儲(chǔ)的思想，最大限度地利用了存儲(chǔ)空間;⑤與其它模塊一起可以構(gòu)成更多通道數(shù)的采集系統(tǒng)。

在整個(gè)板卡設(shè)計(jì)中沒有采用任何可調(diào)節(jié)的元器件，在系統(tǒng)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(tǒng)的耐沖擊性和可靠性。在與原有測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于相同輸入信號(hào)，使用該數(shù)據(jù)采集板的車載測(cè)試系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的采集結(jié)果體現(xiàn)了很高的一致性，滿量程的誤差小于0.8%，符合系統(tǒng)的精度要求，取得了較好的效果。同時(shí)這一數(shù)據(jù)采集板還可以應(yīng)用在其它需要高速同步采集的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中。