汽車二自由度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
汽車的二自由度橫擺角速度與側(cè)向加速度這兩個(gè)參數(shù)對(duì)汽車的穩(wěn)定性分析具有重要作用，是汽車主動(dòng)安全的重要組成部分，可以通過預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)兩種方式獲得。為了得到更真實(shí)的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了基于ARM微控制器和ADIS16355傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實(shí)車測(cè)試得到了汽車的橫擺角速度與側(cè)向加速度的數(shù)據(jù)，分析了干擾源，并且對(duì)數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波方法進(jìn)行處理。

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

汽車X、Y、Z三個(gè)方向的旋 圖1 汽車三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角速度與加速度可通過ADIS16355傳感器測(cè)得，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過SPI串行通信協(xié)議把采集到的數(shù)據(jù)傳送到控制器中，這里只取側(cè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)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(yīng)用。該系統(tǒng)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(nèi)核的微控制器，并帶有128 KB的高速Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼的ARM方式能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行；對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過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、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，功耗低，性能強(qiáng)大，特別適用丁汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。由于內(nèi)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(zhuǎn)換器以及其他各種類型的應(yīng)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(qiáng)、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(zhuǎn)換器、數(shù)字校準(zhǔn)以及SPI協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。在三維直角坐標(biāo)系X、Y、Z中，陀螺儀與加速度傳感器首先感應(yīng)到物體的運(yùn)動(dòng)，分刖測(cè)得運(yùn)動(dòng)物體X、Y、Z三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角速度與加速度，三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)量范用分別為±75°／s、±150°／s、±300°／ s，加速度的測(cè)量范圍都為±10g，有效數(shù)據(jù)位都為14位。它具有很高的分辨率，其中旋轉(zhuǎn)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，基本能滿足用戶的需求。它的工作電壓為5 V，直接輸出16位的數(shù)字信號(hào)，通過SPI通信協(xié)議傳送。ADIS16355的結(jié)構(gòu)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，即SCK(時(shí)鐘)、SSEL(從機(jī)選擇)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)；最高傳送速率可以達(dá)到系統(tǒng)工作頻率的1／8，并且已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。ADIS16355也是通過SPI協(xié)議來傳送。首先把LPC2119中集成的SIP控制器設(shè)置為主機(jī)，把傳感器的SPI接口設(shè)置為從機(jī)，把它們的接線對(duì)應(yīng)連接起來，即相當(dāng)于從控制器的從機(jī)選擇端，在通信過程中要使它一直保持低電平，處于有效狀態(tài)；然后，通過主控制器把需要采集信號(hào)的地址發(fā)送到從控制器中。SPI時(shí)序圖如圖4所示。