摘 要：通過對方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的分析，設(shè)計了轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且設(shè)計了相應(yīng)的外圍輔助電路，通過ARM讀取傳感器中的數(shù)據(jù)，對方向盤轉(zhuǎn)向角，方向盤轉(zhuǎn)向角速度以及轉(zhuǎn)動方向這三個參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這些參數(shù)為汽車自適應(yīng)前照燈控制，以及助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了方向盤轉(zhuǎn)向角相關(guān)信息，為了便于對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過串口送到上位機上，并且利用Matlab對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

關(guān)鍵詞：方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器; 數(shù)據(jù)采集; ARM; Matlab

中圖分類號：

TN919-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Data Acquisition System of Steering Wheel Angle Sensor

HE Run-dong1， PAN Sheng-hui1， HAN Jun-feng2， MENG De-liang1

(1. Department of Electronic Information and Control Engineering， Guangxi University of Technology， Liuzhou 545006， China;

2. Department of Electrical Engineering， Guangxi College of Vocational and Technical， Nanning 530007， China)

Abstract： Through the analysis of steering wheel angle sensor， data acquisition system of steering angle sensor and the corresponding external auxiliary circuit were designed. Through reading the data from sensor with ARM， the data acquisition was performed with parameters of steering wheel， steering wheel angular velocity and rotation direction. These parameters provided related information of steering wheel angle for the control of automotive adaptive headlamps and the power steering system. In order to analyze the collected data， the data of steering wheel angle sensor was sent to the host computer through the serial port， and the collected data were processed through Matlab.

Keywords： steering wheel angle sensor; data acquisition; ARM; Matlab

自適應(yīng)前照明系統(tǒng)(AFS)，是一種能適應(yīng)各種不同環(huán)境條件的智能前照燈系統(tǒng)［1-2］，獲得汽車在轉(zhuǎn)彎處的參數(shù)，如：轉(zhuǎn)向角，角速度以及轉(zhuǎn)向，是汽車前向燈自適應(yīng)控制的前提條件 ［3］。為了獲得這些參數(shù)，采用了方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器，它能測試出方向盤的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向角速度以及轉(zhuǎn)向三個參數(shù)，這幾個參數(shù)在一定程度上能反映汽車在轉(zhuǎn)彎處的行駛狀態(tài)，準(zhǔn)確地獲取這些參數(shù)具有重要意義。因而設(shè)計了基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在這個采集系統(tǒng)中方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送到ARM中，并對其進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。

1 方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向角傳感器，CAN總線和ARM 微控制器三個部分。方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器是通過CAN總線的方式傳送采集到的信號，控制器采用的是ARM微處理器［4］，系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 AFS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 ARM簡介

ARM是指精簡指令集的微處理器，具有高性能、廉價、耗能低的特點，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用的是ARM7系列的LPC2119微控制器，LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有128 KB嵌入的高速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(jié)構(gòu)使32位代碼的ARM方式能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(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非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個GPIO以及多達(dá)9個外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護(hù)總線。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們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 方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器介紹

方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器前期安裝在轉(zhuǎn)向盤軸上，轉(zhuǎn)向軸帶動編碼盤的轉(zhuǎn)動，在發(fā)光二極管照射下，形成或明或暗的圖案，通過感光元件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，經(jīng)過整形濾波后得到一系列的脈沖信號，通過單片機轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的數(shù)字信號，并通過CAN控制器發(fā)送出去，能提供方向盤轉(zhuǎn)向角的絕對位置。工作電壓是12 V，數(shù)據(jù)是通過CAN發(fā)送出去的，輸出信號為方向盤轉(zhuǎn)角，方向盤的轉(zhuǎn)動方向以及方向盤轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動角速度。

2.3 控制器的電源電路與CAN收發(fā)器電路的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括電源的設(shè)計，轉(zhuǎn)向角傳感器需要12 V電源供電，這部分由電源直接提供，LPC2119的控制器需要的5 V電源通過7805穩(wěn)壓芯片把12 V轉(zhuǎn)化為5 V，7805穩(wěn)壓芯片能夠把12 V的電壓變?yōu)? V，電容C1，C2，C3起到濾波的作用。具體電路如圖2所示。

圖2 7805硬件接線圖

由于LPC2219集成了CAN控制器，在此基礎(chǔ)上還必須接上一個CAN的收發(fā)器［5-6］，才能正常的收發(fā)數(shù)據(jù)，它實現(xiàn)的是一個電平轉(zhuǎn)換與信號差分傳送的轉(zhuǎn)換的功能。收發(fā)器采用的是PCA82C250控制器，具有差分的形式傳送數(shù)據(jù)，寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾強等特點。具體電路如圖3所示。

圖3 PCA82C250控制器的硬件接線圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計及調(diào)試

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括對轉(zhuǎn)向角傳感器接收程序的設(shè)計，即CAN總線的接收程序的設(shè)計（轉(zhuǎn)向角傳感器是通過CAN接口把數(shù)據(jù)傳送出來的），以及在上位機上利用Matlab對接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的相關(guān)程序設(shè)計。

3.1 CAN總線的接收程序設(shè)計

CAN總線是目前在汽車上應(yīng)用得最廣泛的現(xiàn)場總線之一，是目前發(fā)展比較成熟的總線［7-8］。在各個領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車領(lǐng)域，它能夠?qū)崿F(xiàn)點到點以及一點到多點的通信，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)輸出接口為CAN接口。LPC2219控制器中具有CAN的控制器，在這個系統(tǒng)中CAN的程序設(shè)計包括：CAN的初始化程序設(shè)計，CAN接收程序的設(shè)計［9］。CAN接收方式有查詢式接收和中斷式接收，查詢式接收方式總是不停地查詢接收標(biāo)志位，對控制器來說這是種浪費，中斷式接收方式是當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，控制器進(jìn)行中斷，沒有接收數(shù)據(jù)的時候ARM可以執(zhí)行其他的任務(wù)，該系統(tǒng)采用的是中斷式接收方式。具體流程圖如圖4所示。

圖4 CAN接收程序流程圖

ARM微控制器接收到的數(shù)據(jù)通過串口來顯示，并將其保存在txt的文檔里，便于在Matlab中處理。具體部分?jǐn)?shù)據(jù)如下所示：

CAN:00

FIF:08

FID:00000236

Dat:11521028AC0F3EAB

CAN:00

FIF:08

FID:00000236

Dat:11521014BC0F3E0E

接收到的信息包括：其中CAN:00表示接收的CAN通道為CAN控制器1；FIF:08表示接收的是具有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀；FID表示幀的ID號；Dat表示接收到的數(shù)據(jù)，如果是遠(yuǎn)程幀的話，則為0。

3.2 在上位機上對方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

ARM通過CAN總線把從轉(zhuǎn)向角傳感器接收的數(shù)據(jù)通過串口送到上位機上，并且以txt的格式存儲在上位機上，由于Matlab具有強大的數(shù)據(jù)處理及可視化功能，所以在上位機上利用Matlab對接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［10］。由于方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)是通過CAN總線以幀的形式進(jìn)行發(fā)送的，是一串十六進(jìn)制數(shù)字，分別代表的是轉(zhuǎn)向角傳感器采集到的方向盤轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角方向以及角速度，在實際應(yīng)用中需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，從中提取出方向盤的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角方向以及角速度。其相應(yīng)的轉(zhuǎn)向角方向以及轉(zhuǎn)向角顯示結(jié)果如圖5所示。

圖5 方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角及方向

圖5中橫坐標(biāo)N是采集的數(shù)據(jù)量，取了4 000個數(shù)據(jù)點。以采集第一個數(shù)據(jù)的時間為0時刻，以后每個數(shù)據(jù)點之間的時間間隔是10.3 ms，由于數(shù)據(jù)點比較多，橫坐標(biāo)只取了具有代表性的數(shù)據(jù)點。圖中縱坐標(biāo)分別代表的是方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器轉(zhuǎn)角的方向和大小，用藍(lán)色的點表示轉(zhuǎn)角的大小(采用弧度制)，紅色的曲線表示轉(zhuǎn)角的方向。方向盤轉(zhuǎn)向角的方向，順時針方向用1來表示，逆時針方向用0來表示，在Matlab中通過繪圖的方式把這些數(shù)據(jù)形象的顯示出來。

4 結(jié) 論

本文通過對轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，采集到了方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向角速度和方向三個參數(shù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)處理。經(jīng)分析表明，方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計是有效的、可行的，能為汽車前向燈自適應(yīng)控制提供準(zhǔn)確的方向盤轉(zhuǎn)向角相關(guān)參數(shù)信息。

參 考 文 獻(xiàn)

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