劉罡,馮敏亮,張春鵬

(合肥學(xué)院機(jī)械工程系,合肥 230601)

劉罡(碩士),研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制理論與應(yīng)用;馮敏亮(碩士)、張春鵬(碩士),主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)集成制造技術(shù)。

引 言

汽車(chē)傳感器[1]是汽車(chē)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置,它把汽車(chē)運(yùn)行中各種工況信息,如車(chē)速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等,轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī),以便汽車(chē)運(yùn)行處于最佳工作狀態(tài)。自20世紀(jì)80年代以來(lái),傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大,它們?cè)谄?chē)電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(包括輪速傳感器、陀螺儀以及剎車(chē)處理器)、車(chē)道偏離警告系統(tǒng)和盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)(包括雷達(dá)、紅外線或者光學(xué)傳感器)各個(gè)方面都得到了應(yīng)用。

車(chē)速傳感器是汽車(chē)傳感器中基礎(chǔ)而且重要的一部分。車(chē)速是汽車(chē)道路實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù),它與車(chē)輪力、踏板力和車(chē)輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)相結(jié)合,對(duì)整車(chē)動(dòng)態(tài)性能的分析、制動(dòng)系統(tǒng)的性能匹配和ABS防抱死系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),以及操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有著重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

為了獲取車(chē)速參數(shù),本文作者設(shè)計(jì)了車(chē)速信號(hào)采集的軟硬件,提出的車(chē)速采集方法無(wú)論在低速測(cè)量還是高速測(cè)量,都可較好地兼顧測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性,為進(jìn)一步研究整車(chē)動(dòng)態(tài)性能提供保證。

1 信號(hào)采集硬件電路

1.1 車(chē)速信號(hào)處理硬件電路

車(chē)速傳感器安裝于變速器的輸出端外殼上[2],其轉(zhuǎn)軸外端為蝸桿,與變速器輸出軸得渦輪嚙合,渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)車(chē)速傳感器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。車(chē)速傳感器主要用于測(cè)定車(chē)輛的行駛速度,向ECU傳送車(chē)速電信號(hào),用于汽車(chē)整車(chē)動(dòng)態(tài)性能的控制。采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)硬件原理圖

1.2 LPC2129的捕獲功能介紹

LPC2129微控制器[3]是NXP公司32位單片機(jī)中的一種,其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)包括:中央處理器單元(CPU)、2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I(mǎi)2C接口(400 kHz)和2個(gè)SPI接口、8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器、8通道脈寬調(diào)制模塊以及46個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O接口。在片內(nèi)還擁有256 KB的Flash ROM、16 KB的RAM。LPC2129具有2個(gè)功能強(qiáng)大的定時(shí)器、32位可編程預(yù)分頻器、4路捕獲通道、4個(gè)匹配寄存器、4個(gè)匹配輸出通道。捕獲通道如圖2所示。

圖2 LPC2129捕獲通道

1.3 計(jì)算方法

常用的速度計(jì)算方法有3種:頻率法、周期法、多倍周期法。頻率法是通過(guò)測(cè)量給定時(shí)間內(nèi)的輪速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算輪速,周期法通過(guò)測(cè)量被測(cè)脈沖寬度來(lái)計(jì)算車(chē)速。

本文所采用的速度采集算法類似于周期法。設(shè)置一個(gè)時(shí)間閘門(mén)Ts,通過(guò) PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)。CAP的第一個(gè)通道在時(shí)間Ts內(nèi)可以記下每次中斷的當(dāng)前時(shí)間,并放在寄存器CAP_DATA中。記錄下來(lái)的值是內(nèi)部定時(shí)器1的當(dāng)前值,當(dāng)晶振頻率為11.059 2 MHz時(shí),定時(shí)器1的內(nèi)容每90 ns增1個(gè)。用最后一次中斷的實(shí)時(shí)時(shí)間減去第一次中斷的實(shí)時(shí)時(shí)間即為實(shí)際的采樣時(shí)間Td。

采用周期法計(jì)算車(chē)速N的公式:

式中:N的單位為r/min,n為采樣時(shí)間內(nèi)獲得的脈沖總數(shù),Td為實(shí)際采樣時(shí)間,單位為ms。

本文采用的車(chē)速計(jì)算公式:

式中:V的單位為km/h,i為主減速比3.6,CR為車(chē)輪每轉(zhuǎn)一圈所走過(guò)的距離,單位為km/h。

2 軟件設(shè)計(jì)

車(chē)速傳感器的工作原理[4]是把變速器蝸桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào),每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生4次脈沖信號(hào)。為了檢測(cè)脈沖信號(hào),同時(shí)也能對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,可采用查詢法或中斷法。查詢法即通過(guò)查詢,確認(rèn)定時(shí)器已記錄有效事件后再行讀取。中斷法即利用程序控制的方法,在FIFO溢出或保持寄存器已加載時(shí)產(chǎn)生中斷,在服務(wù)程序中讀取定時(shí)器中已記錄的信息并進(jìn)行處理,以得到車(chē)速并輸出到顯示器。

本系統(tǒng)采用的是中斷法,輸入引腳的事件方式采用正負(fù)跳變?cè)诓煌ǖ啦杉Ｓ捎谄邢?只給出車(chē)速信號(hào)采集代碼。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖3可得出,采集的車(chē)速與儀表指示車(chē)速存在一定的誤差。

圖3 時(shí)間-車(chē)速變化關(guān)系

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):汽車(chē)用車(chē)速表GB15080—19999,指示車(chē)速與實(shí)際車(chē)速誤差關(guān)系式:

式中:V1是指示車(chē)速,V2是實(shí)際車(chē)速。所采集的數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi),如表1所列。

表1 車(chē)速采集數(shù)據(jù)及誤差

結(jié) 語(yǔ)

整車(chē)動(dòng)態(tài)性能研究是一個(gè)綜合性的課題,車(chē)速信號(hào)的采集和計(jì)算是必不可少的工作。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,本文設(shè)計(jì)的基于LPC2129的車(chē)速信號(hào)采集系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)正確,采用的算法合理,滿足科研要求。

[1]顧柏良.BOSH汽車(chē)工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[4]苗玲玉.傳感器應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,2008.