潘盛輝，何潤東，韓峻峰，孟德良，董勝利

（1.廣西工學院電子信息與控制工程系，柳州545006；2.廣西機電職業(yè)技術(shù)學院）

引 言

汽車的二自由度橫擺角速度與側(cè)向加速度這兩個參數(shù)對汽車的穩(wěn)定性分析具有重要作用，是汽車主動安全的重要組成部分，可以通過預測與實測兩種方式獲得。為了得到更真實的數(shù)據(jù)，本文設計了基于ARM微控制器和ADIS16355傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實車測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，并且對數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波方法進行處理。

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系如圖1所示。

汽車X、Y、Z三個方向的旋轉(zhuǎn)角速度與加速度可通過ADIS16355傳感器測得，測得的數(shù)據(jù)通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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。

圖1 汽車三維坐標系

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)模塊介紹

2.1 LPC2119簡介

ARM是指精簡指令集的微處理器，具有高性能、廉價、低耗能的特點，在各個領域得到了廣泛的應用。該系統(tǒng)采用的是ARM7系列的LPC2119微控制器［1］。LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI－S內(nèi)核的微控制器，并帶有128KB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)模有嚴格控制的應用可使用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32位定時器、4路10位ADC、2路CAN總線、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷，功耗低，性能強大，特別適用于汽車、工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護總線。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用。

2.2 ADIS16355簡介

ADIS16355傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器［2］，具有體積小、功能強、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)字校準以及SPI協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。在三維直角坐標系X、Y、Z中，陀螺儀與加速度傳感器首先感應到物體的運動，分別測得運動物體X、Y、Z三個方向的旋轉(zhuǎn)角速度與加速度，三個方向旋轉(zhuǎn)角速度的測量范圍分別為±75°／s、±150°／s、±300°／s，加速度的測量范圍都為±10g，有效數(shù)據(jù)位都為14位。它具有很高的分辨率［3］，其中旋轉(zhuǎn)角速度的最低分辨率為0.073 26，三個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5V，直接輸出16位的數(shù)字信號，通過SPI通信協(xié)議傳送。ADIS16355的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 ADIS16355傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2.3 SPI協(xié)議簡介

SPI協(xié)議是Motorola公司制定的全雙工串行通信協(xié)議［3］，具有傳送速度快、協(xié)議簡單的特點。通信只需要四根線，即SCK（時鐘）、SSEL（從機選擇）、MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）；最高傳送速率可以達到系統(tǒng)工作頻率的1／8，并且已經(jīng)得到了廣泛的應用。ADIS16355也是通過SPI協(xié)議來傳送［3］。首先把LPC2119中集成的SIP控制器設置為主機，把傳感器的SPI接口設置為從機，把它們的接線對應連接起來從機選擇端，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的地址發(fā)送到從控制器中。SPI時序圖如圖4所示。

圖4 SPI時序圖

由于傳感器ADIS16355輸出的數(shù)據(jù)是16位的，所以傳送數(shù)據(jù)也是以16為周期。最高位代表讀寫控制位，如果為0代表向傳感器中寫入命令，為1則代表從傳感器中讀出當前狀態(tài)；次高位為0，緊接著的6位代表對應寄存器的地址，最后面8位不關(guān)心。注意，在這個地址下讀出來的數(shù)據(jù)是對應上一個地址的數(shù)據(jù)；與此同時從控制器把對應的采集到的16位數(shù)據(jù)發(fā)送到主機中去。

3 系統(tǒng)軟件設計與數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)針對汽車二自由度的數(shù)據(jù)采集，而汽車二自由度是指汽車橫擺角速度與側(cè)向加速度，所以利用ADIS16355傳感器采集這兩個數(shù)據(jù)。由ADIS16355的說明書可知，反映橫擺角速度的寄存器的地址為0x08或0x09，而側(cè)向加速度對應的寄存器地址為0x0A或0x0B，要想得到汽車橫擺角速度與側(cè)向加速度，按照時序讀出相應寄存器地址的數(shù)據(jù)即可。其工作流程如圖5所示。

圖5 ARM讀取ADIS16355流程圖

通過串口可以讀取Y軸的側(cè)向加速度與X軸的橫擺角速度，如表1所列。

然而汽車運行中不可避免會受到其他因素的干擾，采集到的數(shù)據(jù)可能存在一定程度上的失真性，因此需要找出干擾源的類型，從而選擇適當?shù)姆椒ò央s波濾掉，得到相對準確的數(shù)據(jù)。為此設計汽車怠速與正常運行兩種模式。汽車在怠速狀態(tài)下，由于汽車是相對靜止狀態(tài)，理論上測到的汽車橫擺角速度與側(cè)向加速度為0，然而由于存在其他的干擾因素，因而實際測得的數(shù)據(jù)并不為0。通過對測試數(shù)據(jù)的分析可以得到干擾源的類型，從而根據(jù)干擾類型而設計出相應的濾波方式。下面分別就汽車的怠速模式與正常運行模式兩種運動方式具體分析。

3.1 汽車怠速模式

汽車怠速模式是指發(fā)動機處于啟動狀態(tài)，但是汽車處于停止不前的狀態(tài)，可以測得相應的數(shù)據(jù)。這里以汽車的橫擺角速度數(shù)據(jù)進行分析，取了2 500個采樣點，利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性對數(shù)據(jù)分別求均值、協(xié)方差與功率譜密度，求得的均值為－7.7682e－005，近似為0。為了直觀，把采集到的源數(shù)據(jù)、協(xié)方差與功率譜密度通過MATLAB［4］作圖的方式顯示出來，如圖6所示。

由圖可知，自相關(guān)函數(shù)只有在橫坐標為0時候才有取值，功率譜密度分布比較均勻，而且采集到的數(shù)據(jù)均值近似為0，這與高斯白噪聲的統(tǒng)計特性相似，因而斷定干擾源類型為高斯白噪聲。

圖6 橫擺角速度、自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度波形圖

3.2 汽車正常運行模式

圖7 汽車側(cè)向加速度與橫擺角速度波形圖

圖8 斷點功能測試圖

汽車正常運行模式是汽車勻速行駛在水平、干燥、水泥路面上，測得此時的汽車橫擺角速度與側(cè)向加速度。從傳感器采集到的數(shù)據(jù)不可避免地受到干擾源的影響，由上面給出的結(jié)論可知干擾源類型為白噪聲?？柭鼮V波前的數(shù)據(jù)與濾波后的數(shù)據(jù)如圖7所示?？柭鼮V波對 白噪聲具有很好的濾波能力［5］，它的濾波原理是最小均差原理，并且當前的數(shù)據(jù)只與前一個數(shù)據(jù)有關(guān)，數(shù)據(jù)存儲量小，有利于計算機求解，所以選用卡爾曼濾波方式對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，從而得到相對準確的數(shù)據(jù)。這里采集了10 000個數(shù)據(jù)點。

由圖7可以看到，通過卡爾曼濾波后，曲線更加平滑，有效地剔除了雜波，從而為控制系統(tǒng)提供更準確的數(shù)據(jù)。

結(jié) 語

本文采用ARM微控制器和ADIS16355傳感器設計了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但能夠采集汽車的橫擺角速度與側(cè)向加速度兩個參數(shù)，而且用卡爾曼濾波方式對采集到的數(shù)據(jù)濾掉了雜波，使得到的數(shù)據(jù)更為準確。經(jīng)分析表明，該設計方案是可行的。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在汽車主動安全方面有很好的應用價值，能為汽車穩(wěn)定性分析供準確的數(shù)據(jù)。

［1］周立功．ARM微控制器基礎與實踐［M］．北京航空航天大學出版社，2005:161－168，223－225．

［2］王建東，劉云輝，樊瑋虹，等．MEM傳感器的慣性測量模塊的設計與初始校準［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（10）:82－85．

［3］ADI．Tri－Axis Inertial Sensor AD IS16355數(shù)據(jù)手冊，2007．

［4］劉保柱，蘇彥華，張宏．MATLAB 7．0從入門到精通［M］．北京:人民郵電出版社，2010．

［5］付夢印，鄧志紅，閆莉萍．Kalman濾波理論及其在導航系統(tǒng)中的應用［M］．北京:科學出版社，2010．