謝 波，劉 釗，朱玉田，李 根

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

車輛安全性正越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外的車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄設(shè)備大多只重視車輛的速度、位置等信息的采集，具有加速度信號(hào)的采集、記錄、分析功能的設(shè)備較少［1］。然而，加速度是研究車輛安全性最為重要的參數(shù)之一［2］。

傳統(tǒng)的車輛加速度記錄儀大多搭載基于壓電效應(yīng)的加速度傳感器，由此組成的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，可靠性低，使用不方便［3］。近年來(lái)，基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的新型車輛加速度采集、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究逐漸增多，但其普遍采用單片機(jī)做主控制器，采用SD卡等介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)［4］，其開發(fā)周期長(zhǎng)，可靠性低，能連續(xù)采集記錄的信息量較有限。

本文針對(duì)車輛運(yùn)行工況的特點(diǎn)，開發(fā)出一種便攜式、大存儲(chǔ)量的加速度采集系統(tǒng)，輔以外接輸入、顯示設(shè)備。該系統(tǒng)可快速、大量地采集、記錄、顯示車輛橫、軸、豎3個(gè)方向的低頻運(yùn)動(dòng)加速度和高頻振動(dòng)加速度。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由MEMS三軸加速度傳感器、自主開發(fā)的信號(hào)調(diào)理板和電源管理板、NI采集卡、嵌入式E-Box，12 V鋰電池以及外接輔助輸入和顯示設(shè)備組成。

高頻和低頻用加速度傳感器均選用飛思卡爾MMA7361，經(jīng)信號(hào)調(diào)理板后，輸出低頻的橫、軸、豎三向加速度X1，Y1，Z1和高頻的橫、軸、豎三向加速度X2，Y2，Z2至NI—6009采集卡。主控制器采用小型嵌入式工控機(jī)E-Box-2300，通過(guò)USB總線驅(qū)動(dòng)采集卡，并通過(guò)自主開發(fā)的上位機(jī)LabVIEW軟件控制整個(gè)采集過(guò)程，數(shù)據(jù)記錄至E-Box擴(kuò)展硬盤中。系統(tǒng)采用12 V工業(yè)用鋰電池供電，經(jīng)電源管理板后分別為E-Box、信號(hào)調(diào)理板和傳感器供電。系統(tǒng)外擴(kuò)USB接口用于連接鼠標(biāo)、鍵盤等無(wú)線輸入設(shè)備，VGA接口用于連接小型顯示器、投影儀等輸出設(shè)備，備用電源接口可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電。

圖1 系統(tǒng)原理Fig 1 Principle of system

系統(tǒng)可準(zhǔn)確采集、記錄車輛運(yùn)行過(guò)程中的0～10 Hz三向低頻運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)和400 Hz以下三向振動(dòng)加速度信號(hào)，且實(shí)現(xiàn)了車輛加速度狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)數(shù)據(jù)回放分析等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 加速度傳感器

該系統(tǒng)的傳感單元由飛思卡爾公司MMA7361型三軸小量程微機(jī)械傳感器和外圍元件組成。MMA7361內(nèi)部集成了重力G感測(cè)單元、電容/電壓轉(zhuǎn)換器、積分放大電路、低通濾波器、時(shí)鐘振蕩器、溫度補(bǔ)償電路和微調(diào)電路，其量程和靈敏度可選，選擇±1．5gn量程時(shí)，靈敏度高達(dá)800 mV/gn，選擇±6gn量程時(shí)，靈敏度自動(dòng)調(diào)整為206 mV/gn;其X，Y方向和Z方向的帶寬響應(yīng)頻率分別為400 Hz和300 Hz。該傳感器采用3．3 V，400 μA低功耗設(shè)計(jì)，3 mm ×5 mm ×1．0 mm LGA—14 微小封裝。

該傳感器使用時(shí)直接固定安裝于信號(hào)調(diào)理板上，所測(cè)得的加速度信號(hào)以模擬電壓形式輸出至信號(hào)調(diào)理電路。該系統(tǒng)選用2只MMA7361傳感器，配合后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻加速度和高頻加速度的測(cè)量。

2．2 信號(hào)調(diào)理板

圖2所示為自主開發(fā)的信號(hào)調(diào)理板，主要由振蕩器、分頻器、檔位選擇器、濾波電路、跟隨器、運(yùn)算放大器等組成。來(lái)自傳感器的加速度信號(hào)經(jīng)運(yùn)放進(jìn)行幅值變換后輸入至濾波電路，濾波電路按高、低2種截止頻率對(duì)信號(hào)濾波處理，最后經(jīng)多路跟隨器進(jìn)行隔離和阻抗變換后輸入至NI采集卡。整個(gè)調(diào)理板在5，2．5 V雙電源下工作。

2．2．1 分頻電路

該調(diào)理板采用TI公司14階帶振蕩器的高速二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CDHC4060和外接晶振構(gòu)成時(shí)鐘發(fā)生源，可將晶振頻率f0在1/24～1/214間的多階分頻，并經(jīng)檔位選擇器后輸出高低2種頻率，分別作為高頻用和低頻用巴特沃斯濾波器的控制時(shí)鐘。

2．2．2 巴特沃斯濾波

圖2 信號(hào)調(diào)理板示意圖Fig 2 Schematic diagram of signal conditioning board

常用的模擬低通濾波器由切比雪夫?yàn)V波器、橢圓濾波器和巴特沃斯濾波器，根據(jù)3種濾波器的特性和諧波測(cè)量要求，選用高階巴特沃斯濾波器作為抗混疊濾波器［5］。本系統(tǒng)采用MAX291作為主濾波芯片，MAX291是MAXIM公司開發(fā)的一種八階低通巴特沃斯開關(guān)電容濾波器，其角頻率在0．1Hz－25kHz間可調(diào)，選擇驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的頻率來(lái)設(shè)定濾波器的角頻率，其時(shí)鐘與角頻率之比為100∶1［6］。考慮傳感器的帶寬響應(yīng)頻率，并結(jié)合分頻器和檔位選擇器的匹配結(jié)果，最終配置驅(qū)動(dòng)高頻時(shí)鐘頻率為32 kHz，低頻驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為1 kHz。

2．2．3 二階低通濾波

本系統(tǒng)利用MAX291內(nèi)部集成的無(wú)限增益多路負(fù)反饋二階低通濾波器實(shí)現(xiàn)后置濾波，將八階巴特沃斯濾波器處理時(shí)摻雜的時(shí)鐘信號(hào)過(guò)濾，如圖3所示，通過(guò)匹配二階濾波器的外圍元件參數(shù)值設(shè)定濾波截止頻率，其傳遞函數(shù)為

通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)

濾波器的截止角頻率

圖3 MAX291二階低通濾波電路Fig 3 Second order low pass filtering circuit of MAX291

2．3 電源管理

電源管理板采用12 V大容量鋰電供電，并輸出5，3．3，2．5 V等多種電壓至系統(tǒng)用電設(shè)備。如圖4所示，12 V經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后得到5 V。該調(diào)理板設(shè)計(jì)了5 V轉(zhuǎn)2．5 V精準(zhǔn)穩(wěn)壓電路，2．5 V精準(zhǔn)電壓用于MAX291后置二階濾波器的地端參考電壓，所選用的低壓精密分流器內(nèi)部集成有精密參考電壓源，其輸出電壓通過(guò)參考極的2個(gè)電阻關(guān)系來(lái)決定。調(diào)理板同時(shí)設(shè)計(jì)了5 V轉(zhuǎn)3．3 V穩(wěn)壓電路，3．3 V電壓用于傳感器模塊的工作電壓。

圖4 電源管理示意圖Fig 4 Schematic diagram of power management

2．4 主控制器

主控制器選用DMP公司生產(chǎn)的E-Box-2300型嵌入式工控機(jī)，其主板搭載了1 GHz SoC主處理器和512 M DDR2內(nèi)存，并集成了 VGA，USB，CF，TF，PS/2，RS—232，1 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，無(wú)線網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)音頻等常用接口，適用于Windows XP，Linux，Windows CE等操作系統(tǒng)。E-Box采用單端5 V供電，外形尺寸115 mm×115 mm×35 mm，體積小，安裝方便。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，支持LabVIEW的Windows XP或Windows Vista操作系統(tǒng)安裝于大容量CF卡中，采集所得數(shù)據(jù)可自由存儲(chǔ)至CF卡剩余空間、TF卡或其他USB外擴(kuò)硬盤中，可擴(kuò)展性強(qiáng)，存儲(chǔ)量大。

2．5 采集卡

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)至少應(yīng)采集6通道加速度，每通道采樣率在5 kHz以下，具有在單端輸入模式下13位分辨率ADC，8通道模擬量輸入，且最大采樣頻率為48 kHz的NI—6009型采集卡適合符合要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件功能

上位機(jī)軟件使用LabVIEW［7］編寫，實(shí)現(xiàn)圖形化用戶界面，并通過(guò)USB接口與采集卡通信。如圖5所示，該軟件可實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定、采樣率設(shè)定、實(shí)時(shí)采集顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放等功能。

圖5 上位機(jī)軟件功能Fig 5 Functions of upper computer software

3．1．1 傳感器標(biāo)定

系統(tǒng)使用前，在傳感器標(biāo)定平臺(tái)下對(duì)三軸加速度傳感器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，并將標(biāo)定好的參數(shù)保存為ini格式文件，系統(tǒng)執(zhí)行采集任務(wù)時(shí)，調(diào)用ini文件對(duì)傳感器進(jìn)行曲線擬合。該系統(tǒng)中，MMA7361具有較好的線性特性，故高低頻共六路加速度信號(hào)均進(jìn)行線性擬合，得到加速度—電壓擬合方程，即，a=kaua+ba，其中，ka，ba分別為標(biāo)定平臺(tái)下測(cè)得的擬合方程一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)。

3．1．2 采樣率設(shè)定

系統(tǒng)使用前，還需對(duì)采樣率進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)香農(nóng)采樣定理［8］，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率的2倍。結(jié)合傳感器信號(hào)的頻率范圍，設(shè)置系統(tǒng)采樣頻率，保證采樣時(shí)不丟失原始信號(hào)的信息。軟件對(duì)采樣頻率范圍進(jìn)行了0．1～5000 Hz的設(shè)定，輸入數(shù)值超出該范圍會(huì)被自動(dòng)限制。采樣頻率高則采集的數(shù)據(jù)流量大，長(zhǎng)時(shí)間采集時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件較大，會(huì)占用較多的硬盤空間。

3．1．3 實(shí)時(shí)采集顯示

系統(tǒng)執(zhí)行采集任務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示于上位機(jī)面板，可選擇單窗口模式進(jìn)行全局觀察，也可切換至雙窗口模式將高低頻信號(hào)分離觀察或六窗口模式對(duì)各信號(hào)單獨(dú)觀察。各模式下，窗口縱坐標(biāo)范圍能自動(dòng)適應(yīng)被測(cè)信號(hào)幅值，也可給定坐標(biāo)上下限，各路信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)值顯示于文本框內(nèi)。

3．1．4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采集任務(wù)結(jié)束后，數(shù)據(jù)能以bat，xls或txt格式存儲(chǔ)至系統(tǒng)硬盤，存儲(chǔ)路徑可自由指定。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)用于信號(hào)歷史分析，可在軟件數(shù)據(jù)回放窗口調(diào)入，也可利用PC機(jī)的Excel，Matlab等軟件進(jìn)行查看、分析、后處理等操作。

3．1．5 數(shù)據(jù)回放

軟件可回調(diào)保存在硬盤中的歷史數(shù)據(jù)，便于觀測(cè)信號(hào)總體走勢(shì)和具體時(shí)刻的幅值?？蛇x擇X軸、Y軸縮放、平移、對(duì)焦等工具對(duì)波形局部分析，可選擇游標(biāo)工具進(jìn)行特定點(diǎn)的數(shù)值分析。

3．2 程序?qū)崿F(xiàn)

軟件主程序流程如圖6所示，打開軟件后，用戶可選擇為下一次采集標(biāo)定參數(shù)，或直接進(jìn)入采集模式，也可回放歷史數(shù)據(jù)。參數(shù)標(biāo)定時(shí)，需分別設(shè)定傳感器一次項(xiàng)系數(shù)、常數(shù)項(xiàng)以及采樣率，設(shè)置完后系統(tǒng)自動(dòng)更新ini文件。數(shù)據(jù)采集時(shí)，上位機(jī)軟件不斷讀取采集卡數(shù)據(jù)，擬合加速度曲線后顯示于動(dòng)態(tài)窗口，直至系統(tǒng)停止采集，采集所得數(shù)據(jù)可按指定存儲(chǔ)路徑、文件名、文件格式保存至系統(tǒng)硬盤。數(shù)據(jù)回放時(shí)，由用戶選定歷史數(shù)據(jù)文件進(jìn)行回調(diào)、分析。

程序設(shè)計(jì)時(shí)綜合應(yīng)用了循環(huán)、Case、順序、移位寄存器、定時(shí)等多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)組、簇、錯(cuò)誤錯(cuò)等復(fù)合數(shù)據(jù)形式，并采用了屬性節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)機(jī)、消息和同步、Queue等多項(xiàng)LabVIEW先進(jìn)技術(shù)。主采集程序應(yīng)用NI-DAQmx任務(wù)處理方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)多通道模擬電壓采集。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用此車輛加速度采集系統(tǒng)，在同濟(jì)大學(xué)專用汽車試驗(yàn)線進(jìn)行了多次實(shí)車實(shí)驗(yàn)。圖7為一組的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中高頻Y軸曲線表明車輛前進(jìn)方向加速度最大約0．61gn，剎車時(shí)最大加速度約為－0．72gn，最大振動(dòng)加速度大于±1．50gn，低頻X軸曲線顯示車輛橫向加速度變化趨勢(shì)，其急轉(zhuǎn)彎時(shí)最大加速度約為0．39gn，從低頻Z軸曲線可知，車輛豎向受到多次減速帶振動(dòng)沖擊，其幅值約為0．45gn。

圖7 加速度—時(shí)間變化曲線Fig 7 Change curve of acceleration vs time

5 結(jié)束語(yǔ)

該車輛加速度采集系統(tǒng)已開發(fā)成功并投入使用。本系統(tǒng)綜合了MEMS傳感器、小型嵌入式E-Box，12V鋰電池、采集卡以及自主開發(fā)的信號(hào)和電源管理板，其體積小，攜帶方便。相比于現(xiàn)有的加速度采集設(shè)備，開發(fā)周期短，工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大。所開發(fā)的基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)控軟件，界面友好，直觀方便。

系統(tǒng)可用于車輛運(yùn)行過(guò)程中橫、軸、豎三向低頻運(yùn)動(dòng)加速度和高頻振動(dòng)加速度的實(shí)時(shí)采集記錄。系統(tǒng)采集結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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