鄧建鋒，韓峻峰，潘盛輝，董勝利，楊 敘

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004;2.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007;3廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系，廣西柳州545006)

0 引言

近年來，國外各大汽車廠商都研發(fā)出了各自的汽車安全控制系統(tǒng)，并在高檔車上成為標(biāo)準(zhǔn)配置，具有明顯的安全效果。而國內(nèi)目前發(fā)展還比較滯后，沒有具備自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品問世，大多停留在理論仿真階段。這些安全控制系統(tǒng)大多是針對汽車行駛姿態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制，所以，參數(shù)獲取的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性就決定了控制的效果和算法的復(fù)雜度［1］。

目前，汽車行駛姿態(tài)參數(shù)一般是通過陀螺儀進(jìn)行采集，但陀螺儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差并很難消除［2］。也有通過多個(gè)加速度傳感器捷聯(lián)解算出汽車的姿態(tài)參數(shù)，這樣存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)［3］。本文采用一種IMEMS慣性傳感器來采集汽行駛姿態(tài)參數(shù)，它集成度高，結(jié)構(gòu)簡單，可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

圖1所示為美國汽車工程師協(xié)會(society of automotive engineers，SAE)描述的車身運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，汽車上的各種運(yùn)動(dòng)是以一個(gè)右手正交坐標(biāo)系為參照定義的，坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于汽車的質(zhì)心，并隨汽車一起運(yùn)動(dòng)。按照SAE的約定，車輛坐標(biāo)系的x軸平行于地面指向車輛的前進(jìn)方向，并位于汽車的縱向?qū)ΨQ面內(nèi);y軸平行于地面并指向車輛的右側(cè);z軸垂直于地面指向車輛的下方。在車輛坐標(biāo)系中定義了車身運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度(包括3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))，并規(guī)定了運(yùn)動(dòng)變量的符號(包括位移、速度、角位移和角速度)［4，5］，這6個(gè)數(shù)據(jù)是汽車行駛的集中體現(xiàn)，也是汽車安全控制系統(tǒng)所需的重要參數(shù)。

圖1 SAE車輛坐標(biāo)系Fig 1 SAE vehicle coordinate system

圖2是汽車行駛姿態(tài)檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，采用IMEMS慣性傳感器采集汽車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，將輸出的SPI格式數(shù)據(jù)輸入帶有USB控制器的CY7C68013單片機(jī)，再通過USB數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳至PC上位機(jī)，最后利用虛擬儀器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的安全控制策略研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

MEMS慣性傳感器選用的是 Analog Device公司的ADIS16355三軸慣性傳感器，其內(nèi)置一個(gè)±300°/s動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的三軸陀螺儀和一個(gè)±10 gn的三軸加速度計(jì)。帶寬達(dá)350 Hz，最高達(dá)819.2SPS的可配置采樣率，內(nèi)部集成溫度傳感器，每個(gè)傳感器都有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，可在－40～+85℃的溫度范圍內(nèi)提供精確的傳感器測量。標(biāo)準(zhǔn)SPI格式輸出，不需要額外的測試和校準(zhǔn)，就可提供精確的數(shù)據(jù)。

USB微控制器選擇的是 CYPRESS公司的CY7C68103A，其內(nèi)部集成USB2.0收發(fā)器、智能串行接口(SIE)和增強(qiáng)型8051微處理器。它是EZ—USB FX2系列的一個(gè)低功耗版本，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到53 MB以上，在相同外部晶振作用下，平均處理速度是標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的2.5倍，能較好地滿足汽車行駛姿態(tài)檢測的速度需求。

2.2 電路設(shè)計(jì)

慣性傳感器ADIS16355是以標(biāo)準(zhǔn)SPI格式數(shù)據(jù)輸出，CY7C68013A沒有SPI接口，所以，采用PB口4條通用IO作為數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)線，具體連接入圖3所示，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)SPI時(shí)序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4為USB設(shè)備數(shù)據(jù)采集程序和LabVIEW主機(jī)程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)流圖，USB主機(jī)與USB設(shè)備進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)都要依次經(jīng)過以上各個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可。

圖3 傳感器連接圖Fig 3 Diagram of sensor connection

下面對各個(gè)環(huán)節(jié)的具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹［6］。

圖4 USB設(shè)備主機(jī)數(shù)據(jù)流圖Fig 4 Data flow of USB device and host

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

ADIS16355慣性傳感器的所有輸出和用戶編程功能都是通過寄存器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)寄存器都是16位且具有唯一的地址。如圖5所示，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀需要16個(gè)時(shí)鐘，而一個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀寫周期需要2個(gè)數(shù)據(jù)幀。CY7C68013A單片機(jī)沒有SPI接口，需要通過通用I/O口模擬實(shí)現(xiàn)，用循環(huán)指令使作為時(shí)鐘的I/O口可在每一個(gè)時(shí)鐘變?yōu)榈碗娖胶笙騻鞲衅鲗懭胍晃?，在每一個(gè)時(shí)鐘變?yōu)楦唠娖街髲膫鞲衅髯x入一位。這樣，經(jīng)過兩個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)即可完整的讀入CY7C68103A單片機(jī)內(nèi)，然后將數(shù)據(jù)存至其內(nèi)部USB控制器的端點(diǎn)0即可。

將數(shù)據(jù)采集程序作為自定義請求的處理函數(shù)，當(dāng)對應(yīng)的請求號通過主機(jī)發(fā)送至USB設(shè)備時(shí)，USB設(shè)備將完成數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送至主機(jī)。

圖5 SPI時(shí)序圖Fig 5 SPI timing chart

3.2 USB 固件程序

USB固件是USB設(shè)備的核心，主要完成USB協(xié)議的處理、與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、USB設(shè)備的識別、設(shè)備請求等功能。

方案采用在CYPRESS公司提供的固件架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要完成自定義請求號和自定義請求處理函數(shù)的設(shè)計(jì)，自定義請求號是一個(gè)自定義的16位16進(jìn)制數(shù)字，不能和USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求重復(fù);自定義請求處理函數(shù)是USB設(shè)備各種功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)體，包括數(shù)據(jù)采集程序。

3.3 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在Windows操作環(huán)境下，一般不能直接對硬件接口進(jìn)行操作，而必須采用驅(qū)動(dòng)程序作為橋梁。傳統(tǒng)使用Microsoft的DDK開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序比較復(fù)雜，對于電子設(shè)計(jì)工程師來說周期長、難度大;WinDriver和DriverStdio簡化了驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，但仍有相當(dāng)大的難度。

NI-VISA是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用程序接口(API)，它不受平臺、總線和環(huán)境的限制，用它來設(shè)計(jì)USB驅(qū)動(dòng)程序可降低開發(fā)難度并且通用性好。通過VISA提供的Driver Development Wizard進(jìn)行配置可定制自己設(shè)計(jì)的USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，在定制的過程中需要知道USB控制器的供應(yīng)商ID和產(chǎn)品ID，當(dāng)自制USB設(shè)備被計(jì)算機(jī)探測到時(shí)，選擇 Driver Development Wizard生成的INF文件，即完成了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的安裝。這樣就可以在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中查看自制的USB設(shè)備，并進(jìn)行操作。

3.4 主機(jī)LabVIEW程序

采用LabVIEW開發(fā)USB主機(jī)程序，可采用控制傳輸方式進(jìn)行。通過調(diào)用LabVIEW提供的“VISA USB控制輸入”和“VISA USB控制輸出”2個(gè)函數(shù)就可以進(jìn)行USB設(shè)備的讀寫。

整個(gè)應(yīng)用程序采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)者循環(huán)(USB讀取控制)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，保證高的采樣速率，利用隊(duì)列消息結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)傳遞給3個(gè)消費(fèi)者，即顯示、分析和存儲3個(gè)功能線程，隊(duì)列保證了數(shù)據(jù)的完整性。

LabVIEW提供了調(diào)用外部DLL的功能，在程序設(shè)計(jì)的過程中，一些LabVIEW不容易操作或?qū)崿F(xiàn)的模塊，在VC++6.0中以DLL的方式進(jìn)行了封裝然后供LabVIEW調(diào)用。

4 系統(tǒng)測試過程與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測試是將傳檢測系統(tǒng)的傳感器固定在汽車的質(zhì)心處，通過USB總線連接置手提電腦進(jìn)行的。分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2個(gè)過程，靜態(tài)即汽車怠速過程(發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn));動(dòng)態(tài)是在一段水泥路面的道路上進(jìn)行加速、減速等多種在汽車行駛過程中常見的工況進(jìn)行測試。由于采集的數(shù)據(jù)成分比較多，但又是同一個(gè)傳感器輸出的數(shù)據(jù)，所以，數(shù)據(jù)的特點(diǎn)具有一致性，以下就選擇側(cè)傾角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹。

怠速過程的側(cè)傾角速度一共采集了6組，每組10 000個(gè)點(diǎn)，其均值方差如表1所示;動(dòng)態(tài)過程是15 min的一段路況數(shù)據(jù)，采集了兩組側(cè)傾角速度，如表2所示。

表1 怠速過程均值方差Tab 1 Mean-variance of idle process

表2 行駛過程均值方差Tab 2 Mean-variance of moving process

圖6 側(cè)傾角速度自相關(guān)函數(shù)Fig 6 Autocorrelation function of roll angular velocity

由以上給出的數(shù)據(jù)可以得出:汽車在怠速狀態(tài)下采集到的6組側(cè)傾角速度均值和方差都比較一致，并且其自相函數(shù)分布和在0點(diǎn)的值的特點(diǎn)基本符合白噪聲的規(guī)律，如圖6。本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波器對這一噪聲進(jìn)行濾除，圖7和圖8為汽車動(dòng)態(tài)過程中采集到的一組數(shù)據(jù)，并對濾波前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，從中可以看出濾波效果明顯，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可信。

圖7 側(cè)傾角速度濾波前數(shù)據(jù)Fig 7 Roll angular velocity data before filtering

圖8 側(cè)傾角速度濾波后數(shù)據(jù)Fig 8 Roll angular velocity after filtering

5 結(jié)束語

系統(tǒng)利用IMEMS傳感器技術(shù)、USB串行總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等搭建了一種汽車行駛姿態(tài)檢測系統(tǒng)，充分利用了USB高速數(shù)據(jù)傳輸性和虛擬儀器強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，不僅能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取參數(shù)，也可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示和保存。實(shí)驗(yàn)證明:設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能夠?yàn)槠嚢踩刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)，并且具有運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高和擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，具有很好的參考價(jià)值。

［1］陸 丹.基于卡爾曼濾波的汽車行駛姿態(tài)的研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2005:1－3.

［2］劉 軍，何國國，岳興連，等.基于IMEMS傳感器的汽車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量系統(tǒng)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(11):12－15.

［3］吳黎明，張力鍇，李怡凡.基于ANN和單個(gè)三軸加速度傳感器的汽車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(6):923－927.

［4］丁能跟，余貴珍.汽車動(dòng)力學(xué)及其控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009:5.

［5］Hac A，Nichols D.Estimation of vehicle roll angle and side slip for crash sensing［C］∥SAE International，2010:529.

［6］薛圓圓，趙建領(lǐng).USB應(yīng)用開發(fā)實(shí)例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2009:4.