廣東工業(yè)大學(xué) 張昌堯

基于STM32的汽車檔位角度傳感子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

廣東工業(yè)大學(xué) 張昌堯

本系統(tǒng)是基于stm32的新型汽車檔位的測量系統(tǒng)及方法，主要采用功能強(qiáng)大的stm32單片機(jī)和性能優(yōu)良的mpu-6050芯片進(jìn)行開發(fā)，還包括安裝在汽車檔位上角度傳感器與硬件檔位組成的子系統(tǒng)模塊，STM32F051x微型處理器與角度傳感器組成的數(shù)據(jù)采集模塊以及STM32F051x微處理器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊。相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有可移植性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，檢測精度高等優(yōu)點。

汽車檔位；stm32；mpu6050

0.引言

目前一般轎車上大約有幾十只傳感器，高級轎車有100多個傳感器，預(yù)計到2020年，全球的車用傳感器需求量將達(dá)到127.1億只。

1.汽車檔位角度傳感器子系統(tǒng)的建模過程

（1）檔位系統(tǒng)主要是采用傳統(tǒng)的手動擋汽車6檔位結(jié)構(gòu)模型，6個檔位分別是“1”，“2”，“3”，“4”，“5”和“R”檔，此外，還有立于中間槽的“N”檔。在檔位與檔位切換的過程中，必須先切換到“N”檔，停留1秒鐘左右再切換到另一個檔位。“R”檔為倒車檔，本系統(tǒng)的“R”檔是在“4”檔的右邊，“5”檔的對面。

（2）角速度傳感器主要選用性能良好的MPU-6050。它集成了三軸的陀螺儀，角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec (dps)。不僅可以準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，而且用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。此外，可以把角度信號采集進(jìn)行自處理，把角度信息輸出到微型處理器上。

2.汽車檔位角度傳感器子系統(tǒng)的工作原理

（1）I2C通訊

Mpu-6050傳感器通過I2C接口連接到主控制器STM32，不需要額外的ADC電路，直接通過數(shù)字接口就可以讀取傳感器的當(dāng)前輸出。stm32、mpu-6050和24C02之間采用I2C通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不僅簡單、快捷，而且高效、準(zhǔn)確。

（2）兩個角度傳感器根據(jù)公式計算出傾角大小

通過I2C接口讀出來的轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC值，并不是以度每秒為單位。按以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

Anglerate = ADCrate /靈敏度

當(dāng)量程為±1000o/s時。讀取x軸的ADC值為value_x，從數(shù)據(jù)表中得知在±1000o/s下的靈敏度為dec_s LSB/(o/s) 。根據(jù)上面的公式：

當(dāng)選擇量程為±250dps的時候，將會得到分辯率為131LSB/ (o/s)。也就是當(dāng)載體在X+軸轉(zhuǎn)動1dps時，ADC將輸出131。

這就是說，MPU6050檢測到模塊正在以約value_x/dec_s度每秒的速度繞X軸旋轉(zhuǎn)。也就是當(dāng)載體在X+軸轉(zhuǎn)動1dps時，ADC將輸出value_x/dec_s。

（3）卡爾曼濾波

通過陀螺儀（mpu6050）來測量角度。因為陀螺儀讀出的是角速度，角速度乘以時間，就是轉(zhuǎn)過的角度。把每次計算出的角度做累加就會等到當(dāng)前所在位置的角度。

使陀螺儀是與桌面平行，每t ms讀一次陀螺儀的角速度，當(dāng)讀了三次角速度以后 z軸轉(zhuǎn)到上圖的位置，則在這段時間中轉(zhuǎn)過的角度為x：

角x=角1+角2+角3

假設(shè)從陀螺儀讀出的角速度為w，那總角度為：

假設(shè)經(jīng)過n次，那么總的角度如下：

實際上這就是一個積分過程。

其實這種計算出來的角度也存在一定的誤差，而且總的角度是經(jīng)過多次相加得到的，這樣誤差就會越積累越大，最終導(dǎo)致計算出的角度與實際角度相差很大。于是使用卡爾曼濾波把加速度計讀出的角度結(jié)合在一起，使計算出的角度更準(zhǔn)確。

3.STM32軟件模塊的功能實現(xiàn)

（1）微處理器通過I2C協(xié)議獲得傾角信號

如果SCL處于高電平時，SDA上產(chǎn)生下降沿，則認(rèn)為是起始位，SDA上的上升沿認(rèn)為是停止位。每次數(shù)據(jù)傳輸都是以一個起始位開始，而以停止位結(jié)束。傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)沒有限制。最高有效位將首先被傳輸，接收方收到第8位數(shù)據(jù)后會發(fā)出應(yīng)答位。通信速率分為常規(guī)模式（時鐘頻率100kHz）和快速模式（時鐘頻率400kHz）。同一總線上可以連接多個帶有I2C接口的器件，每個器件都有一個唯一的地址，既可以是單接收的器件，也可以是能夠接收發(fā)送的器件。

（2）通過PWM（脈沖寬度調(diào)制模式）調(diào)試

系統(tǒng)的性能測試和功能調(diào)試主要是通過TIM和PWM來實現(xiàn)。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，也叫做對脈沖寬度的控制。

PWM輸出的是一個方波信號，信號的頻率是由TIMx的時鐘頻率和TIMx_ARR預(yù)分頻器所決定的，其公式為：

頻率：Fpwm = 72M / ((arr+1)*(psc+1))（單位：Hz）

而輸出信號的占空比則是由TIMx_CRRx寄存器確定的。其公式為：

占空比：duty circle = TIM3-＞CCR1 / arr（單位：%）

因此，可以通過向CRR中填入適當(dāng)?shù)臄?shù)來輸出自己所需的頻率和占空比的方波信號。

4.系統(tǒng)測試及分析

（1）測試和現(xiàn)象

在電腦主機(jī) USB 接口上插入stm32的電源線和J-LINK 的連接線，同時給示波器供電，示波器兩個通道接線的負(fù)接線與開發(fā)板STM32 的GND 連接，正接線分別接通道n（n=1,2）和其互補通道。其中，通道1 和2的輸出分別對應(yīng)PA.08和PA.09引腳，而通道1 和2 的互補輸出分別對應(yīng)PB.13和PB.14引腳。前序工作準(zhǔn)備好后，再在Keil uVision4 環(huán)境里打開main 的工程，編譯連接運行。觀察并記錄示波器圖像。

（2）結(jié)果分析

當(dāng)通道1模擬的是x軸方向的檔位變化時，設(shè)置通道 1 和其互補通道的頻率都為17.57kHz，占空比的大小隨著檔位把手在x軸方向的變化而變化。當(dāng)汽車檔位處于“N”檔時，也即是空擋位置，通道1和其互補通道的占空比都為50%；當(dāng)汽車檔位撥到“1、2、3、4、5、R”檔位時，通道1和其互補通道的頻率保持不變?nèi)詾?7.57kHz，則通道1占空比為25%，其互補通道占空比變?yōu)?5%。由此就可以判斷出汽車檔位x軸方向的變化情況。

同理，當(dāng)通道2模擬的是y軸方向的檔位變化時。也就可以判斷出汽車檔位y軸方向的變化情況。

綜合x軸和y軸的信息就可以判斷出汽車檔位的實際位置，也即是汽車的實際檔位情況。

5.結(jié)束語

傳統(tǒng)的做法都是采用霍爾元器件來進(jìn)行汽車檔位的檢測，其特點是通過磁傳感器檢測來判斷擋位的變化。本系統(tǒng)采用角度傳感器代替霍爾元器件來對汽車檔位進(jìn)行檢測，不僅穩(wěn)定性高，而且可移植性強(qiáng)，精度高。

張昌堯（1990—），男，廣東茂名人，碩士，研究方向：機(jī)器視覺、機(jī)器人。