基于加速度傳感器AIS226DS的制動性能測試儀的研制

宋學青

（云南省計量測試技術研究院 云南 昆明 650228）

汽車制動性能的優劣是影響汽車安全行駛的重要因素之一，重大交通事故往往與制動距離太長，緊急制動時發生側滑等情況有關，所以對在用車進行定期的制動性能檢測非常必要[1]。根據新修訂的GB7258—2012（《機動車運行安全技術條件》）中規定，對于超重、多軸、半掛等不能上線檢測的車輛，以及當車輛經上線檢測后對其制動性能有質疑時，應采用路試的方式進行檢測[2]。由此我們設計了可進行路試測量的便攜式機動車制動性能測試儀。

1 工作原理

根據GB7258—2012（《機動車運行安全技術條件》）中規定，機動車制動性能的測試過程為：在符合要求的路面上，將被測車輛車速提高到規定的初速度下，急踩剎車到底，直到車停止不動。制動性能由制動距離、充分發出的平均減速度（MFDD）、制動協調時間及制動穩定性來衡量。充分發出的平均減速度（MFDD）的計算公式如下：

若制動初速為V0，式中，Vb為0.8 V0（km/h）；Ve為0.1 V0（km/h）；Sb為試驗車速從V0到Vb的行駛距離（m）；Se為試驗車速從V0到Ve的行駛距離（m）。

本測試儀以加速度傳感器為主要測試元件，對汽車在行駛過程中的加速度進行測量，通過單片機對傳感器輸出數據進行一次和兩次積分，得到速度和距離，并通過進一步計算得出MFDD和制動協調時間，實現制動性能的檢測。

2 硬件設計

2.1 硬件結構

測試儀主要由加速度傳感器、主機和微型打印機3部分組成。硬件結構框圖如圖1所示。傳感器部分完成數據的采集；主機部分主要功能是通過按鍵完成參數的設置，數據的分析和處理，與外設（如打印機和計算機等）的數據傳輸，以及數據的存儲。在兼顧儀器自身測試精度和功能的基礎上，整機的硬件設計中充分考慮到便攜式儀器對電池續航能力的需求，通過合理的芯片選型和電路結構優化，盡可能的降低整機功耗，延長使用時間。傳感器選用高精度低功耗的數字式加速度傳感器AIS226DS；單片機選用C8051系列單片機的C8051f585，它不僅功耗低，而且帶有96 kB可再編程的片內Flash存儲器，可不用額外增加存儲芯片；電源芯片選用低壓差線性穩壓器CAT6219。

圖1 硬件結構框圖Fi g.1 Hardware structure diagram

2.2 主機部分

2.2.1 單片機

單片機選用美國Silicon Labs公司汽車級MCU系列C8051F58x-59x的C8051f585。它將一個高速的8051 CPU，Flash存儲器，同類最佳性能的模擬外設和數字信號處理器集成在一個超小封裝內，并在整個汽車級電壓和溫度范圍內全功能工作，而無需犧牲其他性能指標。擁有靈活的時鐘硬件，使系統能夠方便地在高效運作模式與低功耗模式間進行轉換，智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機狀態自由切換，從而降低整個系統的能量損耗，當工作頻率低于10kHz時，時鐘丟失檢測器（MCD）能夠引發系統產生復位，確保系統工作的安全可靠。 C8051f585有8448字節的內部RAM，96kB的片內Flash存儲器，40個I/O口，兩個串口，一個SMBUS接口，12位AD轉換器，支持CAN2.0、LIN2.1和SPI接口。其中96 kB的片內Flash存儲器為可再編程的Flash存儲器，可用于非易失性數據的存儲，因此測試儀將測得的數據直接存于C8051f585的Flash中。

2.2.2 電 源

電源選用的可重復充電的聚合物鋰電池，電池的標準輸出是3.7 V，在充滿狀態下為4.2 V，容量為1 800 mAh，低內阻，充電快。自帶保護板，有過充電保護、過放電保護、過流保護及正負極短路保護功能。通過單片機自帶AD模數轉換接口測量電池電壓，供用戶隨時查看電池當前剩余電量。

由于所選芯片的供電電壓都為3.3 V，所以選用安森美的低壓差線性穩壓器CAT6219將電池的輸出的電壓降至3.3 V。CAT6219的靜態電流較低，在負載為500 mA時典型的壓差只有300 mV。此外，額外的旁路電容能降低總輸出噪聲，這使得CAT6219非常適用于低噪聲的應用。許多低壓差穩壓器搭配旁路電容會導致啟動變慢，而Catalyst的穩壓器設計有快速啟動特性，確保啟動時間低于150μs并且使CAT6219更適用于在低功率上的應用。CAT6219有“零”電流停機模式，是專門用來防止電池過放電情況。此外，CAT6219的典型靜態電流為55μA，具備短路保護和超載過熱保護[3]。

2.2.3 時 鐘

時鐘芯片選用美國DALLAS公司的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片DS1302。它可以對年、月、日、周、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能，工作電壓為2.5～5.5 V。DS1302與單片機通過I2C總線連接[4]。在主機斷電后，通過內部自帶紐扣電池作為備用電源為其供電，以保持時鐘的連續運行，相關原理圖如圖2所示。

圖2 DS1302電路原理圖Fig.2 DS1302 circuit diagram

2.2.4 紅外接口

由于單片機C8051f585不支持無線紅外通訊的IrDA標準，所以選用MCP2120作為紅外收發芯片。MCP2120為低成本而高性能的全靜態紅外編碼/解碼器，與單片機C8051f585通過串口（UART）連接。該器件從標準UART接收的數據被編碼（調制），以電脈沖的形式輸出到IR收發器。 IR收發器接收到的數據同樣也是以電脈沖的形式輸出的。 MCP2120解碼（解調）這些電脈沖，并通過MCP2120的UART進行傳送。這種調制和解調方式遵照IrDA標準進行[5]。MCP2120相關部分的電路原理圖如圖3所示。將MCP2120的波特率設計為通過硬件進行配置，選用的晶振為7.372 8 MHz，所以將BAUD0-BAUD2 3個引腳接地，MCP2120的波特率就被設置為9 600。

圖3 MCP2120應用電路原理圖Fig.3 Application of MCP2120 circuit diagram

2.3 傳感器

傳感器選用的加速度芯片是意法半導體的數字加速度傳感器AIS226DS，它是一款為汽車電子系統精確地測量汽車運動的全新傳感器。AIS226DS為雙軸共面加速度傳感器，測量精度高，功耗低，線性數字輸出。其高檢測精度部分歸功于電子接口芯片的低本征噪聲特性。接口芯片含有高精度16位模數轉換器，低噪聲可在大帶寬內實現14位的有效轉換分辨率，對應一個0.25 mg的分辨率（在2 g全量程內）。在-40℃到+105℃溫度范圍內，傳感器能夠保持高穩定性和高精度（±70 mg），提供每度0.2 mg的補償偏離。它的低功耗對于電池供電的測試儀也是至關重要的[6]。

AIS226DS支持SPI/I2C標準數字接口，有兩個可供用戶選擇的量程：±2 g或±6 g，具備可調帶寬和方向檢測功能，帶寬可調功能可以優化不同帶寬的性能，通過消除不相關頻帶的干擾可以提高分辨率。根據測試儀的實際需要，我們選擇量程±2 g，帶寬160 Hz，I2C總線接口方式。為方便操作，加速度傳感器及其外圍相關電路單獨集成在傳感器板上，并置于鋁盒中。傳感器板電路原理圖如圖4所示。將CS腳置高，則芯片數據的輸出方式為I2C。將AIS226DS的RDY（dataready signal）與單片機的一個外部中斷口連接，使單片機的數據接收與傳感器的數據輸出保持同步。

圖4 傳感器板電路原理圖Fig.4 Sensor board circuit diagram

2.4 微型打印機

為方便使用，測試儀選用便攜式紅外熱敏打印機VMP02。該打印機采用32位ARM作為中央處理器及先進的富士通打印機芯，打印速度快，外形輕巧，便于攜帶。可通過串口及配置軟件配置所需的紅外模式和傳輸的波特率。

3 軟件設計

軟件采用模塊化設計，主要包括數據采集與處理模塊，按鍵模塊，顯示模塊，存儲模塊和打印模塊。軟件結構框圖如圖5所示。程序初始化主要包括IO口初始化，液晶屏初始化，按鍵初始化，I2C初始化，加速度傳感器初始化，時鐘初始化，以及兩個串口的初始化。加速度傳感器AIS226DS的初始化程序如下：

圖5 軟件結構框圖Fig.5 Software architecture

4 結 論

通過靜態校準，測試儀在-9.8～9.8 m/s2的規定測試范圍內精度達到±0.04 m/s2，高于校準規范中的±0.10 m/s2，且在整個測試范圍內線性度好。在實車路試中，檢測精度可達到±1.0%。整機待機時間超過60小時，持續工作時間大于48小時，完全滿足現場工作需要。由于整機采用分立結構，在使用中安裝簡單、方便，便于攜帶。儀器已對外供應一年多，得到廣大客戶的認可和好評。

[1]潘葉輝，袁中凡，楊春生，等.新型便攜式汽車動態參數檢測系統[J].中國測試技術，2007（6）：48-51.PAN Ye-hui，YUAN Zhong-fan，YANG Chun-sheng.Advanced portable and dynamic parameter test system for vehicles[J].China Measurement Technology，2007（6）：48-51.

[2]公安部道路交通管理標準化技術委員會，GB7258-2012，機動車運行安全技術條件[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]余俊芳.低壓差穩壓器CAT6219簡介[N].電子報，2008（13）：03-09.

[4]許果，殷海波.基于DS1302的智能停車收費系統[J].自動化技術與應用，2010，29（5）：63-65.XU Guo，YIN Hai-bo.An intelligent parking system based on DS1302[J].Techniques of Automation and Applications，2010，29（5）：63-65.

[5]史麗萍，陳志杰，侯運生，等.基于紅外傳輸的無線測溫系統的設計[J].工礦自動化，2010（8）：23-25.SHI Li-ping，CHEN Zhi-jie，HOU Yun-sheng，et al.Based on infrared transmission of wireless temperature measurement system design[J].Industry and Mine Automation，2010（8）：23-25.

[6]廖惠如.MEMS微機電感測技術擅場時代[J].電子與電腦，2009（12）：33-36.LIAO Hui-ru.MEMS measurement technology outshine all those present age[J].Compotech China，2009（12）：33-36.