基于藍(lán)牙的車輪力傳感器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉慶華,晏華文,林國(guó)余,王 東

(1.江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系,江蘇 南京 210096)

汽車工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),2011年我國(guó)實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)銷1 841.89萬(wàn)輛和1 850.51萬(wàn)輛,居世界首位.我國(guó)汽車行業(yè)的“十二五”規(guī)劃將提高自主品牌汽車的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額列為重要的發(fā)展目標(biāo).汽車在行駛過(guò)程中受著6個(gè)維度的力和力矩(側(cè)向力、垂直力、縱向力、扭轉(zhuǎn)力矩、側(cè)傾力矩、橫擺力矩)的作用.準(zhǔn)確采集這些力與汽車整車及各子系統(tǒng)的性能密切相關(guān)，如汽車制動(dòng)系統(tǒng)的研究，評(píng)估汽車整車的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)行道路譜數(shù)據(jù)采集進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路譜再現(xiàn)，進(jìn)行整車系統(tǒng)道路模擬測(cè)試系統(tǒng)，汽車懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量等.因此建立汽車道路采集系統(tǒng)對(duì)汽車開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)有著重要的影響[1-3].在汽車行駛過(guò)程中隨著輪胎高速旋轉(zhuǎn),固定在輪胎上采集模塊和傳感體也隨著輪胎高速轉(zhuǎn)動(dòng),如何將車輪高速旋轉(zhuǎn)的受力數(shù)據(jù)傳送到相對(duì)車體靜止的傳輸模塊上是車輪力傳感器傳輸過(guò)程中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.過(guò)去的研究采用光電耦合和電容耦合等方式，電容耦合最快速率可達(dá)15 kHz,光電耦合最快可達(dá)100 kHz.而電容耦合精度不穩(wěn)定,光電耦合采用光的方式傳播信息,受安裝和振動(dòng)等影響較大,抗干擾能力弱.后續(xù)研究采用了射頻無(wú)線傳輸(nRF2401)方式,可將傳輸速率提高到MHz級(jí),但抗干擾以實(shí)現(xiàn)可靠傳輸仍然是一個(gè)難以解決的難題.為此,文中采用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知文中設(shè)計(jì)比nRF2401表現(xiàn)出更出色的速度和穩(wěn)定性.藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10 m內(nèi))的無(wú)線電技術(shù).藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù),支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信,工作在全球通用的2.4 GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段.其數(shù)據(jù)速率為1 Mbps,傳輸速率方面完全滿足本設(shè)計(jì)的要求[4-10].

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感體、采集模塊和傳輸模塊組成,并通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī).系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1.

文中采集模塊到傳輸模塊的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸采用藍(lán)牙設(shè)計(jì),和RF模塊(nRF2401模塊)對(duì)比測(cè)試.藍(lán)牙模塊的核心HC-06采用CSR BC04藍(lán)牙芯片技術(shù),外帶8Mbit Flash.標(biāo)準(zhǔn)HCI接口(UART和USB),配上CSR固件,可以實(shí)現(xiàn)透明的串口通信.采集模塊和傳輸模塊的控制芯片采用美國(guó)Silicon Laboratories公司的C8051F系列的SOC,高速的8051核,配有豐富的數(shù)字和模擬外設(shè),功能強(qiáng)大.

采集模塊將傳感器的應(yīng)變電壓信號(hào)通過(guò)調(diào)理模塊調(diào)制至0～2.4 V提供給C8051F021的A/D轉(zhuǎn)換,采集模塊通過(guò)編程選擇使用nRF2401模塊或藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸.傳輸模塊實(shí)時(shí)接收采集模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù),其控制芯片采用C8051F040,該芯片內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)的Bosch全功能CAN模塊,完全符合CAN協(xié)議2.0B.傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將來(lái)自上位機(jī)的命令按通信協(xié)議發(fā)給采集模塊，并將采集模塊的六維力數(shù)據(jù)按通信協(xié)議通過(guò)CAN BUS發(fā)給上位機(jī).

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采集模塊硬件設(shè)計(jì)

圖2為采集模塊硬件設(shè)計(jì)框圖.

圖2 采集模塊硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of the acquisition module

圖2中C8051F021帶有JTAG接口能快速的進(jìn)行在線編程,傳感體得到的電壓信號(hào)由信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理,使之置于C8051F21的A/D轉(zhuǎn)換范圍,然后和碼盤模塊的角度數(shù)據(jù)按協(xié)議組成一個(gè)包,經(jīng)串口送往藍(lán)牙模塊,或經(jīng)SPI總線送往nRF2401模塊發(fā)往傳輸模塊,也可以直接存儲(chǔ)到本地SD模塊，具體根據(jù)實(shí)際情況自由選擇.信號(hào)調(diào)理如圖3,傳感體應(yīng)變片即4個(gè)R組成的電橋,測(cè)得的信號(hào)常常十分微弱,差分電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電容濾波接入AD620正負(fù)輸入端,2個(gè)47 K固定電阻和1個(gè)200 K精密可調(diào)電阻組成校準(zhǔn)電路,微調(diào)校準(zhǔn)輸入電壓.通過(guò)調(diào)節(jié)Rg可以設(shè)置AD620的增益,增益公式如下:

調(diào)節(jié)Rg可以使增益G范圍為1～10 000.AD620輸出的在單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)的電壓經(jīng)過(guò)RC濾波后接入單片機(jī).車輪力傳感器的六維力(側(cè)向力Fy,垂直力Fz,縱向力Fx,回正力矩Mz,側(cè)傾力矩Mx,扭矩My)都通過(guò)類似的信號(hào)調(diào)理電路調(diào)節(jié),輸出電壓經(jīng)通道1～6(圖3中CH1～CH6)接入C8051F021的A/D轉(zhuǎn)換器的6路輸入端.

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit diagram

2.2 傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)如圖4,JTAG接口、藍(lán)牙模塊、nRF2401模塊與采集模塊配對(duì),采用CAN總線方式與上位機(jī)通訊.CAN總線是汽車系統(tǒng)中應(yīng)用理想的總線接口方式之一,具有可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等特性,最大通訊距離可達(dá)10 km,最大通訊波特率可達(dá)1 Mbps.C8051F040內(nèi)只集成有CAN控制器,收發(fā)器并沒(méi)有納入,文中采用CTM1050T,該芯片內(nèi)集成了所有必需的CAN收、發(fā)器件.負(fù)責(zé)將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平且具有DC2500V的隔離功能及ESD保護(hù)作用.

圖4 傳輸模塊硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of the transmission module

2.3 藍(lán)牙電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊電路如圖5,可以接5 V或3.3 V電壓,主、從模塊硬件電路一樣,不同的是核心板固件,主模塊可以發(fā)起配對(duì),從模塊只能接受配對(duì).在配對(duì)過(guò)程中和AT命令下,主、從模塊的LED燈都處于不斷閃爍的狀態(tài).主、從模塊密碼一致配對(duì)完成后則不再閃爍,保持常亮狀態(tài).主模塊斷電后能記住上一次配對(duì)過(guò)的從模塊,所以下一次配對(duì)時(shí)能自動(dòng)連接上一次配對(duì)過(guò)的從模塊.按下S1鍵可以清除主模塊的記憶,從而與其他的從模塊重新配對(duì).使用R1114DC/DC變壓器,能將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，方便與單片機(jī)直接相連.HC-06芯片是核心,帶有8M Flash,配置有藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口固件,通過(guò)TX，RX接口可直接與單片機(jī)串口相連,把藍(lán)牙直接當(dāng)串口使用,方便快捷，支持AT命令,可工作在串口的各個(gè)波特率下，文中采用115 200 bps.

圖5 藍(lán)牙模塊框圖Fig.5 Hardware block diagram of the bluetooth module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集模塊軟件設(shè)計(jì)

采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖6,系統(tǒng)和各個(gè)模塊初始化后進(jìn)行電量檢測(cè).采用電池供電時(shí)，采集模塊與傳感體都是密封在輪胎上隨輪胎一起高速旋轉(zhuǎn),電池如果電量不足,則蜂鳴器報(bào)警,及時(shí)更換電池.無(wú)線傳輸使用藍(lán)牙還是nRF2401可由實(shí)際情況確定.此外,采用SD卡進(jìn)行本地存儲(chǔ)方案也考慮在內(nèi),供使用者根據(jù)具體情況選擇使用.文中主要采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸.當(dāng)采集模塊收到01號(hào)命令則激活模塊,包括喚醒最小系統(tǒng),給各個(gè)模塊供電,使各模塊進(jìn)入工作狀態(tài);若收到02號(hào)命令則模塊休眠,進(jìn)入休眠狀態(tài),以節(jié)約用電;若收到03號(hào)命令則開(kāi)始采集,每隔5 ms采集一次,在5 ms內(nèi)采集模塊要完成A/D轉(zhuǎn)換按協(xié)議打包,通過(guò)無(wú)線發(fā)送出去;若收到04號(hào)命令則停止采集.

圖6 采集模塊軟件流程Fig.6 Software flow diagram of the acquisition module

3.2 傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖7,上位機(jī)通過(guò)CAN發(fā)送命令給傳輸模塊,這些命令包括激活、休眠、開(kāi)始采集和停止采集.傳輸模塊負(fù)責(zé)將這些按CAN格式的命令轉(zhuǎn)化成規(guī)定協(xié)議的命令格式發(fā)往采集模塊,并將采集模塊的命令返回或數(shù)據(jù)返回通過(guò)CANBUS送往上位機(jī),然后在上位機(jī)上完成后續(xù)的解耦去噪處理.程序在完成初始化后就處于等待上位機(jī)的命令狀態(tài),當(dāng)收到命令后就將其按協(xié)議處理并通過(guò)藍(lán)牙或nRF2401發(fā)往采集模塊,然后等待來(lái)自采集模塊的數(shù)據(jù)或命令返回,若收到命令返回則將其解析然后發(fā)給上位機(jī),然后進(jìn)入等待上位機(jī)的下一個(gè)命令;若收到數(shù)據(jù)則將這些數(shù)據(jù)打包按協(xié)議發(fā)送給上位機(jī),如果上位機(jī)沒(méi)有下一步命令(03號(hào)采集命令此時(shí)可以忽略),則繼續(xù)接收下位機(jī)的數(shù)據(jù),并按協(xié)議發(fā)往上位機(jī),直到上位機(jī)有非03號(hào)命令,如此往復(fù)循環(huán).

圖7 傳輸模塊軟件流程Fig.7 Software flow diagram of the transmission module

4 藍(lán)牙傳輸性能測(cè)試

搭建好采集系統(tǒng)的軟硬件并調(diào)試成功后,對(duì)nRF2401無(wú)線模塊和藍(lán)牙無(wú)線模塊分別進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比其優(yōu)劣.測(cè)試性能指標(biāo)包括速率和丟包率.由于汽車在不同路面環(huán)境下運(yùn)行,所以該系統(tǒng)的工作條件相對(duì)惡劣,其測(cè)試階段的實(shí)驗(yàn)條件包括隔金屬、非金屬障礙物、有無(wú)其他相同頻率段的設(shè)備干擾、接收發(fā)送設(shè)備相隔不同距離等.

兩種無(wú)線模塊傳輸測(cè)得的性能指標(biāo)分別如表1，2.

表1 nRF2401無(wú)線模塊測(cè)試Table1 Test of nRF2401 wireless module

表2 藍(lán)牙無(wú)線模塊測(cè)試Table 2 Test of bluetooth wireless module

由表1可知,nRF2401在靜止和近距離時(shí)其丟包率幾乎為零,但隨著實(shí)驗(yàn)干擾的增強(qiáng)(如附近有藍(lán)牙在工作、使其處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài))或距離的加長(zhǎng)(由原來(lái)的10 cm加長(zhǎng)到5 m),其丟包率明顯增大,最大可達(dá)40%.同等狀況下(表2),藍(lán)牙在不同實(shí)驗(yàn)條件下的性能表現(xiàn)穩(wěn)定,丟包率的變化在允許范圍內(nèi),且相較nRF2401明顯優(yōu)異,最大為4%.主要原因?yàn)閚RF2401一次編程只能工作在一個(gè)固定頻道上,而藍(lán)牙能工作在79個(gè)頻道上的任何一個(gè)頻道,且隨干擾情況的變化自由切換到其他干擾小的頻道,即跳頻工作方式.其抗干擾能力要強(qiáng)于nRF2401無(wú)線模塊.傳輸速率的大小受制于兩個(gè)無(wú)線模塊的核心芯片的性能,nRF2401采用SPI總線接口與MCU相連,工作頻率受主芯片工作頻率和軟件傳輸協(xié)議限制,使其理論上1 Mb/s的速率降到實(shí)際20 Kb/s,而藍(lán)牙采用UART串口于MCU相連,可配置到11.5 Kb/s,通過(guò)實(shí)際測(cè)算由于收發(fā)切換的損耗降為9.8 Kb/s,雖然兩個(gè)模塊的速率都滿足設(shè)備要求,但藍(lán)牙傳輸能使得采集點(diǎn)更加緊密,從而使得車輪力數(shù)據(jù)的采集更加精確.

5 結(jié)論

基于車輪力的藍(lán)牙無(wú)線采集系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成,調(diào)試通過(guò)并進(jìn)入實(shí)車測(cè)試.SD卡的本地存儲(chǔ)由于SPI讀寫(xiě)速度的限制,會(huì)造成數(shù)據(jù)的間隔性丟失,有待采用USB進(jìn)行讀寫(xiě)以彌補(bǔ)存儲(chǔ)速度的缺陷.通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的nRF2401無(wú)線模塊和藍(lán)牙無(wú)線模塊對(duì)比測(cè)試可知，在穩(wěn)定性和抗擾性方面藍(lán)牙模塊要優(yōu)于nRF2401無(wú)線模塊,由表1，2分析可知,藍(lán)牙的傳輸速率是nRF2401的5.12倍,隨著實(shí)驗(yàn)條件的復(fù)雜化和傳輸?shù)木嚯x變長(zhǎng),nRF2401的丟包率明顯比藍(lán)牙高很多,在干擾的情況下nRF401的丟包率平均為9%,而藍(lán)牙的丟包率平均為1%.隨著藍(lán)牙協(xié)議4.0的到來(lái),其功耗、速率、穩(wěn)定性和安全性都為采集系統(tǒng)的升級(jí)提供了廣闊的空間.

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