基于STM32的FSAE賽車底盤數據采集系統設計

李淼林，戴海燕，徐杰龍，歐陽奕濤，陳曉楷

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州　510800）

基于STM32的FSAE賽車底盤數據采集系統設計

李淼林，戴海燕，徐杰龍，歐陽奕濤，陳曉楷

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州510800）

本文基于STM32設計了一套高精度、大容量、多通道、廉價的數據采集系統，包括硬件設計和軟件設計，使其應用于校內FSAE賽車的底盤調校，實現準確的數據分析與調試。該系統選用STM32F103ZET6作為微處理器，以SD卡作為存儲器，實現了多通道信號的同步、連續采集和存儲，具有性能穩定、實時性強、擴展靈活等特點。

數據采集；STM32；FAT32文件系統；數據存儲

2010年至今，我國FSAE賽事已經連續舉辦了五屆，各高校賽車設計已逐漸趨于成熟和同化。發動機標定技術的進步已使得各高校FSAE賽車的動力穩定而強勁，因此比賽成績主要取決于賽車在動態項目中的卓越表現——科學而高效的底盤調校。目前，國內賽車的底盤調校大多憑賽車手的主觀感覺，而缺乏客觀性和準確性，因此本文將針對華南理工大學廣州學院汽車工程學院FSAE賽車底盤，設計開發一套專用的經濟、高效、準確的數據采集系統，以便進行準確的數據分析與調試，顯著提高賽車的動態性能。

1　系統方案總體設計

1.1系統主要功能

本數據采集系統主要實現數據采集、數據傳輸和數據存儲三種功能［1］，具體如下：

1）多通道的模擬信號采集：采集并記錄方向盤轉向角和懸架減振器跳動位移。轉向角是通過在轉向盤下端的轉向軸處加裝角度傳感器來采集，懸架減振器跳動位移，則通過在減振器處加裝直線位移傳感器來采集；

2）多通道的脈沖信號采集：通過四個輪速傳感器，采集并記錄每個車輪的轉速，并存儲在大容量SD內存卡中。

系統方案總體設計框圖，如圖1所示。

圖1　系統方案總體設計圖

1.2系統工作原理

當系統外設傳感器（角度傳感器、直線位移傳感器和輪速傳感器）采集到原始數據信號后，通過信號調理電路對信號進行初步調理，再經過多通道模擬信號處理，進入A/D轉換器進行模數轉換，并實現多通道數據的同步采集，將轉換后的數字信號，通過數據采集主控制器將數據傳輸并存儲到SD卡中。同時，采集到的脈沖信號通過內部電路處理后進入計數器，每間隔一段時間獲取相應的脈沖數，并將其也存儲到SD卡中。最終從SD卡中導出相應數據，用于分析輪速與轉向角的關系、懸架減振器跳動位移與轉向角的關系等。

2　硬件設計

硬件設計采用模塊化設計方法，主要包括四個模塊：微處理器電路、A/D接口電路、外圍存儲器電路和系統外圍電路。

2.1硬件選型

由于本系統需要大量的數據傳輸和多通道脈沖信號的同步采集，故選用32位微處理器STM32F103ZET6，其運算速度快且功能全面，功能和配置可查閱文獻［2］。

2.2A/D采集芯片的選型

考慮芯片成本、采集通道數和硬件接口設計等方面的需求，本系統選用Analog Device的AD7656作為A/D采集芯片。它內部包含6個A/D轉換器，最大轉換速率為25Kbps，轉換時間為3us，支持6個通道同步采集，可用來處理高達4.5MHz的信號［3］。AD7656接口電路，如圖2所示。

圖2　AD7656接口電路

2.3外圍存儲器及電路設計

本系統選用微型SD內存卡作為存儲器［2］，并使用高速傳輸的SD模式。SD卡電路原理，如圖3所示。

圖3　SD卡電路原理

2.4系統外圍電路設計

系統外圍電路包括：電源電路、232串口通信電路、JTAG程序下載電路、時鐘電路和復位電路［4］，與一般硬件電路類似，本文不再詳述。

3　系統軟件設計

3.1系統軟件總體流程設計

本系統軟件的總體流程設計，如圖4所示。當系統上電后，先進行初始化，包括控制器各外設和驅動程序，然后檢測SD卡內存容量，并提示是否清空數據；同時檢測并接收外部傳感器的輸入信號，清空SD卡的舊數據，待接收到外部觸發信號后，重新建立新的數據文件，實現數據采集和數據存儲［5］。

3.2數據采集流程

A/D芯片采集一定時間的流程，如圖5所示。當檢測到外部觸發信號時，打開定時器中斷。定時中斷函數主要處理6個通道同步采集一個點的工作。每隔一定時間（若采樣率為100Kbps，則定時中斷時間設為10us），中斷觸發。當COMSTX變為高電平后，A/D轉換器開始采樣轉換，經過3us轉換時間，BUSY引腳輸出為0（低電平），即轉換結束。當接收到反饋信號——讀信號（RD）變低時，就從16位總線上讀取1個通道數據。當6個通道數據全部讀取完畢，即可退出中斷，等待下一次中斷到來。當達到采集時間，關閉定時器，停止A/D轉換［1］。

3.3數據存儲

為了避免數據丟失，本系統需要不間斷地進行信號采集和數據實時存儲，因此數據存儲過程采用雙緩沖區模式，同時使用DMA以加速數據傳輸。其工作原理是：首先在內存中開辟兩個容量相同的緩沖區（8K），在數據采集過程中，先將數據寫入第一緩沖區，寫滿后再寫入第二緩沖區，并啟動DMA加速數據傳輸，直接將第一緩沖區的數據傳輸到SD接口寄存器，寫入SD卡，保證數據采集和數據存儲的連續性和實時性［6］。

圖4　系統軟件總體流程圖

圖5　A/D采集一定時間的流程

4　FAT32　文件系統

4.1FAT32文件系統的結構

本系統選用FAT32文件系統，小容量數據通過Buffer存儲，大容量數據直接存取，提高了存取速度和效率。FAT32文件系統分為3個層次［1］：

1）API層：文件系統與用戶應用程序的接口；

2）文件系統層：對文件進行創建、讀取、寫入、關閉等操作；

3）底層驅動程序：讀寫SD卡。

FAT32文件系統的主程序包含五個文件：Diskio.c，diskio. h，ff.c，ff.h和integer.h。

其中Diskio.c和diskio.h是與底層硬件IO相關的函數，ff.c和ff.h為API接口函數，用于FAT32文件系統的配置和裁剪，integer.h定義了FAT32文件系統的數據類型。

4.2FAT32文件系統的移植

FAT32文件系統的移植過程主要實現：

1）核查integer.h是否與STM32函數庫相符；

2）實現六個底層函數：disk_initialize，disk_status，disk_ read，disk_write，disk_ioctl和disk_fattime的程序編寫。它們主要用來實現存儲介質的初始化和數據讀寫。限于篇幅，本文僅給出初始化函數程序。

4.3SD卡驅動程序的加載

本系統選用的 STM32F103ZET6微處理器，它有一個SDIO接口，如圖6所示。它采用4位數據總線模式，通過PC12、PC10、PC11、PC2、PC8和PC9六個引腳，實現對SD卡發送控制命令、地址和讀取數據等［7］。SDIO的命令、響應和數據傳輸格式可參考文獻［2］。

圖6　SDIO接口

SDIO_CK時鐘是通過PC12引腳連接到SD卡，實現SDIO接口與 SD卡的時鐘同步，可通過庫函數 SDIO_Init （&SDIO_InitStructure）進行時鐘的配置和初始化。

加載SD卡時，將庫文件stm32f10x_sdio.c添加到工程項目中，并調用其函數，實現SD卡的初始化和讀寫等操作。限于篇幅，下面僅給出部分初始化程序。

當SD卡執行完初始化函數后，將返回OK值，下一步進入讀函數。當SD卡的所有驅動程序執行結束，將調用FAT32文件系統提供的用戶接口函數：f_mount，f_mkfs，f_open，f_write，f_getfree，f_lseek和f_close，完成數據的寫入。

5　系統調試

圖7、圖8分別為華南理工大學廣州學院汽車工程學院FSAE賽車底盤的調試好的數據采集系統硬件電路板正面、背面。

圖7　數據采集系統硬件電路板正面

圖8　數據采集系統硬件電路板背面

6　結束語

本文完成了基于STM32的高速大容量數據采集系統的硬件電路設計和軟件設計，實現了FSAE賽車的轉向角信號、四個車輪的輪速信號和懸架減振器直線跳動位移信號的采集。降低了FSAE賽車底盤調校的成本和功耗，提高了數據采集的準確度和精度，從而提高FSAE賽車的動態性能。本系統實現了高速6通道數據信號的同步采集，并連接DMA高速總線和SDIO接口，數據存儲容量高達2G，并以FAT32文件系統形式實時存盤，以脫機方式工作。實踐證明，本系統時鐘電路和RTC時鐘電路較51系列和其他系列的MCU時鐘更加精準和穩定。本系統還具有CAN總線模塊，擴展靈活。可通過軟件升級，實現賽車底盤數據與發動機控制模塊的通信，繼而實現發動機的數據采集，并進一步優化賽車底盤參數。該數據采集系統在未來FSAE賽車的底盤調校中具有廣闊的應用前景。

［1］丁珍紅.基于STM32的高速大容量數據采集存儲系統設計［D］.上海：上海交通大學，2011.

［2］STMicroelectronics.STM32F103 Data Sheet［EB/OL］.［2007.11.8］. http：//www.st.com/stonline/products/literature/ds/13587.pdf

［3］Analog Device.Inc.AD7656 Data Sheet［EB/OL］.2004. http：//www.analog.com/static/imported-files/data-sheets/ AD7656.pdf

［4］孫虹.高速實時大容量數據采集系統的設計與實現［D］.天津：天津理工大學，2008.

［5］周振安，范良龍，王秀英，等.數據采集系統的設計與實踐［M］.北京：中國地震出版社，2005.

［6］汪志剛.大容量數據采集存儲系統的研究與實現［D］.成都：電子科技大學，2010.

［7］陳麗珍，林小薇.嵌入式ARM微處理器選用指南［J］.單片機與嵌入式系統運用，2009（6）：35-38.

Design of data acquisition system of FSAE racing car chassis based on STM32

LI Miao-lin，DAI Hai-yan，XU Jie-long，OUYANG Yi-tao，CHEN Xiao-kai
（Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou 510800，China）

In this paper，a high precision，large capacity，multi channel，cheap data acquisition system based on the STM32 is designed，including hardware design and software design，which is applied to the FSAE racing car chassis calibration.It can realize accurate data analysis and debugging.The system uses STM32F103ZET6 as the microprocessor，uses SD as memory card，realizes multi channel signals synchronization，continuous acquisition and storage，has the characteristics of stable performance，strong real-time，flexible expansion，etc.

data acquisition；STM32；FAT32 file system；data storage

TN919.6

A

1674－6236（2016）06-0155-04

2015-04-29稿件編號：201504307

李淼林（1982—），女，湖北黃梅人，碩士，講師。研究方向：汽車電子、新能源汽車等。