基于STM32的汽車檔位角度傳感子系統的設計與實現

廣東工業大學 張昌堯

基于STM32的汽車檔位角度傳感子系統的設計與實現

廣東工業大學 張昌堯

本系統是基于stm32的新型汽車檔位的測量系統及方法，主要采用功能強大的stm32單片機和性能優良的mpu-6050芯片進行開發，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模塊，STM32F051x微型處理器與角度傳感器組成的數據采集模塊以及STM32F051x微處理器的數據處理系統模塊。相對于傳統系統，本系統具有可移植性強，穩定性好，抗干擾能力強，檢測精度高等優點。

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，預計到2020年，全球的車用傳感器需求量將達到127.1億只。

1.汽車檔位角度傳感器子系統的建模過程

（1）檔位系統主要是采用傳統的手動擋汽車6檔位結構模型，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，直接通過數字接口就可以讀取傳感器的當前輸出。stm32、mpu-6050和24C02之間采用I2C通訊進行數據傳輸，不僅簡單、快捷，而且高效、準確。

（2）兩個角度傳感器根據公式計算出傾角大小

通過I2C接口讀出來的轉換結果ADC值，并不是以度每秒為單位。按以下公式進行轉換：

Anglerate = ADCrate /靈敏度

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

當選擇量程為±250dps的時候，將會得到分辯率為131LSB/ (o/s)。也就是當載體在X+軸轉動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。也就是當載體在X+軸轉動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，就是轉過的角度。把每次計算出的角度做累加就會等到當前所在位置的角度。

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

角x=角1+角2+角3

假設從陀螺儀讀出的角速度為w，那總角度為：

假設經過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，而且總的角度是經過多次相加得到的，這樣誤差就會越積累越大，最終導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合在一起，使計算出的角度更準確。

3.STM32軟件模塊的功能實現

（1）微處理器通過I2C協議獲得傾角信號

如果SCL處于高電平時，SDA上產生下降沿，則認為是起始位，SDA上的上升沿認為是停止位。每次數據傳輸都是以一個起始位開始，而以停止位結束。傳輸的字節數沒有限制。最高有效位將首先被傳輸，接收方收到第8位數據后會發出應答位。通信速率分為常規模式（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送的器件。

（2）通過PWM（脈沖寬度調制模式）調試

系統的性能測試和功能調試主要是通過TIM和PWM來實現。脈沖寬度調制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，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中填入適當的數來輸出自己所需的頻率和占空比的方波信號。

4.系統測試及分析

（1）測試和現象

在電腦主機 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接線與開發板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PA.08和PA.09引腳，而通道1 和2 的互補輸出分別對應PB.13和PB.14引腳。前序工作準備好后，再在Keil uVision4 環境里打開main 的工程，編譯連接運行。觀察并記錄示波器圖像。

（2）結果分析

當通道1模擬的是x軸方向的檔位變化時，設置通道 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仍為17.57kHz，則通道1占空比為25%，其互補通道占空比變為75%。由此就可以判斷出汽車檔位x軸方向的變化情況。

同理，當通道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.結束語

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

張昌堯（1990—），男，廣東茂名人，碩士，研究方向：機器視覺、機器人。