車輛運行參數采集系統設計

金嘉+彭遠行

摘 要：針對傳統汽車運動參數采集系統的缺點，設計一套基于STM32的ARM平臺的新型采集系統，可以采集車輛運動參數和狀態參數，包括位置信息、姿態信息、開關量、模擬量、頻率量等，并把參數進行時間同步，以此來判斷車輛的整車性能。

關鍵詞：數據采集 檢測系統 設計

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0017-03

汽車整車道路性能試驗是通過對汽車運動參數進行測量和分析實現的，需要實時記錄運動性能參數，運動性能參數包括軌跡、速度、加速度和角速度等一系列參數，而傳統的測試方法需要用各個單獨的儀器對這些參數進行分別測試。傳統姿態測量的機械陀螺平臺體積大、質量重。現代電子產品的集成度越來越高，慣性測量系統具有精度高、體積小、功耗低、穩定性好等優點。

該文設計的車輛運行參數采集系統，基于STM32的ARM處理器平臺，集成了高精度GPS模塊、陀螺儀模塊、車輛運動性能參數采集模塊，記錄車輛在運行過程中的運行參數和狀態參數，以此達到性能分析的目的。

1 需求分析及系統設計

1.1 需求分析

汽車的性能測試依靠汽車的運動參數，故采集系統要提取車輛軌跡、加速度、速度、角速度等位置、姿態信息。為了全面檢驗整車性能，系統集成了一套信息采集板，實時測試和記錄在相應時刻的車輛狀態信息，如方向盤轉角、油門、剎車、油門等參數，并利用軟件，對所有數據進行時間同步。

1.2 系統設計

根據上述分析，對系統要采集的物理量和模塊進行分類，模擬量：油門，剎車等；開關量：車門，車燈等電氣開關；頻率量：發動機轉速等；接口量：使用ARM處理器各類通信總線外接的GPS、陀螺儀等模塊系統功能模塊。圖1是系統結構圖。

2 硬件設計

2.1 最小系統

采集系統是基于STM32的ARM平臺開發的，STM32擁有豐富的片上資源，免去了大量外接電路，提高了系統集成度，節約開發成本。外接8 M晶振，經過倍頻電路，使得CPU的時鐘頻率最高可達72 MHz，STM32的穩定性大大提高了系統工作性能。

2.2 模擬量

在時間上、數值上都連續變化的物理量稱為模擬量。對非電量進行測量、處理、控制時，要把非電量轉化成模擬電信號。標準的模擬電壓信號為0～10 V，標準的模擬電流信號為4～20 mA。

在汽車上有很多參數的檢測需要轉換為模擬量信號，如油門、剎車等。

將檢測端與檢測電路輸入端相連，檢測的信號經過LM324放大后與CPU的ADC通道相連，實現對非電量的量化和檢測。模擬量放大電路如圖2所示。

2.3 開關量

開關量，指控制繼電器的接通或者斷開所對應的值，即“1”和“0”。它有1和0兩種狀態，這是數字電路中的開關性質。

可用開關量對汽車某些特定器件的狀態進行描述，如車燈、車門等一系列只有兩種狀態的量。

系統設計了2組4路開關量采集電路，如圖3。開關量采集模塊使用了P181GB光耦電路，輸入端與汽車端待檢測器件相連，輸出端與STM32處理器的I/O相連接，當檢測到器件狀態發生變化時，通過光耦可以把變化的電流傳遞到CPU端，記錄變化狀態。

2.4 頻率量

頻率量測量原理，是通過相應的傳感器，將周期變化的特性轉化為電信號，再由電子頻率計顯示對應的頻率，如工頻、聲頻、振動頻率等。

頻率量是與被測量如轉速、流量、風向等物理量參數成比例的TTL電平的頻率信號，可能是脈沖頻率、周期或是脈沖數。該文采用電子計數法進行測量。由于STM32擁有較強的控制與運算功能，電子計數法的測量頻率范圍寬，精度高，易于實現。

利用光耦電路，可以把電量隔離，該系統采用了PG181GB光耦電路（如圖4）。利用施密特觸發器可以把變化緩慢地輸入信號整形成邊沿陡峭的矩形脈沖，可以實現脈沖波的整形，脈沖監幅，還可以利用其回差電壓的特性來提高電路的抗干擾能力。在頻率量采集電路中使用了HEF40106BT施密特觸發器，可以提高頻率采集電路的穩定性。

2.5 接口量

STM32擁有豐富的片上接口資源，系統利用這些接口外接了很多模塊設備，以此實現更多數據的采集。

系統使用了美國Trimble公司的高精度GPS模塊，BD982，原理如圖5。支持GPS L1/L2/L5和GLONASS L1/L2信號，具有精確定位和航向姿態測量功能，提供兩個連接的天線間及到遠程基站的多星基線RTK。模塊誤差率為1 Hz帶寬相位誤差<1 mm，支持GPS、DGPS、RTK工作模式。模塊輸出經緯度，方向角，實時GPS速度/加速度。數據傳輸協議支持TCP/IP，UDP等常用傳輸協議。

BD982使用了3路串口總線與CPU進行通信，1路網口接口，在系統中，模塊使用了RTK工作模式。

系統使用MPU6050陀螺儀對車輛的姿態信息進行測試，測量維數為加速度3維，角速度3維，姿態角3維；量程為加速度±2 g，角速度±2000°/s；數據輸出頻率100 Hz/20 Hz；模塊使用了IIC接口，通信接口簡介簡潔，節約了CPU的通用I/O口。

3 實驗驗證

利用采集系統對運行中的汽車進行參數采集實驗驗證，與上位機通信，驗證了系統的可行性。

4 結語

利用參數采集系統與上位機通信，采集和記錄車輛在運行過程中的運動參數和車輛的狀態參數，利用外接模塊可以獲得車輛的位置信息，姿態信息（如圖6）。運動參數可用于汽車整車性能實驗，可以結合車輛狀態參數做后續應用開發。

參考文獻

[1] 劉付強.基于MEM器件的捷聯姿態測量系統技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[2] 鄧海裳，王鳳梅.微型慣性測量組合姿態測試系統[J].傳感器世界，2004（9）：14-17.

[3] 周木子.便攜式汽車道路試驗數據采集及分析系統研究[D].南京：東南大學，2006.

[4] 周英煥，王憲.基于嵌入式系統新型車輛行駛記錄儀的硬件結構和軟件設計[J].江南大學學報，2004（1）：33-35，39.