基于混合異構計算平臺的車輛行駛狀態參數實時采集技術

劉永濤，賴延年，趙俊瑋

（長安大學，西安 710064）

車輛行駛狀態參數能夠表征車輛運行技術狀態、車輛行駛特性規律、駕駛員操控車輛的駕駛意圖以及駕駛員的駕駛習慣，是研究車輛縱向危險行駛狀態辨識機理的重要依據之一。一方面，能夠為車輛建立可靠的縱向行駛安全域方案集，并為車輛橫向危險行駛狀態辨識模型提供基礎參數支持；另一方面，車輛行駛狀態參數實時采集還能為涉及交通事故各方的事故責任確定以及公安交通管理部門公正執法提供重要參考[1-4]。因此，對車輛行駛狀態參數采集的研究和探索具有重大現實意義。

現階段常見的相關采集系統和采集方法有基于GPS雷達的檢測方法[5]、基于CCD視覺傳感器的檢測方法[6-9]以及基于車輛CAN總線的檢測方法[10-11]等。基于GPS雷達的車輛行駛狀態參數采集方法采用區位移動測速，即利用GPS天線確定移動車輛空間坐標，再解算某個節點內車輛沿縱向行駛的距離來計算車速，一般以每分鐘為一個時間節點進行傳輸顯示。該車輛行駛狀態參數采集系統使用便捷，但系統使用成本較高，且不能采集轉向信號關鍵參數。基于CCD視覺傳感器的車輛行駛狀態參數采集方法利用實時采集的視頻圖像，通過圖像處理算法進行實時結算車速，該方法使用快速、便捷、成本低，但其精確度不能保證，尤其是圖像處理算法受光照、天氣的干擾較大。基于車輛CAN總線的檢測方法通過車輛CAN總線的發射器、接收器及車輛ECU單元傳輸車輛相關參數，使用CAN采集卡得到車輛行駛狀態參數，該檢測方法精確度較高，但無法應用于沒有裝備CAN總線的車輛。針對上述車輛行駛狀態參數采集方法的局限性，自行設計并實現了車輛行駛狀態參數采集系統，該系統以Freescale公司的MC9S12XS128處理器為核心，通過采集車速脈沖信號，經過光耦隔離、傳入至處理器MC9S12XS128進行車輛行駛狀態參數解算。

1 面向行駛參數采集的混合異構計算平臺硬件設計

車輛行駛狀態參數實時采集系統按照功能化、模塊化的標準設計硬件，并根據系統計算平臺中的不同功能劃分為若干子系統：行駛狀態參數采集顯示系統、微處理器系統、信息交互系統等。由于車輛行駛環境的復雜性，如大風、雷雨、冰雪等惡劣自然天氣及道路上下坡環境，車輛行駛狀態參數實時采集系統的設計應具有系統的復雜度低、體積便于安裝、良好的可靠性、數據采集的精確性及便于系統的后期維護擴展。混合異構計算平臺的硬件電路架構如圖1所示。

圖1 混合異構計算平臺的硬件電路架構

1.1 基于微處理器的最小系統設計

混合異構計算平臺處理器模塊的主要作用是將采集的客運車輛行駛狀態的參數信號轉變成最小系統能識別的參數數值，將處理后的相關參數通過顯示屏顯示出來并完成與工控機的數據交互。最小系統主要由四大模塊組成，分別是振蕩器與時鐘電路模塊、復位模塊、電源模塊和處理器模塊，其中所選用的MC9S12XS128處理器芯片能滿足系統所要求的穩定性、處理能力以及抗干擾能力。

1.1.1 振蕩器與時鐘電路

時序邏輯電路對于穩定性的要求較高，如果設計不當將有可能對其它電路產生高頻信號干擾，因此，選擇外部有源振蕩器的連接方式，并采用MC9S12系列單片機的參考時鐘電路[12]來進行振蕩器和時鐘電路模塊的設計。微處理器的系統振蕩器電路模塊設計，如圖2所示。

圖2 微處理器的系統振蕩器電路模塊設計

同時，硬件平臺設計了鎖相環濾波電路，主要為保證微處理器穩定可靠運轉。如果微處理器系統缺乏濾波電路，可能會造成壓控振蕩器輸出端電壓波動頻繁，從而導致系統工作不穩。該電路主要是為了濾去電壓中的紋波，確保系統供電穩定性。

1.1.2 復位模塊

復位模塊的主要目的是為了及時糾正系統出現死機或者內部程序運行出現錯誤的情況，按下微處理器系統的復位開關，復位模塊電路會產生低電平使微處理器復位，方便調試。微處理器的系統復位電路模塊，如圖3所示。

圖3 微處理器的系統復位電路模塊

1.1.3 電源模塊

整個混合異構硬件系統平臺需要該模塊提供所需電壓，電源模塊的設計要求所提供的電壓穩定，能維持系統正常工作，并能保證系統斷電時具有數據保護功能。為避免安裝在車輛上的眾多電氣設備所產生的電磁干擾，在該系統模塊中增加濾波電路，以降低電源的高頻干擾，通過在電路中加入發光LED，來顯示微處理器的通電狀態。系統外圍電源電路如圖4所示。

圖4 系統外圍電源電路

車輛上所提供的電壓一般為24 V或者12 V，因此需設計降壓至5 V來滿足單片機正常工作的電路，選擇具有負載能力大，穩壓性能好，轉換效率高的LM2596-5芯片進行降壓，系統降壓電路如圖5所示。

1.1.4 處理器模塊

處理器模塊集成了采集各種參數所需的接口，其中，為編寫程序方便，增加BDM編寫接口電路。整個電路為了減少布線不精確和裝配誤差等問題，采用PCB印刷板形式，因此整個電路具有布局緊湊合理、質量輕和外形美觀等優點。

1.2 面向車速信號干擾抑制的光耦隔離系統硬件設計

為了消除車速脈沖信號包含的其它冗余干擾，混合異構計算平臺系統設計了光耦隔離電路，從而進行精確的車速計算，其中光耦合器起到了隔離輸入、輸出信號的作用，使信號滿足保持單向傳輸、穩定工作以及抗干擾的要求。光耦隔離電路設計如圖6所示。

圖6 光耦隔離電路

1.3 體現自組織任務分配的車輛行駛信息采集設計

車輛行駛狀態表征參數包括轉向燈信號、制動信號以及車速等多種參數。針對車輛縱向行駛安全保障的需求，采集轉向信號和車輛速度信號。從車輛儀表盤信號線接入電路可以采集車輛的轉向信號，從車速傳感器接入電路可以采集到車速信號[13]。因此，只需設計相應的硬件電路，即可把原始的信號形式轉化為單片機可識別的參數。利用電壓比較器采集轉向信號的硬件電路如圖7所示，利用車速傳感器采集車速信號的硬件電路如圖8所示。

圖7 轉向信號采集電路

圖8 車速信號采集電路

1.4 基于RS-232串行通信協議的數據交互電路設計

為了使所采集的信息可以傳輸至工控機組件中，采用RS-232串行通信協議實現處理器模塊與開發板通信，其中僅使用3根線：RXD、TXD和GND，RXD和TXD引腳分別連接至MC9S12XS128單片機的PS0和PS1引腳。

2 車輛行駛參數采集模塊化細粒度算法設計

整個系統平臺搭建完成之后，還應確定處理器模塊算法，先通過微處理的時鐘模塊設置系統工作頻率，再通過電壓比較器設置車輛轉向信號判斷規則，然后用增強型捕捉定時器模塊設置車速脈沖信號統計規則，并基于變速器動力傳遞原理解算實時車速，最后通過數據交互模塊將處理后的行駛參數傳至工控機組件硬件平臺。

2.1 用于脈沖信號檢測的ECT模塊算法設計

在進行車速信號檢測之前，需設置時鐘任務模塊，通過對SYNR、REFDV兩個寄存器的設置，實現單片機的超頻，對應時鐘任務模塊算法設計流程如圖9所示。ECT模塊又稱增強型捕捉定時器模塊，通過級聯形成PACA、PACB兩個16位通道，設定車速信號觸發撲捉方式，對有效觸發邊沿的次數進行統計，對應ECT模塊的設計流程如圖10所示。

圖9 時鐘任務模塊算法設計流程

圖10 ECT任務模塊算法設計流程

2.2 車輛行駛狀態參數計算模型構建

直接提取車速傳感器在變速器上采集到的車速脈沖信號，根據變速器動力傳遞原理及相關公式，推算出車輛車輪轉速。車輛運行速度計算模型為：

式中：Vc為車速，m/s；i為傳動系統主減速比；d為車輪直徑，m；n為車輛變速器輸出軸轉速，r/min。

通過變速器配置說明獲取主減速比值，測量得到車輪直徑值，脈沖信號檢測由單片機中捕捉中斷函數獲得，變速器輸出軸轉速通過傳感器計算獲取，基于動力傳遞原理，對車輛運行速度進行實時解算。車輛行駛速度解算流程如圖11所示。

圖11 車輛行駛速度解算流程

2.3 車輛行駛信息交互模塊算法設計

車輛行駛參數實時采集系統與工控機通信時需設定相同波特率，通過系統多次試驗測試，數據信息傳輸的最佳波特率為9600 b/s，通過設置SCI控制寄存器的收發方式實現數據交互。基于RS232通信協議的數據交互算法設計流程如圖12所示。

圖12 基于RS232通信協議的數據交互算法設計流程

表1 采集車速數據與車速表顯示數據對比

圖13 在環試驗數據分析

3 系統硬件在環試驗驗證

4 結論

對車輛行駛狀態參數實時采集系統進行了硬件構建和軟件設計之后，為驗證其合理性和算法有效性，選取奇瑞某轎車進行系統硬件在環試驗，將系統按要求連接好后，開始進行數據采集。采集車速數據與車速表顯示數據對比見表1，對應分析如圖13所示。

系統硬件在環試驗結果表明，本研究所構建的基于混合異構計算平臺的行駛參數采集平臺能準確采集車輛轉向信號，車速采集相對誤差平均值為6 %，由于車輛儀表盤本身顯示的車速數值要高于實際的車速數值，行業規定一般應高于實際值4 %～10 %[14]，因此，該車輛行駛狀態參數實時采集系統符合預期需求。

本文通過將MC9S12XS128作為控制器芯片，搭建基于混合異構計算平臺的車輛行駛狀態參數采集系統，其中包括行駛狀態參數采集顯示系統、微處理器系統、信息交互系統等。根據不同模塊的設計要求，對任務模塊化細粒度算法并行設計，通過處理采集的車速信號和轉向信號，實時解算車輛行駛狀態參數，并將其傳送至相應顯示平臺進行有效性檢驗。系統平臺硬件在環試驗結果表明，該系統能有效采集車輛轉向信號，車速數據檢測相對誤差平均值為6%，滿足平臺工作預期需求，可對車輛行駛狀態參數進行實時有效的采集。