汽車碰撞實(shí)驗(yàn)車載測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用汽車碰撞實(shí)驗(yàn)車載測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)北京清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L)*?(! 陳亞東 張金換 黃世霖摘要M一種在自行研制的車載測試系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)采集板 !闡述了其硬件結(jié) 構(gòu) 和 軟 件 設(shè) 計(jì) "該 數(shù) 據(jù) 采 集 板 采 用 單 獨(dú) 的 "2/ 控 制 ! 采 集 電 路 以 一 片 ). 位 高 速 0 1 $ 芯 片 "0N).* 為 核 心 ! 數(shù) 據(jù) 采用了循環(huán)存儲的思想 !數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了多通道的同步 # 高速 ! 并實(shí)現(xiàn)了沖擊條件下 的 大 容 量 數(shù) 據(jù) 的 可靠保存 " 實(shí)驗(yàn)證明了這種采集板的可靠性 &quo

2、t;關(guān)鍵詞 ! 碰撞數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)存儲同步可靠性在汽車被動安全性研究中 ! 碰撞實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn) ! 而通過合適的測量技術(shù)取得整車或零部件和模型假人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能保證實(shí)驗(yàn)的成功 " 汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中的電測量技術(shù)主要有兩大類 #一類是拖長線測 量 方 式 $一類是車載數(shù)據(jù)采集 " 隨著研究的深入和對測量技術(shù)要存儲單元"!/控制邏輯).求的提高 !對后一種測量方式的需求更加迫切 "汽車碰撞實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)高速大沖擊的實(shí)驗(yàn) ! 車載測試系統(tǒng)需要具備能承受大沖擊 % 通道數(shù)多 % 大容量數(shù)據(jù)可靠存儲及觸發(fā)準(zhǔn)確的特點(diǎn) " 國外的碰撞實(shí)驗(yàn)車載測試系統(tǒng)已形成比

3、較成熟的產(chǎn)品 ! 但價格相當(dāng)昂貴 " 而國內(nèi)的測試設(shè)備也都是在各自領(lǐng)域研制 ! 不適合在碰撞實(shí)驗(yàn)通道 )通道 .通道 (調(diào)理調(diào)理調(diào)理采樣 1 保持采樣 1 保持采樣 1 保持多路開關(guān)"/N位01O轉(zhuǎn)換器的惡劣環(huán)境條件下使用 "數(shù)據(jù)采集板是這種車載測試設(shè)備的核心 ! 本文比較圖 )數(shù)據(jù)采集板的結(jié)構(gòu)圖緩沖器深入研究了一種用于該車載設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集板 " 按照正 面 碰 撞 乘 員 保 護(hù) 的 設(shè) 計(jì) 規(guī) 則 &!"#$%&( 中 對 測 試儀器的規(guī)定 ! 將本車載 測 試 系 統(tǒng) 中 的 數(shù) 據(jù) 采 集 板 每 個 通道 采 樣 頻

4、 率 設(shè) 計(jì) 為 )*+,- ! 模 擬 信 號 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字 量 采 用). 位 的 數(shù) 字 長 度 " 考 慮 到 信 號 后 續(xù) 分 析 處 理 的 需 要 ! 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使各通道信號采集完全同步 "! 數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)原理車載測試系統(tǒng)采用多塊數(shù)據(jù)采集板并行工作的方式 ! 由單獨(dú)主模塊負(fù)責(zé)觸發(fā)判斷 " 每個數(shù)據(jù)采集板作為整 個 測 試 系 統(tǒng) 中 的 一 個 獨(dú) 立 子 模 塊 ! 使 用 單 獨(dú) 的 "!/完成采集板的控制工作 " 同類采集板中大多是用一塊01$ 芯片負(fù)責(zé)一路通道信號采集來滿足同時性的要求 ! 但這樣使大數(shù)目通道

5、擴(kuò)展很困難 ! 并且使整個系統(tǒng)很龐雜 ! 降低了碰撞時 的 可 靠 性 " 在 本 板 設(shè) 計(jì) 中 每 塊 數(shù)據(jù)采集板使用一塊 0 1 $ 芯片實(shí)現(xiàn)四個通道信號的同步采集 " 這樣通過減少芯片數(shù)量使采集板的可靠性得到提高 " 采集板結(jié)構(gòu)示意圖如圖 ) "在測試系統(tǒng)工作時 ! 數(shù)據(jù)采集板不斷把傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 ! 循環(huán)存 儲 在 數(shù) 據(jù) 采 集 板 的 存 儲 器 中 " 當(dāng)數(shù)據(jù)采集板接收到控制模塊產(chǎn)生的碰撞結(jié)束信號時會產(chǎn)生中斷 ! 停止數(shù)據(jù)采集 ! 等待與地面微機(jī)的通信 "!"" 硬件組成"#! $

6、%& 和 地 址 空 間數(shù)據(jù)采集板的 "2/ 采用 "343%350 公司的 高 檔 6 位 單片 機(jī) " ! 7 6 , 2 89):; <=>! 這 種 單 片 機(jī) 在 汽 車 的 復(fù) 雜 工況下有著廣泛的應(yīng)用 ! 并且在某安全氣袋控制器中也得到了實(shí)際應(yīng)用 ! 實(shí)踐證明它的耐沖擊性符合本數(shù)據(jù)采集板 的 要 求 " 它 在 擴(kuò) 展 模 式 下 有 ? 根 數(shù) 據(jù) 線 和 ) 根 地 址線 ! 可 以 尋 址 (AB 的 空 間 " 這 種 "!/ 對 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 和程 序 存 儲 器 的 尋 址 是 統(tǒng)

7、一 的 ! 都 在 這 7CAB 空 間 內(nèi) ! 通過 設(shè) 置 相 關(guān) 寄 存 器 重 新 安 排 單 片 機(jī) 的 %0" 區(qū) 和 寄 存 器區(qū) ! 使 在 配 置 后 的 地 址 空 間 中 D*ED2FFF 是 連 續(xù) 的 數(shù)據(jù)存儲器區(qū) "但 是 受 單 片 機(jī) 最 大 尋 址 (AB 的 限 制 ! 數(shù) 據(jù) 存 儲 器的空間很小 " 由于每塊數(shù)據(jù)采集板要存儲四個通道模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果 ! 數(shù)據(jù)存儲器的容量必須有足夠大才能保證 存 儲 較 長 時 間 的 信 號 " 為 此 使 用 了 兩 片 G).AB 的H%0" 芯 片 .?G). 作

8、為 外 擴(kuò) 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 " "!/ 只 有 )根地址線 ! 所以采用分頁擴(kuò)展存儲器技術(shù) ! 用 ( 根I3%4 0 的輸出端口線!使每片 .?G). 形成 ? 個 (AB 的頁面" 在每個頁面上D*ED!FFF 可以用來存儲數(shù)據(jù)" 從而系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)存儲空間是 )JG.K?=.AB ! 即 每 個 通 道(計(jì)算機(jī)應(yīng)用的 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 容 量 是 !"#$% ! 若 采 樣 速 率 以 &"() 計(jì)!"#$ % & 轉(zhuǎn)換電路算 " 而 每 個 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果 為 &!*+, &q

9、uot; 最 大 占 用 ! 個 字 節(jié) 空 間 "所 以 系 統(tǒng) 可 以 保 存 的 每 個 通 道 數(shù) 據(jù) 時 間 是 !"#-.&"/!01&"234 " 滿 足 系 統(tǒng) 要 求 !"! 信 號 調(diào) 理 電 路汽 車 碰 撞 實(shí) 驗(yàn) 中 采 用 5676 公 司 的 壓 阻 式 傳 感 器 "它內(nèi)部集成了穩(wěn)壓裝置 " 還具有溫度補(bǔ)償功能 " 自帶放大 " 使 傳 感 器 的 輸 出 范 圍 變 成 了 8!9 ! 本 信 號 調(diào) 理 電 路首先對傳感器的信號放大 ! 倍 &

10、quot; 這樣傳感器的信號輸出范 圍 可 與 一 般 的 : ; < 模 擬 端 輸 入 范 圍 8=9 相 匹 配 " 提高 了 系 統(tǒng) 的 轉(zhuǎn) 換 精 度 ! 此 放 大 電 路 部 分 采 用 了 :< 公 司的 儀 表 放 大 用 芯 片 :<>!" " 并 且 硬 件 上 使 放 大 倍 數(shù) 可 以在 檔 位 & #! #= #&" 間 調(diào) 節(jié) " 這 樣 在 不 同 沖 擊 強(qiáng) 度 的 實(shí) 驗(yàn)中都可使信號轉(zhuǎn)換的分辨率較高 ! 放大后的信號還被?:!A& 構(gòu) 成 的 程 控 濾 波 器

11、 濾 波 后 送 入 : ; < 轉(zhuǎn) 換 電 路 !按 碰 撞 法 規(guī) 要 求 " 濾 波 頻 率 設(shè) 定 為 !() !: ; < 轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集板的核心 " 此板設(shè)計(jì)中選擇了 ?:B? 公 司 的 &! 位 高 速 : ; < 轉(zhuǎn) 換 芯 片 ?:&!" C!D "它 具 有 雙 極 性8=9 的 電 壓 輸 入 范 圍 " 完 成 一 次 轉(zhuǎn) 換 的 時間 為 &2> 微 秒 " 內(nèi) 部 具 有 采 樣 保 持 電 路 和 低 漂 移 的 電 壓基 準(zhǔn) " 具 有 標(biāo)

12、準(zhǔn) 的 微 處 理 器 $!E % 接 口 ! 利 用 這 種 芯 片 組成的 : ; < 轉(zhuǎn)換電路如圖 ! !圖 ! 中 的 ?:F"# C !D 是 ?:B? 公 司 的 多 路 開 關(guān) G 它具 有 低 導(dǎo) 通 電 阻 $ 小 于 &""" % # 低 泄 漏 電 流 的 特 點(diǎn) " 典 型開 關(guān) 切 換 速 度 為 #= 納 紗 !?:&!" 的 輸 入 阻 抗 為 >"G 如 果 : ; < 芯 片 與 多 路開關(guān)直接連接 " 輸入信號在多路開關(guān)上的分壓將會引起的 誤 差

13、 近 似 為 &"" 1&2>HI ! 這 個 誤 差 超 出 了 要 求 的 精>"""度范圍 " 為此在 : ; < 芯片前加上輸入緩沖器 ! 在此選用?:B? 公 司 的 高 速 緩 沖 放 大 器 ?:3"= C !D" 它 的 輸 入 阻圖 ! ?:&!" 的 : ; < 轉(zhuǎn) 換 電 路!計(jì)算機(jī)應(yīng)用圖 5 系統(tǒng)控制時序圖抗 為 !"#$!% 輸 出 阻 抗 為 &"&! ! 這 樣 信 號 在 多 路 開 關(guān)系統(tǒng)

14、工作時 ! 切換通道和啟動 - . / 轉(zhuǎn)換器使用同上引起的壓降誤差只有&&!"#(& )*&"&&+, " 緩 沖 器 本 身一條指令 67-8/99& !:;-<=>近于零內(nèi)阻 ! 保證了信號在傳輸?shù)?- . / 芯片的輸入端不會引起大的失真 " 實(shí)際設(shè)計(jì)中采用這一方式大大提高了系統(tǒng)的精度 "由于數(shù)據(jù)采集板只用了一塊 - . / 芯片 ! 為了保證各路信號的轉(zhuǎn)換都同步 ! 設(shè)計(jì)中在多路開關(guān)之前給每路信 號 都 加 上 采 樣 保 持 電 路 #-/01 $ 23 % 采 集

15、 板 工 作 時 ! 每次采樣循環(huán)中 ! 首先發(fā)出采樣 . 保持信號使各通道信號被同時采樣后進(jìn)入保持狀態(tài) ! 隨后多路開關(guān)逐步選通每一路模擬信號進(jìn)入 - . / 轉(zhuǎn)換器 "采 集 電 路 采 用 $-4!& 的 全 控 制 方 式 & 方 式 $ % 在這種方式下形成的系統(tǒng)工作時序如圖 5 所示 %!"當(dāng) 這 條 指 令 執(zhí) 行 時 ! 譯 碼 形 成 的 >-= 與 = 時 鐘 信 號的 邏 輯 組 合 使 >= 呈 高 電 平 ! 選 通 0+;:505 ! 數(shù) 據(jù) 總 線 上的 通 道 號 :;-<=> & 對 應(yīng) 數(shù)

16、據(jù) 總 線 的 -/! (-/ (-/& $和 多 路 開 關(guān) 控 制 信 號 $=< 通 過 0+;:505 分 別 出 現(xiàn) 在$-45&1 的 地 址 選 擇 端 和 控 制 端 ! 對 應(yīng) 通 道 的 模 擬 信 號經(jīng) 過 $-45&1 輸 出 到 緩 沖 器 $-4+&# % 在 下 個 = 時 鐘 !>= 變 成 低 電 平 !0+;:505 鎖 存 通 道 號 和 控 制 信 號 $=< !選 中 通 道 的 模 擬 信 號 始 終 保 持 在 $-45&1 輸 出 端 ! 直 到下次通道選擇指令被執(zhí)行 %$-45&

17、1 的 一 路 被 選 通 的 同 時 ! >-= 信 號 還 與 寫 信號 !?! 進(jìn) 行 邏 輯 組 合 作 為 - . / 轉(zhuǎn) 換 器 $-4!& 的 啟 動計(jì)算機(jī)應(yīng)用信 號 ! 考 慮 到 被 選 中 通 道 的 模 擬 信 號 出 現(xiàn) 在 !"#$%& 輸出端需要一定的建立時間才能達(dá)到合適精度 " 同時工作在 方 式 下 的 !"#()% 其 內(nèi) 部 采 樣 保 持 器 也 需 要 一 定的 采 樣 時 間 #$*+ 納 秒 $ 來 捕 捉 輸 入 模 擬 信 號 " 因 此 在!"#$%& 的 通 道

18、切 換 和 啟 動 !"#()% 之 間 需 要 一 定 的 時間間隔才能保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度 % 為此設(shè)計(jì)中選擇了使,"- 與 ).) 信 號 相 或 " 再 通 過 兩 片 !#/(+ 延 遲 芯 片延 時 0+ 納 秒 作 為 " 1 / 轉(zhuǎn) 換 器 的 啟 動 信 號 234 ! 轉(zhuǎn) 換啟 動 后 "!25 通 過 與 6"+ 管 腳 相 連 的 748 1 95:. 信 號 判斷轉(zhuǎn)換完成 ! 在讀數(shù)據(jù)指令執(zhí)行的同時 " 轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀系統(tǒng)上電系統(tǒng)初始化系統(tǒng)自檢設(shè)置采樣參數(shù)四通道循環(huán)采樣存儲一次信 號 ).$ 控 制 &

19、quot; 通 過 總 線 緩 沖 器 ;0<2)0* 送 入 !25 的數(shù) 據(jù) 總 線 " 被 讀 入 !25 后 再 寫 入 存 儲 器 單 元 !采樣結(jié)束 )4!"# 存 儲 單 元設(shè) 計(jì) 中 的 數(shù) 據(jù) 存 儲 單 元 選 用 了 兩 片 ="! 芯 片>)&*() ! 考 慮 到 實(shí) 際 實(shí) 驗(yàn) 是 大 強(qiáng) 度 撞 擊 " 使 用 時 用 非 易失 性 :="! 來 代 替 ! <?()* 是 與 >)&*() 完 全 兼 容 的 非易 失 性 :="! 芯 片 " 可 以

20、直 接 代 替 >)&*() 使 用 " 并 且 其內(nèi)置鋰電池 " 在無外部供電的情況下數(shù)據(jù)能保存相當(dāng)長的時間 ! 這樣就保證了即使實(shí)驗(yàn)中遇到大沖擊強(qiáng)度使系統(tǒng)電源斷掉的情況 " 也可以把實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)保存下來 " 大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性 !$ 采集板軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集板軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個功能 & 完成對模擬量的 采 樣 和 存 儲 與 62 機(jī) 聯(lián) 機(jī) 通 訊 % 主 程 序 流 程 如 圖 0 所示 % 在設(shè)置采樣參數(shù)后 " 數(shù)據(jù)采集板對 0 路模擬信號進(jìn)行一次循環(huán)采樣 " 存儲結(jié)束后根據(jù)采樣結(jié)束標(biāo)志判斷是否已完

21、成數(shù)據(jù)采集工作 % 其中采樣結(jié)束標(biāo)志是在主模塊判 斷 觸 發(fā) 后 ( 數(shù) 據(jù) 采 集 板 中 的 外 中 斷 #7= $ 響 應(yīng) 時 " 執(zhí)行中斷子程序時設(shè)置的 % 在采集過程中 " 程序把采集到的數(shù)據(jù)連續(xù)存儲 " 每當(dāng)所設(shè)地址指針到達(dá)數(shù)據(jù)存儲區(qū)底部時 " 設(shè)定其重新指向存儲區(qū)頂部 " 用重新存儲的數(shù)據(jù)刷新原來的數(shù)據(jù) % 采樣結(jié)束后在數(shù)據(jù)存儲器區(qū)最后一次的 采 樣 數(shù) 據(jù) 之 后 存 儲 連 續(xù)A+B 個ABBC 作 為 采 樣 結(jié) 束 的 標(biāo).存儲采樣結(jié)束標(biāo)志 等待通訊圖 0 數(shù)據(jù)采集板主程序流程圖度 地 利 用 了 存 儲 空 間 % 與 其 它 模 塊 一 起 可 以 構(gòu) 成 更 多通道數(shù)的采集系統(tǒng) %在整個板卡設(shè)計(jì)中沒有采用任何可調(diào)節(jié)的元器件 "在系統(tǒng)固定上采用了很好的固化與緩沖 " 這些措施也大大提高了系統(tǒng)的耐沖擊性和可靠性 % 在與原有測量系統(tǒng)的 對 比 實(shí) 驗(yàn) 中 "對 于 相 同 輸 入 信 號 " 使 用 該 數(shù) 據(jù) 采 集 板 的車載測試系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的采集結(jié)果體現(xiàn)了很高的一致性 " 滿 量 程 的 誤 差 小 于 +D&E " 符 合 系 統(tǒng) 的 精 度 要 求 " 取 得了較好的效果 % 同時這一數(shù)據(jù)采集板還