摘? 要：?介紹一種安裝于假人體內(nèi)的多通道采集器" title="采集器">采集器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。采集器擁有16個(gè)采集通道,采用CAN總線通訊。使用這種采集器,假人無須拖線測量,減少了試驗(yàn)中斷線的可能,提高了測量的可靠性。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集? CAN總線? 微控制單元? HybridⅢ假人? 汽車碰撞

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　　HybridⅢ假人是國際上汽車正面碰撞試驗(yàn)使用的標(biāo)準(zhǔn)假人,其中50百分位男性假人應(yīng)用最為廣泛,除了應(yīng)用于汽車碰撞試驗(yàn)外,還用于其它沖擊試驗(yàn)中,如航空工業(yè)的飛機(jī)座椅彈射試驗(yàn)以及載人航天的回收艙落地沖擊試驗(yàn)等。

　　HybridⅢ假人的頭部、頸部、胸腔、骨盆、四肢的骨骼和關(guān)節(jié)處都經(jīng)專門設(shè)計(jì),不僅其沖擊響應(yīng)與真人相似,而且這些部位均可安裝相應(yīng)的傳感器。

　　通常,在汽車碰撞試驗(yàn)中,這些傳感器的導(dǎo)線從假人身體引出,然后連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備上。這樣做帶來的問題是,拖著的導(dǎo)線會因?yàn)檫\(yùn)動和劇烈的撞擊造成信號干擾或者斷線。而汽車碰撞是破壞性試驗(yàn),試驗(yàn)成本非常高,因此為了提高試驗(yàn)可靠性,最好把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="采集系統(tǒng)">采集系統(tǒng)完全內(nèi)置于HybridⅢ假人內(nèi)部。

　　但是假人內(nèi)部空間狹小,現(xiàn)有采集系統(tǒng)很難安裝進(jìn)去,因此必須充分利用假人內(nèi)部的空間,設(shè)計(jì)一個(gè)體積小、多通道、耐沖擊的采集器。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和總體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)要求

　　汽車碰撞法規(guī)對假人不同部位測量通道的頻率響應(yīng)作出了規(guī)定。根據(jù)我國的汽車碰撞法規(guī)《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則CMVDR294》的要求,測量通道最高頻率等級的要求是CFC1000,即:采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率>8kHz,最低通過頻率<0.1Hz,最高通過頻率為1650Hz。此外,法規(guī)還對濾波器的相位滯后以及采樣同步性作出了要求。

　　圖1顯示了HybridⅢ假人身上的部分傳感器的安裝位置,傳感器總的測量通道數(shù)可超過200個(gè),常用的有20多個(gè)。從圖1可知,假人胸腔中脊柱兩側(cè)有兩個(gè)空間,可以利用這兩個(gè)空間,各安裝一個(gè)內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集器。

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1.2 總體結(jié)構(gòu)

　　采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,系統(tǒng)分為地面部分和安裝于假人內(nèi)的部分。從假人各部位傳感器來的信號送入信號調(diào)節(jié)電路板,經(jīng)信號調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換成電壓信號,輸出至采集電路板,經(jīng)過低通濾波,然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲在采集電路板的非易失性存儲器中。采集電路板采用了2個(gè)14位的A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器,擁有16個(gè)獨(dú)立的采集通道,每通道采樣頻率為10kHz。

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　　試驗(yàn)后可以通過CAN總線把采集到的數(shù)據(jù)讀出送至PC機(jī)進(jìn)行分析處理。之所以采用CAN總線,首先,除了它的數(shù)據(jù)傳輸速度(最大1Mbps)比較快以外,更主要的是極易擴(kuò)展測量通道。試驗(yàn)中可以通過CAN總線把多個(gè)試驗(yàn)假人連接起來,再與車載的采集器連接起來,構(gòu)成一個(gè)分布式的采集系統(tǒng)。利用CAN總線實(shí)時(shí)性和可靠性好[3]的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同假人之間以及假人與車載采集器之間所有通道的同步采集。根據(jù)以前的試驗(yàn)數(shù)據(jù),假人一般在汽車碰撞發(fā)生20ms后才開始移動,這段時(shí)間已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)同步信號的發(fā)送和接收,此后既使發(fā)生斷線,也不會影響采集;此外,CAN的各個(gè)節(jié)點(diǎn)地位相同,為無主式結(jié)構(gòu),便于PC機(jī)與多個(gè)采集器通信，試驗(yàn)時(shí)，去掉PC機(jī)也不會影響其它節(jié)點(diǎn);最后,可設(shè)置其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為觸發(fā)節(jié)點(diǎn)，通過CAN總線來觸發(fā)其它采集節(jié)點(diǎn)或安全氣袋控制器節(jié)點(diǎn)。

2 采集器硬件設(shè)計(jì)

　　由于安裝空間的限制,簡化硬件設(shè)計(jì)并滿足多通道、高采樣頻率是關(guān)鍵。

2.1微控制器單元和數(shù)據(jù)存儲

　　為了縮減采集電路板的尺寸,就要采用功能強(qiáng)的控制器。控制器功能強(qiáng),外圍電路設(shè)計(jì)就可以簡化。本文選用MOTOROLA公司的MC68HC812A4單片機(jī)作為控制器。這種單片機(jī)屬于MC68HC12系列,是一種新型的16位單片機(jī),速度快而時(shí)鐘頻率低,具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性。

　　因?yàn)橥ǖ罃?shù)比較多,采樣頻率也較高,因此采集電路板要有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間。MC68HC812A4單片機(jī)有比一般16位單片機(jī)大得多的尋址空間(大于5MB)。MC68HC812A4單片機(jī)內(nèi)部雖然也是16位地址總線,但外部有22條地址線。其內(nèi)部的16位地址總線決定內(nèi)部只有64KB的地址空間。但當(dāng)其工作在寬擴(kuò)展模式時(shí),內(nèi)部64KB的地址空間分別劃出16KB、4KB和1KB三塊,分別為程序窗口、數(shù)據(jù)窗口和E窗口。通過窗口和該窗口的頁面地址寄存器(8位),把實(shí)際的存儲器空間分為256頁,分別稱為程序頁面、數(shù)據(jù)頁面和E頁面,如圖3所示。這樣,當(dāng)單片機(jī)工作在寬擴(kuò)展模式時(shí),有大于256×(16KB+4KB+1KB)=5376KB的尋址空間,可以很好地滿足大容量數(shù)據(jù)存儲的要求。

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　　試驗(yàn)過程中采集到的數(shù)據(jù),必須可靠地保存起來,數(shù)據(jù)存儲器采用NVRAM,普通SRAM加鋰電池構(gòu)成,具有掉電后依然保持?jǐn)?shù)據(jù)的功能,以增強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

2.2 信號采樣和模/數(shù)轉(zhuǎn)換

　　選擇采樣和模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，考慮的主要指標(biāo)是模/數(shù)轉(zhuǎn)換速率和芯片集成度。經(jīng)過細(xì)致比較,本文選擇了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX125。它的優(yōu)點(diǎn)是擁有8個(gè)采集通道,這8個(gè)采集通道分為A、B兩組,兩組公用4個(gè)采樣保持器。這樣可不再使用單獨(dú)的采樣保持器,大大減少了元件數(shù)量。但它的最大轉(zhuǎn)換速率只有250kHz,需要精心設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換方式才能滿足同步和每個(gè)通道達(dá)到10kHz采樣頻率的要求。

　　為此,采用雙MAX125分步操作同步轉(zhuǎn)換的方式。

　　圖4中給出了兩個(gè)MAX125與MC68HC

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　　812A4的接口電路。兩個(gè)MAX125都連接在數(shù)據(jù)總線上,它們分別占據(jù)不同的地址空間。單片機(jī)對某一空間地址進(jìn)行讀寫操作時(shí),其片選管腳CS1或CS2會選通相應(yīng)的MAX125,并讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。為了同步時(shí)序,兩個(gè)MAX125與MC68HC812A4單片機(jī)使用同一個(gè)時(shí)鐘源。

　　向MAX125寫入控制字" title="控制字">控制字能控制它對A組還是B組進(jìn)行轉(zhuǎn)換,也能控制是只轉(zhuǎn)換該組一個(gè)通道還是四個(gè)通道都轉(zhuǎn)換。例如寫入0011是對A組四個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　單片機(jī)采用查詢方式工作。工作時(shí),首先分別向兩個(gè)MAX125寫入控制字,對哪一組哪幾個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后令單片機(jī)PH口的PH6和PH7管腳各輸出一個(gè)低脈沖,這兩個(gè)低脈沖的上升沿同時(shí)啟動兩個(gè)MAX125工作。在MAX125內(nèi)部,需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的信號先被采樣保持;然后依次被模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在寄存器中;其后MAX125的INT管腳變?yōu)榈碗娖健＾D(zhuǎn)換過程中,單片機(jī)通過PH0管腳和PH1管腳不斷查詢兩個(gè)MAX125的INT管腳狀態(tài),一旦有一個(gè)變?yōu)榈碗娖?就連續(xù)讀出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù);然后繼續(xù)查詢另一個(gè)INT管腳狀態(tài),若為低電平,也連續(xù)讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

　　前一組通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀出、存儲完畢后,再向兩個(gè)MAX125寫入控制字,對另一組通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　采用這種方式,兩個(gè)MAX125的A組8個(gè)通道實(shí)現(xiàn)了完全同步采集,B組8個(gè)通道也是完全同步采集。A組B組之間約有25μs的時(shí)差,但滿足同步時(shí)差小于100μs的設(shè)計(jì)要求。

　　圖5是MC68HC812A4與MAX125的接口時(shí)序。其中E clock為MC68HC812A4單片機(jī)的總線時(shí)鐘,時(shí)序圖只畫到單片機(jī)第一次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果為止。

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　　可以計(jì)算出,A/D轉(zhuǎn)換是整個(gè)采集周期中最耗時(shí)的時(shí)間段,向兩個(gè)MAX125寫控制字和讀取存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間加起來也不及A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。采用同步啟動轉(zhuǎn)換方式,兩個(gè)MAX125的A/D轉(zhuǎn)換是并行的。因此,采用分步操作同步轉(zhuǎn)換的方式大大提高了系統(tǒng)的采樣頻率。

2.3 信號適配電路

　　假人身上傳感器類型不同,輸出的信號也各異,要有相應(yīng)的信號適配電路把它轉(zhuǎn)換成一定幅值的電壓信號,然后經(jīng)過抗混濾波器濾波,才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這里,抗混濾波器采用了固定頻率低通濾波,而在數(shù)據(jù)后處理中用數(shù)字濾波的辦法來滿足不同通道的不同頻率等級的濾波要求。

　　這里重點(diǎn)介紹力傳感器適配電路的設(shè)計(jì)。力傳感器實(shí)際上是4個(gè)接成全橋的應(yīng)變片。測量前一般要對傳感器的電橋進(jìn)行調(diào)零,否則電橋輸出的不平衡電壓,經(jīng)放大后會造成很大的零漂。通常的動態(tài)應(yīng)變儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,不能安裝到假人內(nèi)部,因此要設(shè)計(jì)一個(gè)可程控調(diào)節(jié)的動態(tài)應(yīng)變儀。

　　本文采用集成調(diào)節(jié)芯片MAX1457作為信號適配芯片。MAX1457內(nèi)部有一個(gè)可程控調(diào)節(jié)增益的放大器,另有5個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器,輸出的模擬量與放大器的輸出疊加,可以對傳感器的零漂、輸出幅值、溫漂以及非線形進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。試驗(yàn)前,先要針對某個(gè)力傳感器在不同溫度下進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)置。

　　MAX1457通過SPI接口外接一個(gè)EEPROM來存儲補(bǔ)償因子。單片機(jī)同樣通過SPI接口來讀寫EEPROM。

2.4 通訊電路

　　數(shù)據(jù)通訊采用CAN總線通訊方式。本文采用PHILIPS公司的獨(dú)立CAN控制器SJA1000。這種控制器既可以與INTEL模式的單片機(jī)接口,又可以與MOTOROLA模式的單片機(jī)接口。但SJA1000的8位地址和數(shù)據(jù)線采用復(fù)用方式,而MC68HC812A4單片機(jī)的地址線和數(shù)據(jù)線是完全分開的,這樣就要設(shè)計(jì)一個(gè)接口電路,把單片機(jī)并行的地址信號和數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成串行的地址數(shù)據(jù)信號以滿足SJA1000的讀寫要求。

　　接口電路見圖6,使用兩片74AC245總線收發(fā)器,用來控制單片機(jī)的地址線和數(shù)據(jù)線在不同時(shí)間段與SJA1000的地址數(shù)據(jù)復(fù)用線導(dǎo)通。SJA1000的輸出信號經(jīng)82C250收發(fā)器連接到CAN總線上。74AC245的導(dǎo)通和SJA1000所需的控制信號由另外的時(shí)序控制電路產(chǎn)生。

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3 采集器軟件設(shè)計(jì)

　　MC68HC812A4單片機(jī)內(nèi)部有4KB的EEPROM,充分利用這塊空間,可以不用片外EEPROM,從而減少元件數(shù)量。為此,單片機(jī)復(fù)位時(shí),令其工作在單片模式,此時(shí)4KB的EEPROM位于64KB內(nèi)部地址空間的最頂部,程序、復(fù)位向量、中斷向量都可以寫在這里;然后更改單片機(jī)模式寄存器內(nèi)容,使單片機(jī)工作于寬擴(kuò)展模式,此時(shí)外部的地址數(shù)據(jù)線可用,而內(nèi)部4KB的EEPROM仍保持原來的地址空間不變。

　　程序按功能分為主程序、采集子程序和通訊子程序三塊。采集器上電復(fù)位后,進(jìn)入主程序,主程序先初始化、自檢,然后進(jìn)入相應(yīng)工作狀態(tài),流程圖如圖7所示。

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　　其中,初始化包括設(shè)置單片機(jī)的工作模式,設(shè)置外部總線狀態(tài),設(shè)置存儲窗口,設(shè)置看門狗狀態(tài),設(shè)置各I/O口狀態(tài)以及設(shè)置SJA1000寄存器等。自檢主要檢查NVRAM內(nèi)容并保存自檢狀態(tài)碼。系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)碼決定進(jìn)入何種工作狀態(tài):一是進(jìn)入等待通訊狀態(tài),當(dāng)CAN總線上發(fā)來命令碼,SJA1000產(chǎn)生接收中斷,系統(tǒng)進(jìn)入通訊子程序解釋并執(zhí)行命令碼;二是進(jìn)入等待數(shù)據(jù)采集狀態(tài),設(shè)置采集中斷發(fā)生的時(shí)間間隔,并等待采集中斷。采集中斷子程序每隔設(shè)定的時(shí)間間隔執(zhí)行采集16個(gè)通道的信號一次,流程圖如圖8所示。這種狀態(tài)下,也可響應(yīng)通訊中斷。

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4 上位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)部分采用HK-CAN20C通訊卡。這種通訊卡插在PC機(jī)的ISA插槽上,使用CAN2.0A協(xié)議,最高數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps,其Win98下驅(qū)動程序提供了7個(gè)函數(shù)接口。本文用VC++6.0開發(fā)環(huán)境,編寫了Win98下的通訊程序THDAS。通訊時(shí),先調(diào)用InstallCANDriver()初始化通訊卡,初始化成功返回0;然后可調(diào)用SendCANFrame()/ReadCANFrame()發(fā)送/接收幀;通訊結(jié)束,則調(diào)用UninstallCANDriver()釋放驅(qū)動程序占用的系統(tǒng)資源。

　　本文介紹的安裝于假人內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集器是汽車碰撞試驗(yàn)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一部分。在碰撞試驗(yàn)中采用分布式采集方式,不會因?yàn)橐慌_采集器失靈而導(dǎo)致試驗(yàn)完全失敗,降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)又能保證所有采集通道的同步性。因此,美、德等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家均把采用現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)采集作為碰撞試驗(yàn)電測量技術(shù)的發(fā)展方向。

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參考文獻(xiàn)

1 MOTOROLA， INC. MC68HC812A4 Advance Information，2001

2 MOTOROLA， INC. CPU12 Reference Manual ，2000

3 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996