汽車碰撞實驗車載測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計

在汽車被動安全性研究中，碰撞實驗是一項關(guān)鍵性的實驗，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驗數(shù)據(jù)才能保證實驗的成功。汽車碰撞實驗中的電測量技術(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)要求的提高，對后一種測量方式的需求更加迫切。

汽車碰撞實驗作為一項高速大沖擊的實驗，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。國外的碰撞實驗車載測試系統(tǒng)已形成比較成熟的產(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，不適合在碰撞實驗的惡劣環(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的設(shè)計規(guī)則(CMVDR294)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率設(shè)計為10kHz，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量采用12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)計上使各通道信號采集完全同步。

1 數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計原理

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)中的一個獨立子模塊，使用單獨的MCU完成采集板的控制工作。同類采集板中大多是用一塊A/D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)目通道擴展很困難，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)計中每塊數(shù)據(jù)采集板使用一塊A/D芯片實現(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1。

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，等待與地面微機的通信。

2 硬件組成

2.1 MCU和地址空間

數(shù)據(jù)采集板的MCU采用MOTOROLA公司的高檔8位單片機MC68HC-711E9[3]，這種單片機在汽車的復(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際應(yīng)用，實踐證明它的耐沖擊性符合本數(shù)據(jù)采集板的要求。它在擴展模式下有8根數(shù)據(jù)線和16根地址線，可以尋址64KB的空間。這種MCU對數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的尋址是統(tǒng)一的，都在這64KB空間內(nèi)，通過設(shè)置相關(guān)寄存器重新安排單片機的RAM區(qū)和寄存器區(qū)，使在配置后的地址空間中＄0000～＄CFFF是連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲器區(qū)。

但是受單片機最大尋址64KB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512KB的SRAM芯片628512作為外擴數(shù)據(jù)存儲器。MCU只有16根地址線，所以采用分頁擴展存儲器技術(shù)，用4根PORT A的輸出端口線，使每片628512形成8個64KB的頁面。在每個頁面上＄0000～＄CFFF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16×52=832KB，即每個通道的數(shù)據(jù)存儲器容量是208KB。若采樣速率以10kHz計算，而每個轉(zhuǎn)換結(jié)果為12bit，最大占用2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208÷(10×2)=10.4s，滿足系統(tǒng)要求。

2.2 信號調(diào)理電路

汽車碰撞實驗中采用EGG公司的壓阻式傳感器，它內(nèi)部集成了穩(wěn)壓裝置，還具有溫度補償功能，自帶放大，使傳感器的輸出范圍變成了±2V。本信號調(diào)理電路首先對傳感器的信號放大2倍，這樣傳感器的信號輸出范圍可與一般的A/D模擬端輸入范圍±5V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AD公司的儀表放大用芯片AD620，并且硬件上使放大倍數(shù)可以在檔位1、2、5、10間調(diào)節(jié)，這樣在不同沖擊強度的實驗中都可使信號轉(zhuǎn)換的分辨率較高。放大后的信號還被MAX291構(gòu)成的程控濾波器濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換電路。按碰撞法規(guī)要求，濾波頻率設(shè)定為2kHz。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集板的核心，此板設(shè)計中選擇了MAXIM公司的12位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX120[2]，它具有雙極性±5V的電壓輸入范圍，完成一次轉(zhuǎn)換的時間為1.6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)準(zhǔn)的微處理器(μP)接口。利用這種芯片組成的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2。

圖2中的MAX308[2]是MAXIM公司的多路開關(guān)，它具有低導(dǎo)通電阻(小于100Ω)、低泄漏電流的特點，典型開關(guān)切換速度為85納紗。

MAX120的輸入阻抗為6kΩ，如果A/D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近似為這個誤差超出了要求的精度范圍，為此在A/D芯片前加上輸入緩沖器。在此選用MAXIM公司的高速緩沖放大器MAX405[2]，它的輸入阻抗為2.5MΩ，輸出阻抗為0.01Ω，這樣信號在多路開關(guān)上引起的壓降誤差只有緩沖器本身近于零內(nèi)阻，保證了信號在傳輸?shù)紸/D芯片的輸入端不會引起大的失真。實際設(shè)計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A/D芯片，為了保證各路信號的轉(zhuǎn)換都同步，設(shè)計中在多路開關(guān)之前給每路信號都加上采樣保持電路(AD781)[1]。采集板工作時，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入A/D轉(zhuǎn)換器。

采集電路采用MAX120的全控制方式(方式1)。在這種方式下形成的系統(tǒng)工作時序如圖3所示。

系統(tǒng)工作時，切換通道和啟動A/D轉(zhuǎn)換器使用同一條指令:

STAA ＄DFF0，CHANEEL

當(dāng)這條指令執(zhí)行時，譯碼形成的LAE與E時鐘信號的邏輯組合使LE呈高電平，選通74HC373，數(shù)據(jù)總線上的通道號CHANEEL(對應(yīng)數(shù)據(jù)總線的AD2、AD1、AD0)和多路開關(guān)控制信號MEN通過74HC373分別出現(xiàn)在MAX308的地址選擇端和控制端，對應(yīng)通道的模擬信號經(jīng)過MAX308輸出到緩沖器MAX405。在下個E時鐘，LE變成低電平，74HC373鎖存通道號和控制信號MEN，選中通道的模擬信號始終保持在MAX308輸出端，直到下次通道選擇指令被執(zhí)行。

MAX308的一路被選通的同時， LAE信號還與寫信號2Y2進行邏輯組合作為A/D轉(zhuǎn)換器MAX120的啟動信號?？紤]到被選中通道的模擬信號出現(xiàn)在MAX308輸出端需要一定的建立時間才能達到合適精度，同時工作在方式1下的MAX120其內(nèi)部采樣保持器也需要一定的采樣時間(350納秒)來捕捉輸入模擬信號，因此在MAX308的通道切換和啟動MAX120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)計中選擇了使LAE與2Y2信號相或，再通過兩片MXD1000延遲芯片延時400納秒作為A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動信號CON。轉(zhuǎn)換啟動后，MCU通過與PA0管腳相連的信號判斷轉(zhuǎn)換完成。在讀數(shù)據(jù)指令執(zhí)行的同時，轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀信號2Y3控制，通過總線緩沖器74HC245送入MCU的數(shù)據(jù)總線，被讀入MCU后再寫入存儲器單元。

2.4 存儲單元

設(shè)計中的數(shù)據(jù)存儲單元選用了兩片RAM芯片628512?？紤]到實際實驗是大強度撞擊，使用時用非易失性SRAM來代替。HK1255是與628512完全兼容的非易失性SRAM芯片，可以直接代替628512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驗中遇到大沖擊強度使系統(tǒng)電源斷掉的情況，也可以把實驗中采集的數(shù)據(jù)保存下來，大大增強了系統(tǒng)的可靠性。

3 采集板軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集板軟件主要實現(xiàn)兩個功能:完成對模擬量的采樣和存儲;與PC機聯(lián)機通訊。主程序流程如圖4所示。在設(shè)置采樣參數(shù)后，數(shù)據(jù)采集板對4路模擬信號進行一次循環(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(IRQ)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)＄0F個＄FF，作為采樣結(jié)束的標(biāo)志。數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機之后，在數(shù)據(jù)處理中可根據(jù)連續(xù)的＄0F個＄FF標(biāo)志向前判斷、選取所采集到的各個通道碰撞波形。這種循環(huán)存儲方式在有限的存儲空間內(nèi)最大長度地保存了所需要的碰撞時刻前后的波形。

聯(lián)機通訊軟件的作用是在實驗之前設(shè)定采樣參數(shù)，在實驗之后把每塊數(shù)據(jù)采集板存儲器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機。

本文介紹了自行研制的用于汽車碰撞實驗車載測試設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集板。該數(shù)據(jù)采集板具有以下特點:①采集板使用單獨的MCU控制，構(gòu)成的測試系統(tǒng)在實驗過程中不需要地面微機的干預(yù);②用一片A/D芯片實現(xiàn)四通道同步高速數(shù)據(jù)采集，文中分析了其工作時序;③實現(xiàn)了碰撞實驗在大沖擊環(huán)境下大容量數(shù)據(jù)的可靠存儲;④程序設(shè)計上采用了循環(huán)存儲的思想，最大限度地利用了存儲空間;⑤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)的對比實驗中，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0.8%，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)采集板還可以應(yīng)用在其它需要高速同步采集的測試實驗中。