基于DSP與LabVIEW的汽車(chē)行駛姿態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們更加注重汽車(chē)駕駛的安全問(wèn)題，不斷將各種先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到汽車(chē)上，以提高汽車(chē)的安全性，如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，ESP(電子穩(wěn)定性控制)系統(tǒng)。汽車(chē)行駛姿態(tài)參數(shù)采集作為汽車(chē)安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，對(duì)其有重要影響。本設(shè)計(jì)通過(guò)ADIS16355傳感器及DSP TMS320F2812構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采集汽車(chē)在行駛過(guò)程中縱向加速度、側(cè)向加速度以及Z軸角速度，并通過(guò)串口傳送到上位機(jī)，以LabVIEW作為軟件平臺(tái)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析。

ADIS16355是ADI公司生產(chǎn)的一款數(shù)字輸出、6自由度微慣性測(cè)量系統(tǒng)。其通過(guò)SPI(Serial Peripheral Interface)串行接口輸出X、Y、Z三軸方向的角速度及加速度,核心傳感器測(cè)量部件采用iMEMS?誖運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)，測(cè)量精度高。DSP作為運(yùn)算、控制處理器以其高速、高精度的性能廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用的TMS320F2812芯片的CPU是32位的定點(diǎn)內(nèi)核，包含SPI串行外設(shè)，很簡(jiǎn)便地建立了與ADIS16355的硬件電路。另外上位機(jī)采用NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)，其采用強(qiáng)大的圖形化編程(G語(yǔ)言)語(yǔ)言，面向測(cè)試工程師而非專(zhuān)業(yè)程序員，編程非常簡(jiǎn)便，研發(fā)周期短，人機(jī)交互界面直觀友好[1]，具有各種常用的總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和豐富的軟件包及驅(qū)動(dòng)程序，能簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)之間的串口通信；同時(shí)LabVIEW還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及分析功能，能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，硬件電路的主要芯片包括TMS320F2812、ADIS16355、MAX2323。


1.1 TMS320F2812與ADIS16355硬件接口模塊

　TMS320F2812是TI公司研發(fā)的高性能、多功能、高性?xún)r(jià)比的DSP芯片。該芯片最高可在主頻150 MHz下工作，帶有18 K×16 bit 零等待周期片上ARAM和128 K×16 bit片上Flash（存取時(shí)間36 ns)，片內(nèi)集成了大量的外設(shè)，包括雙通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外設(shè)接口SPI、看門(mén)狗定時(shí)器Watchdog、通用輸入/輸出引腳GPIO等[2]。TMS320F2812作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，直接控制ADIS16355的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)采集,并將ADIS16355數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳入PC機(jī)進(jìn)行處理。

TMS320F2812與傳感器通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信，其電路如圖2所示。SPI是一個(gè)可編程的高速同步串行輸入/輸出接口，提供了一個(gè)高速同步串行總線(xiàn)，可用于CPU與外圍設(shè)備或其他控制器之間的通信。該接口提供了四個(gè)外部引腳：串行時(shí)鐘引腳（SPISCLK）、主設(shè)備輸入/從機(jī)輸出引腳（SPISOMI）、從輸入/主輸出引腳（SPISIMO）及從發(fā)送使能引腳（SPISTE）[2]，可根據(jù)需要使用其中的2～4條信號(hào)線(xiàn)。SPI以主從方式工作， SPISCLK串行時(shí)鐘由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制該信號(hào)。在主設(shè)備的時(shí)鐘脈沖下，數(shù)據(jù)從高位到低位依次傳輸，速率可達(dá)到幾兆至幾十兆位每秒。

　本系統(tǒng)中TMS320F2812作為主設(shè)備，提供SPI串行時(shí)鐘，負(fù)責(zé)向ADIS16355寫(xiě)入控制命令，ADIS16355作為從設(shè)備向TMS320F2812傳送采集到的數(shù)字信號(hào)。

ADIS16355通過(guò)配置相關(guān)寄存器可以實(shí)現(xiàn)其可編程的特性。ADIS16355共有32個(gè)16 bit寄存器，每個(gè)寄存器有高低兩地址,其中任何一個(gè)都可以用來(lái)訪問(wèn)該寄存器,編寫(xiě)地址范圍是0x00H～0x3FH[3]。外部CPU對(duì)ADIS16355的操作控制就是對(duì)其相關(guān)寄存器的讀寫(xiě),圖3為ADIS16355的讀寄存器操作SPI時(shí)序圖。

從圖3可以看出，ADIS16355的一次SPI傳輸包括16 bit數(shù)據(jù)，第1位為SPI傳輸?shù)淖x寫(xiě)狀態(tài)標(biāo)示符，0為讀，1為寫(xiě)，第2位沒(méi)有特殊意義，緊接著的6 bit是目標(biāo)寄存器的地址，最后8 bit在寫(xiě)操作時(shí)為將要寫(xiě)入寄存器的命令，若是讀操作則為無(wú)效位。完成一次完整的讀操作需要2次16 bit SPI通信，本次DIN讀取的寄存器地址需要在下一個(gè)DOUT信號(hào)線(xiàn)上得到寄存器內(nèi)容，并輸入至TMS320F2812。

1.2 串口通信模塊

TMS320F2812內(nèi)部含有兩個(gè)SCI異步串口,該SCI模塊支持CPU與其他異步外設(shè)之間使用標(biāo)準(zhǔn)非歸零碼(NRZ)進(jìn)行數(shù)字通信。其接收器和發(fā)送器均為雙緩沖模式，支持16級(jí)接收和發(fā)送FIFO,發(fā)送和接收具有自己獨(dú)立的使能和中斷,可以工作在半雙工或全雙工通信模式[4]。通過(guò)使用16 bit波特率選擇寄存器,可以設(shè)置多達(dá)65 000種通信速度。

本模塊采用RS232串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在電氣特性上，采用負(fù)邏輯RS232電平,而TMS320F2812的信號(hào)輸入輸出為T(mén)TL電平，因此本設(shè)計(jì)通過(guò)符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX3232來(lái)實(shí)現(xiàn)TTL與RS232之間的電平轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

TMS320F2812以CCS（Code Composer Studio）作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，既可以用匯編進(jìn)行開(kāi)發(fā)，也支持C語(yǔ)言，本系統(tǒng)采用的是C語(yǔ)言。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由主程序和若干子程序構(gòu)成。子程序包括SPI接口子程序、中斷定時(shí)子程序、串口子程序等，數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖4所示。

　在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，TMS320F2812的時(shí)鐘頻率為100 MHz,由于ADIS16355的SPI時(shí)鐘頻率范圍為10 kHz~2 MHz, 因此設(shè)定TMS320F2812的SPI波特率為1 MB/s；用定時(shí)器T0啟動(dòng)ADIS16355進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,中斷周期設(shè)置為100 ms；串口通信設(shè)置的波特率為115 200B/s，有效位8 bit，停止位1 bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)。下面是SPI初始化、串口初始化和定時(shí)程序。

void InitSpi(void){
SpiaRegs.SPICCR.all = 0x4F;
//進(jìn)入初始狀態(tài)，數(shù)據(jù)在上升沿輸出，自測(cè)禁止
SpiaRegs.SPICTL.all = 0x0E; //主動(dòng)模式，禁止SPI中斷
Spia.Regs.SPIBRR=0x18; //波特率1 MHz
Spia.Regs.SPICCR.all=SpiaRegs.SPICCR.all|0x0080;
SpiaRegs.SPIPRI.bit.FREE = 1 ;}
void InitSci(){
SciaRegs.SCICCR.all =0x0007;
//通信控制寄存器，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn),自測(cè)試禁
止，空閑線(xiàn)模式，字符長(zhǎng)度8 bit
SciaRegs.SCICTL1.all =0x0003;
SciaRegs.SCICTL2.all =0x0003;
SciaRegs.SCICTL2.bit.TXINTENA =1;
SciaRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA =1;
//禁止接收錯(cuò)誤中斷，禁止休眠，使能發(fā)送接收
SciaRegs.SCIHBAUD = 0x0000;
SciaRegs.SCILBAUD = 0x001a; //波特率設(shè)置115 200
SciaRegs.SCICTL1.all =0x0023;}
EALLOW;
PieVectTable.TINT0 = ISRTimer0;
EDIS;
ConfigCpuTimer(CpuTimer0,100,100000);
//設(shè)置中斷定時(shí)100 ms
StartCpuTimer0();
IER |= M_INT1;
PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx7=1; //開(kāi)中斷
Interrupt void ISRTimer0 (void) {
CpuTimer0.InterruptCount++;
read_ADI_register(0x0004); //讀取X軸加速度
PieCtrl.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1; }

2.2 基于虛擬儀器LabVIEW的設(shè)計(jì)

2.2.1 VISA概述

LabVIEW是使用圖形化編程語(yǔ)言，功能強(qiáng)大而又靈活的儀器應(yīng)用和分析軟件系統(tǒng)，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，適應(yīng)多種操作系統(tǒng)。LabVIEW中提供各種總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)程序，可以用來(lái)編寫(xiě)各種總線(xiàn)形式的儀器驅(qū)動(dòng)程序。VISA庫(kù)即I/O接口軟件庫(kù)及其規(guī)范的總稱(chēng)，是LabVIEW的儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)之一。VISA是在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)上控制VXI、GPIB、RS232、PXI、PCI以及其他種類(lèi)儀器的單接口程序庫(kù)，是對(duì)其他總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行的一個(gè)統(tǒng)一封裝的高層API[5]，本身不具備編程能力，可以根據(jù)使用的儀器類(lèi)型，調(diào)用適當(dāng)?shù)牡讓域?qū)動(dòng)程序來(lái)控制儀器。串行通信使用的VISA庫(kù)中的API函數(shù)如圖5所示,路徑為：Functions>>Instrument I/O>>VISA Advanced>>Interface Specific>>Serial。

(1)VISA配置串口

該節(jié)點(diǎn)主要用于串口初始
化，主要端口說(shuō)明如下：
VISA resource name：VISA資源名稱(chēng),本文是指串口號(hào)。
baud rate：波特率；默認(rèn)值是9 600 b/s。
data bits：一幀信息中的位數(shù),在LabVIEW中允許5~8 bit數(shù)據(jù)，默認(rèn)值為8 bit。
stop bits：一幀信息中的停止位的位數(shù)，可為1位，1位半，或2位。
parity：奇偶校驗(yàn)設(shè)置?？蔀闊o(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)。

(2)VISA讀取

該節(jié)點(diǎn)為串口通信子VI,是本系統(tǒng)使用的主要節(jié)點(diǎn)，從串口中讀出指定數(shù)量的字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)，然后利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。主要端口說(shuō)明如下：
VISA resource name：VISA資源名稱(chēng)。
byte count：指定讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

(3)VISA關(guān)閉

該節(jié)點(diǎn)用于將打開(kāi)的VISA資源關(guān)閉。

2.2.2 串口調(diào)試軟件

串口調(diào)試設(shè)計(jì)主要包括串口初始化、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示并保存等部分，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6示。

　通過(guò)VISA庫(kù)可以方便地對(duì)串口進(jìn)行與下位機(jī)相同的配置，同時(shí)結(jié)合其他庫(kù)中的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)串口發(fā)送、接收、顯示以及存儲(chǔ)部分的編寫(xiě)。

在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊中，由于LabVIEW的串行通信中數(shù)據(jù)都是以字符串（Normal）的形式組成的，所以如果串口發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制數(shù)值，需在發(fā)送或接收之前進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。LabVIEW提供了十六進(jìn)制數(shù)值與ASCII字符串之間的轉(zhuǎn)換模塊。在DSP中一次連續(xù)發(fā)送兩個(gè)8 bit十六進(jìn)制數(shù)，構(gòu)成一個(gè)16 bit傳感器采集數(shù)據(jù)，因此需要通過(guò)字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，再連接起來(lái)。VISA讀取節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)在處理過(guò)程中，需要一些數(shù)據(jù)格式類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，如：字符數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制函數(shù)。數(shù)值經(jīng)過(guò)處理后，再以熟悉的十進(jìn)制形式進(jìn)行波形顯示和Excel格式保存。LabVIEW程序設(shè)計(jì)前面板如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)行駛時(shí)的縱向加速度、側(cè)向加速度以及Z軸角速度各采集了5組數(shù)據(jù),每組1 000個(gè)點(diǎn)。上位機(jī)通過(guò)LabVIEW接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行一定的處理，然后顯示，保存在Excel文檔中。圖7所示的波形為其中一組縱向加速度的波形，加速度參數(shù)的單位為g，角速度參數(shù)的單位為(°)/s。根據(jù)加速度公式：a=(vt-v0)/t；vt-v0=2 as；可以計(jì)算出汽車(chē)行駛時(shí)的縱向加速度，與本設(shè)計(jì)采集的數(shù)據(jù)在傳感器誤差范圍內(nèi)一致。通過(guò)對(duì)縱向加速度的分析可知,此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)以AIDS16355傳感器和TMS320F2812作為數(shù)據(jù)采集模塊，并在PC機(jī)上采用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)，方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)串口的讀寫(xiě)、對(duì)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明，基于DSP與LabVIEW的汽車(chē)行駛姿態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，采集速度快，數(shù)據(jù)精度高，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)安全系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)。