汽車前束測量單元的設(shè)計論文

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要隨著汽車工業(yè)及高速道路的快速發(fā)展，人們對汽車的舒適性、安全性要求越來越高，對汽車的維修檢測技術(shù)也提出了新的要求。作為車輛檢測的一項重要內(nèi)容，車輪定位參數(shù)的檢測對整車性能的影響舉足輕重，其中汽車前束測量是汽車四輪定位檢測的一個重要環(huán)節(jié)。汽車四輪定位儀作為測量和校準四輪定位參數(shù)的基本檢測一起，越來越被汽修行業(yè)所重視，且成為汽修廠的必備設(shè)備。美國motor雜志評選的2008年度全美20佳維修工具就有三個是四輪定位儀。目前，國產(chǎn)四輪定位儀在性能和可操作性上都與進口產(chǎn)品存在一定差距，而進口四輪定位設(shè)備價格昂貴，售后服務(wù)困難。因此，研制性能優(yōu)異、功能完善的四輪定位儀，不

2、僅具有一定的實用意義，而且擁有良好的市場前景。本文首先介紹了四輪定位中前束測量技術(shù)的現(xiàn)狀，然后在研究汽車前束的主要參數(shù)測量原理的基礎(chǔ)上，探討一種高可靠性、高精度的汽車前束測量單元。本文針對四輪定位中前束測量單元，研究一種基于arm7處理器控制下的前束測量解決方案。該前束測量單元實現(xiàn)了藍牙無線通訊、8束封閉式紅外psd檢測。關(guān)鍵字：前束；psd；arm7；四輪定位；藍牙 abstractwith the rapid development of chinese auto industry and the growing length of high-speed road, people want

3、 more comfortable and higher safety. and it also put forward a new demand in car repairing and testing technology. as an important aspect of car tasting, the detection of car wheel alignment parameters holds the balance of the car capability. and，an impertant part of the four wheel alignment instrum

4、ent is the toe-in measurements. for the reason above, car wheel alignment instrument, a basic detecting instrument that measures and adjusts the parameters of four wheels alignment mast pretend an important role in car repairing industry and be absolutely necessarily. the best 20th repairing instrum

5、ents chosen by american motor magazines through public appraisal in 2008 contain 3 four wheel alignment instrument.nowadays, our own four wheel alignment instrument has a disparity with importation in handling and capability. and also the importation is costliness and has bad services. to this point

6、, it has a practical significance and good market prospects to develop a high-performance and full-featured four wheel alignment. first, this paper introduces the actuality of the toe-in measurements technology, and then reaches the principle of the detection of measuring the toe-in alignment parame

7、ters, above which a high-reliability, high-precision toe-in alignment instrument based on embedded system is developed. the toe-in alignment instrument sensor system is developed based on arm7（lpc2132）, which integrated the digital circuit. the system realize the bluetooth communication, 8 closed in

8、frared psd detection. key words：toe-in；psd；arm7；four wheel alignment；bluetooth；目錄1 緒論11.1 汽車前束檢測的必要性11.2 汽車前束測量技術(shù)發(fā)展概況21.3 課題研究的意義31.4 研究目標、研究內(nèi)容31.5 擬解決的關(guān)鍵問題42 汽車前束檢測理論52.1 汽車前束定義及其作用52.2 汽車前束測量的測量原理62.2.1 汽車前束的測量原理62.2.2 汽車前束測量的數(shù)學(xué)模型73 基于arm7的汽車前束測量系統(tǒng)93.1系統(tǒng)總體方案93.2 硬件系統(tǒng)93.3 軟件系統(tǒng)104 汽車前束測量系統(tǒng)總體硬件實現(xiàn)114.

9、1單片機單元設(shè)計114.1.1 單片機選型114.1.2 lpc2132芯片引腳124.1.3 lpc2132 結(jié)構(gòu)框圖124.1.4 單片機電源模塊設(shè)計134.1.5 系統(tǒng)復(fù)位電路模塊144.1.6 數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)換電路144.1.7 jtag接口電路154.1.8 系統(tǒng)時鐘電路164.2傳感器單元設(shè)計174.2.1 psd傳感器選型174.2.2 psd結(jié)構(gòu)及原理184.2.3 psd信號處理電路194.2.4 紅外發(fā)光電路214.3 藍牙通信單元設(shè)計224.3.1藍牙選型234.3.2藍牙模塊及其接口電路244.4 顯示單元設(shè)計244.4.1 液晶顯示選型244.4.2 lcd192x64液

10、晶顯示屏概述254.4.3 lcd192x64的引腳功能254.4.4 lcd192x64液晶與lpc2132連線電路圖264.5 鍵盤單元設(shè)計275 汽車前束測量系統(tǒng)軟件部分295.1 開發(fā)調(diào)試環(huán)境305.2數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計305.3 液晶顯示模塊程序設(shè)計325.3.1 lcd19264讀寫時序335.3.2 lcd19264液晶顯示模塊的指令代碼335.3.3 程序設(shè)計355.4 藍牙通信部分386 傳感器標定及試驗驗證426.1 傳感器的零點標定426.2 輪輞補償436.3 前束的調(diào)整447 技術(shù)經(jīng)濟分析457.1 技術(shù)經(jīng)濟定義457.2技術(shù)經(jīng)濟評價458 結(jié)論48致謝49參考文獻50

11、附錄a51附錄b.58遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的大幅增加，汽車檢測技術(shù)也得到了巨大的進步。汽車檢測設(shè)備的功能、質(zhì)量都在不斷提高，正逐步向數(shù)字化、智能化、便攜化方向發(fā)展。前束測量單元是用于測量和校準汽車的車輪定位參數(shù)的汽車維修行業(yè)核心設(shè)備四輪定位儀的重要組成部分。1.1 汽車前束檢測的必要性為保證汽車穩(wěn)定的直線行駛，應(yīng)使轉(zhuǎn)向輪具有自動回正作用，即當轉(zhuǎn)向輪在偶然遇到外力(如碰到石塊)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，在外力消失后能立即自動回到直線行駛的位置。這種回正作用是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)來保證實現(xiàn)的。前輪前束就是這些定位參數(shù)中的一種。為了消除車輪外傾帶

12、來的不良后果，在安裝車輪時，使汽車兩前輪的中心面不平行，兩輪前邊緣距離小于后邊緣距離，兩者的距離之差即為前輪前束。為了保持合適的前輪前束值，需要定期進行四輪定位?，F(xiàn)代轎車的四輪定位是指車輪的懸架系統(tǒng)零部件及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件安裝到車架上的幾何尺寸必須符合規(guī)定要求的程度，從而確保汽車直線行駛的平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)向時操作的輕便性以及轉(zhuǎn)向輪回正的正確性。四輪定位儀是一種反映四個車輪相互角度變化的一種檢測儀器，它不能忽略因后輪角度變化對前輪乃至整個車行駛的影響，它通過裝夾在汽車四個輪胎上的定位傳感器，準確測得車輪定位狀態(tài)參數(shù)，并由電腦自動與相應(yīng)車型的存儲值對比，計算出被檢汽車車輪定位的偏差值，維修人員只需按照儀器

13、的提示進行修正，即可將四輪定位參數(shù)調(diào)整到出廠值。如果車輪定位失準，就會加劇輪胎、轉(zhuǎn)向部件的不正常磨損，導(dǎo)致前輪擺振，操縱性能變壞，同時嚴重的影響車輛的行駛安全，其后果不堪設(shè)想。因此，在車輛的使用過程中做好車輛的車輪定位檢查是一項關(guān)鍵性工作。以下情況需要做四輪定位：(1) 每行駛10000公里或六個月后；(2) 新駕駛3000公里后；(3) 直行時車子往左或往右拉；(4) 直行時需要緊握方向盤；(5) 感覺車身會漂浮或搖擺不定；(6) 前輪或后輪單輪磨損；(7) 安裝新的輪胎后；(8) 碰撞事故維修后；(9) 換新的懸掛或轉(zhuǎn)向有關(guān)配件后。1.2 汽車前束測量技術(shù)發(fā)展概況為保證汽車的操縱穩(wěn)定性，汽

14、車的車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和車軸三者之間的安裝具有一定的相對位置，這種具有一定相對位置的安裝稱為前輪定位。前輪定位包括主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束。對兩個后輪來說也同樣存在與后軸之間安裝的相對位置，稱為后輪定位。后輪定位包括后輪外傾和后輪前束。前輪定位和后輪定位總稱四輪定位。由此可知，汽車前束測量系統(tǒng)是四輪定位儀的重要組成部分之一。所以從一定程度上，可以說汽車前束測量技術(shù)的發(fā)展等同于四輪定位技術(shù)的發(fā)展。車輛在出廠時，定位角度都是根據(jù)設(shè)計要求預(yù)先設(shè)定好的。這些定位角度用來共同保證車輛駕駛的舒適性和安全性。車輪定位檢測技術(shù)的研究較早，在上世紀50年代國外就研制了相應(yīng)的檢測診斷設(shè)備，如美國、法國、德

15、國、荷蘭、日本以及意大利等。發(fā)展至今，其自動化程度和檢測精度以及人性化方面都有了很大的提高。車輪定位檢測技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：第一階段為幾何中心線定位：即以幾何中心線為參考做前輪定位；第二階段為推力線定位階段：即通過測量后輪找到推力線定位前輪，仍為兩輪定位；第三階段就是完全四輪定位階段：即首先做單獨后輪定位，檢測出兩個后輪的單獨前束，調(diào)節(jié)后輪前束，使推力角為0，這樣調(diào)節(jié)后的推力線應(yīng)與幾何中心線重合。前輪定位用重合的推力線和幾何中心線作為參考。兩個后輪也要獨立調(diào)整，這就是新型轎車設(shè)計四輪獨立懸掛結(jié)構(gòu)的原因，實現(xiàn)了完全四輪定位。按四輪定位儀的通訊方式何以分為有線通訊和無線通訊兩種方式。有線

16、通訊是指四輪定位儀上位機和傳感器系統(tǒng)之間，傳感器系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)之間采用電纜進行數(shù)據(jù)同步。有線通訊一般采用rs485總線進行通訊，抗干擾性強，穩(wěn)定可靠。但是有線通訊的相對故障率高，使用的方便性低。無線通訊主要采用紅外、藍牙以及其他rf模塊等進行數(shù)據(jù)的同步。紅外通訊采用非常成熟的紅外通訊技術(shù)，且成本較低，因此也是一種好的無線通訊方式，至于它的不好處都是相比較而言的，它與藍牙通訊比較，有怕強光、怕阻擋等不利因素，因此對環(huán)境要求較高。而藍牙通訊便不存在這種問題，它不怕阻擋，不怕光，數(shù)據(jù)吞吐量較大，但它怕強無線電干擾，（比如2003年的太陽黑子對整個世界的無線電通訊都造成影響），另外由于其歷史短，成本

17、較高。其他rf模塊，如zigbee等，正在逐漸成熟，并應(yīng)用到四輪定位儀中。1.3 課題研究的意義如今，汽車前束測量技術(shù)的發(fā)展仍處于產(chǎn)品的成長期，國外四輪定位廠家只有不超過10家，國內(nèi)生產(chǎn)四輪定位的有近50家，除去貼牌生產(chǎn)的后，真正能夠自己生產(chǎn)的也就在20家左右。他們或是同國外廠家合作授權(quán)生產(chǎn)國外中低端產(chǎn)品，或是干脆盜用他人技術(shù)自行生產(chǎn)，而真正擁有研發(fā)能力，并用之于生產(chǎn)的不超過5家。據(jù)估計，2012年左右，當年中國新車銷售量將逾1000萬輛；2020年，可能超過2000萬輛，成為世界最大的汽車消費市場。按照正規(guī)要求，汽車行駛5000公里或6個月左右就應(yīng)重新做定位，所以，以通過定位角度測量診斷車輛

18、的上述不適病因并予以治療使其符合出廠時的技術(shù)要求為目的的四輪定位儀市場潛力劇增。汽車前束測量技術(shù)涉及了機械、光學(xué)、電子、計算機軟件、數(shù)學(xué)模型等多個領(lǐng)域的知識，且互相聯(lián)系、缺一不可。伴隨著科學(xué)進步，汽車前束測量產(chǎn)品也將得到進一步完善和提高。由于汽車前束測量涉及多個領(lǐng)域的技術(shù)，導(dǎo)致很長的時間內(nèi)，進口品牌技術(shù)優(yōu)勢的不可撼動，高端市場的穩(wěn)固，而對于國內(nèi)品牌來說，發(fā)展將是一個亂戰(zhàn)的漫長過程，由于缺乏自身成熟的品牌文化和技術(shù)實力，僅能借鑒或開發(fā)先進技術(shù)逐步向中高端市場的滲透。因此，開展此方面的研究是很有必要的。1.4 研究目標、研究內(nèi)容汽車前束檢測是汽車四輪定位的一部分。四輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直

19、線行駛和轉(zhuǎn)向輕便，并減少汽車在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機件的磨損。由于各汽車生產(chǎn)廠家對四輪定位原設(shè)計的不同、制造的不同，使得各輪的各種傾角和束值就各有不同，并且有可調(diào)部分和不可調(diào)部分之分。做四輪定位就是通過四輪定位儀，檢測出被測車輛的各輪傾角和束值是否符合原廠標準，如不符合可做隨機調(diào)整。換句話說，當駕駛員感到方向轉(zhuǎn)向沉重、發(fā)抖、跑偏、不正、不自動復(fù)位或者發(fā)現(xiàn)輪胎單邊磨損、波狀磨損、塊狀磨損、偏磨等不正常磨損以及駕駛時車感飄浮、顛顫、搖擺等不正常的駕駛感覺，行駛中轉(zhuǎn)向盤不正或行車方向的跑偏現(xiàn)象出現(xiàn)時，就應(yīng)考慮做四輪定位了。汽車前束就是四輪定位相關(guān)的因素之一。前束：前輪前束是從車輛前方看，于兩輪軸高度相同

20、之下測量，左右輪胎中心線其前端與后端距離之差值稱為總前束。前束的作用是消除由于外傾角所產(chǎn)生的輪胎側(cè)滑。隨著汽車數(shù)量的迅猛增長，汽車檢測設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量都在不斷的提高。作為車輛檢測的一項重要內(nèi)容，車輪定位參數(shù)檢測對整車安全性能的影響舉足輕重。如果車輪定位參數(shù)不正常，將導(dǎo)致輪胎的異常磨損、行駛跑偏、車輪擺振、轉(zhuǎn)向沉重、油耗增加等問題，直接影響汽車的行駛安全。四輪定位儀涉及多個領(lǐng)域的技術(shù)，這也導(dǎo)致在很長的時間內(nèi)，進口品牌技術(shù)優(yōu)勢的不可撼動，高端市場的穩(wěn)固，而對于國內(nèi)品牌來說，發(fā)展將是一個亂戰(zhàn)的漫長過程，由于缺乏自身成熟的品牌文化和技術(shù)實力，僅能借鑒或開發(fā)先進技術(shù)逐步向中高端市場的滲透。因此，開展此方

21、面的研究是很有必要的。1.5 擬解決的關(guān)鍵問題主要解決以下方面的問題：1、汽車前束參數(shù)測量原理和測量數(shù)學(xué)模型的研究；2、硬件設(shè)計:傳感器的選型；傳感器信號處理電路的設(shè)計；下位機控制系統(tǒng)設(shè)計等；3、軟件設(shè)計:下位機程序設(shè)計；4、對傳感器的標定。2 汽車前束檢測理論 汽車前束測量技術(shù)隨著汽車、發(fā)動機、傳動裝置/驅(qū)動橋、汽車轉(zhuǎn)向系以及電子懸架的技術(shù)發(fā)展而迅速進步。隨之導(dǎo)致汽車的前輪定位迅速淘汰，先進的四輪定位技術(shù)已經(jīng)集成于現(xiàn)代汽車之中，四輪電子懸掛驅(qū)動逐漸取代前輪驅(qū)動。在電子信息化的汽車系統(tǒng)中，一個測量技師可以容易的校正汽車車輪同軸度，避免了繁瑣的步驟。然而不正確的定位角度會影響發(fā)動機的性能、行駛跑

22、偏、轉(zhuǎn)向沉重、輪胎的異常磨損，因此，四輪定位是十分重要的。圖2-1 汽車前束fig.2-1 toe-in of the car2.1 汽車前束定義及其作用 從車輛后方看，左右輪胎垂直中心線與車軸等高水平中心線相交的兩點距離與轉(zhuǎn)到前方180度同一兩點間距離的差值稱為前束值，如圖2-1所示。前端距離大于后端距離為負前束，總前束是由左右兩個車輪的分前束角之和來計算的，是以車輪幾何中心線為基準的；單獨前束是指車輛中心線與單個車輪旋轉(zhuǎn)平面間的夾角。合適的汽車前束有降低輪胎磨損與滾動磨擦的作用。如果正前束太大會造成輪胎外側(cè)快速磨損。對子午胎，會有類似正外傾角太大所形成的磨損形態(tài)。磨損形式為鋸齒狀或塊狀。當

23、用手由輪胎之內(nèi)側(cè)向外側(cè)撫摸，胎紋內(nèi)緣有銳利的感覺。如果負前束太大會造成轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定，直行性差，車輪發(fā)抖，輪胎內(nèi)側(cè)快速磨損。對子午胎，會有類似負外傾角太大所形成的磨損形態(tài)。磨損形式為鋸齒狀或塊狀。當用手由輪胎之外側(cè)向內(nèi)側(cè)撫摸，胎紋內(nèi)緣有銳利的感覺。2.2 汽車前束測量的測量原理目前常用的四輪定位儀有拉線式、光學(xué)式、電腦拉線式和電腦激光式四種，它們的測量原理是一致的，只是采用的測量方法(或使用的傳感器的類型)及數(shù)據(jù)記錄與傳輸?shù)姆绞讲煌?，下面介紹四輪定位儀可測量的幾個重要檢測項目的測量原理。2.2.1 汽車前束的測量原理在測量前束時，必須保證車體擺正且方向盤位于中間位置，為了提供車輪前束值（或前束角）

24、的測量精度，無論是拉線式、光學(xué)式還是電腦式的四輪定位儀，在檢測車輪前束之前，常通過拉線或光線照射或反射的方式形成一封閉的直角四邊形如圖2-2所示。將待檢車輛置于此四邊形中，通過安裝在車輪上的光學(xué)鏡面或傳感器不僅可以檢測前輪前束、后輪前束，還可以檢測出左右車輪的同軸度（即同一車軸上的左右車輪的同軸度）及推力角。因為四輪定位儀系統(tǒng)采用的傳感器不同，測量方法亦有所不同。 圖2-2 封閉四邊形示意圖fig.2-2 schematic diagram of closed quadrilateral2.2.2 汽車前束測量的數(shù)學(xué)模型車輪定位參數(shù)的測量包括方向盤打直測量、后輪各參數(shù)的測量、前輪各參數(shù)的測量、

25、軸距輪距差的測量等內(nèi)容。1、方向盤打直測量 (2-1) (2-2) 其中和分別為右前輪和左前輪的前束；、分別為各psd傳感器的測出值；、分別為各psd傳感器的標定值；x為軸距；y為輪距。2、后軸前束的測量左后輪前束： (2-3)右后輪前束： (2-4)其中，和分別為右后輪和左后輪的前束。后輪總前束：左后輪前束與右后輪前束之和，即 (2-5)其中，是后輪總前束。3、前輪前束的測量左前輪前束： (2-6)右前輪前束： (2-7)其中， 和分別為左前輪和右前輪的前束。前輪總前束：左前輪前束與右前輪前束之和，即 (2-8)其中，是前輪總前束。3 基于arm7的汽車前束測量系統(tǒng)3.1系統(tǒng)總體方案汽車前束

26、的測量采用了psd傳感器，沿襲了傳統(tǒng)的傳感器選擇。但是本系統(tǒng)傳感器是用了arm7作為處理芯片，在汽車前束測量單元中使用arm系列芯片目前很少見。由于arm系列芯片優(yōu)越的處理性能，這將引領(lǐng)和推動汽車前束測量技術(shù)的發(fā)展。3.2 硬件系統(tǒng)下位機硬件系統(tǒng)包括傳感器主板、psd傳感器模塊、紅外發(fā)光電路、藍牙通訊模塊。下位機主板選用飛利浦公司的arm7-lpc2132作為處理芯片。本汽車前束測量單元包含4個傳感器系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)為arm7控制的psd數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別位于左前輪、左后輪、右前輪和右后輪機頭的殼體內(nèi)。8個psd傳感器用于測量水平平面內(nèi)車輪各定位角度。傳感器系統(tǒng)之間通過藍牙模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸

27、，如圖3-1所示。本系統(tǒng)中采用的是紅外敏感的一維psd，該psd傳感器光源由紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生。每個psd傳感器組件由紅外發(fā)光二極管、透鏡和psd傳感器等三部分組成，psd的光敏面位于透鏡的焦點處。測量時，被測車輪對面的發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光經(jīng)透鏡聚焦到psd光敏面上，在psd兩個電極形成兩個電流，該電流與光照強度成正比。對所測處理后可計算出四輪定位中的前束和推進角等。圖3-1下位機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)fig.3-1 the system structure of the pxi3.3 軟件系統(tǒng)汽車前束測量傳感器系統(tǒng)的軟件主要包括psd數(shù)據(jù)采集、藍牙通訊、數(shù)據(jù)處理以及測量控制等組成。當傳感器系統(tǒng)接收到

28、上位機所發(fā)出的控制指令時，便進入相應(yīng)的操作狀態(tài)。每步操作傳感器系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。同時同側(cè)的傳感器還要相互聯(lián)系，這些協(xié)調(diào)工作都是由單片機軟件系統(tǒng)控制實現(xiàn)的。圖3-2下位機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)fig.3-2 the system structure of the pxi4 汽車前束測量系統(tǒng)總體硬件實現(xiàn)從本章開始將進行實驗裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計，也就是汽車前束測量單元的硬件部分設(shè)計。嵌入式系統(tǒng) (embedded system)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備

29、、嵌入式操作系統(tǒng)以及一些特定的應(yīng)用程序組成，用于實現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理功能。本實驗裝置設(shè)計就是一個典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，主要包括四個部分：單片機單元設(shè)計；傳感器單元設(shè)計；藍牙通信單元設(shè)計；顯示單元設(shè)計；鍵盤單元設(shè)計。本章是硬件系統(tǒng)設(shè)計，每個單元將分別對所用元件進行選型，詳細介紹所用元件的詳細資料，使用方法以及與單片機的連線圖的設(shè)計。通過本章的設(shè)計，汽車前束測量單元的硬件設(shè)計將全部完成。實驗支架的設(shè)計將在機械系統(tǒng)設(shè)計部分完成。4.1單片機單元設(shè)計4.1.1 單片機選型本試驗裝置是基于單片機設(shè)計的，單片機是整個汽車前束測量單元的大腦中樞，數(shù)據(jù)的采集和輸出都是由它控制。嵌入式系統(tǒng)的核心部件

30、是各種類型的嵌入式處理器，目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列。但與全球pc市場不同的是沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)，僅以32位的cpu而言，就有100種以上嵌入式微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的差異性極大，因此選擇是多樣化的。本實驗裝置擬采用arm系列的lpc2132單片機。lpc21312具有眾多優(yōu)點，低功耗，兼容性好，這都是本實驗裝置所需要的。另外，指令集豐富、大量使用寄存器，為汽車前束測量單元的升級提供了方便。選擇arm系列的lpc2132是本實驗裝置的最佳選擇。單片機設(shè)計單元主要構(gòu)成部分有單片機lpc2132

31、最小系統(tǒng)電路，數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)換電路，電源電路，系統(tǒng)手動復(fù)位監(jiān)控電路，系統(tǒng)時鐘電路，jtag接口電路。單片機的設(shè)計主要是單片機引腳的選擇以及寄存器的設(shè)置，所以設(shè)計之前必須對所使用的單片機性能有透徹的理解，對單片機引腳描述以及寄存器的使用有準確的認識，以便能夠正確的，合理的利用單片機的資源。4.1.2 lpc2132芯片引腳單片機的主要任務(wù)就是從計算機串口下載算法及數(shù)據(jù)，在單片機內(nèi)進行處理后，手動開關(guān)轉(zhuǎn)為運行模式后，就可以檢測各引腳狀態(tài)，單片機已經(jīng)將64個引腳引出，方便調(diào)試，如圖4-1所示。p0、p1口都是一個32位雙向i/o口，每位的方向可單獨控制。p0口共有31個引腳，但p0.31僅為輸出口，p0

32、.24未用。除用作a/d輸入的引腳外，所有p0引腳最大可承受5v的電壓。圖4-1 lpc2132引腳fig.4-1 pin of lpc21324.1.3 lpc2132 結(jié)構(gòu)框圖lpc2132方框圖，如圖4-2所示。lpc2132包含一個支持仿真的arm7tdmi-s cpu、與片內(nèi)存儲器控制器接口的arm7局部總線、與中斷控制器接口的amba高性能總線ahb（advanced high-performance bus）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的vlsi外設(shè)總線vpb(vlsi peripheral bus)。ahb與vpb通過橋相連。lpc2132的外設(shè)功能都連接到vpb總線。片內(nèi)外設(shè)與器件引腳

33、的連接由引腳連接模塊控制，以符合外設(shè)功能與引腳在特定應(yīng)用中的需求。圖4-2微控制器lpc2132結(jié)構(gòu)框圖fig.4-2 lpc2132 microcontroller structure diagram4.1.4 單片機電源模塊設(shè)計微控制器內(nèi)核和i/o使用統(tǒng)一電源電壓，只需工作電壓為3v。本系統(tǒng)實驗裝置采用5v供給單片機。由usb接口輸入5v直流電源，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為3.3v。系統(tǒng)電源電路圖如圖4-3所示，spx1117m3-3.3的特點是輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性好。spx1117系列l(wèi)do芯片輸出電流可達800ma，輸出電壓的精度在1以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能。圖4-3電源f

34、ig.4-3 power development board4.1.5 系統(tǒng)復(fù)位電路模塊由于arm芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)相應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出更高的要求。本次的設(shè)計開發(fā)平臺的復(fù)位電路使用了帶i2c存儲器的電源監(jiān)控芯片cat1025，提高了系統(tǒng)的可靠性，電路圖如圖4-4所示。圖4-4 系統(tǒng)復(fù)位電路fig.4-4 system reset circuit在圖4-4中，信號nrst連接到lpc2132芯片的復(fù)位腳。當復(fù)位鍵rst按下時，cat1025的引腳立即輸出復(fù)位信號，使lpc2132芯片復(fù)位。4.1.6 數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)換

35、電路由于系統(tǒng)電源是3.3v，所以應(yīng)該用max3221e（3v至5.5v單通道rs-232線驅(qū)動器/接收器）進行rs-232電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖4-5所示。max3221包含一個線驅(qū)動器一個線接收器和一個帶有15kv esd保護的雙電荷汞，該器件可滿足tia/eia-232-f要求并在一個異步通信控制器和串行端口連接器之間提供接口電荷汞和四個小型外接電容器可在單路3v至5.5v電源電壓下工作這些器件在數(shù)據(jù)信號率達到250 k bit/s且最大的30v/ s驅(qū)動輸出回轉(zhuǎn)率時工作。圖4-5 rs-232數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)換電路接口fig.4-5 rs-232 data interface standard

36、s converter circuit 4.1.7 jtag接口電路采用arm提出的標準20腳jtag仿真調(diào)試接口，jtag信號的定義與lpc2132的連接如圖4-6所示。圖中，jtag接口上的信號nrst 連接到lpc2132芯片的引腳，以達到控制lpc2132內(nèi)部jtag接口電路復(fù)位的目的。根據(jù)lpc2132的應(yīng)用手冊說明，在rtck引腳接一個4.7k的下拉電阻，使系統(tǒng)復(fù)位后lpc2132內(nèi)部的jtag接口使能，這樣就可以直接進行仿真調(diào)試了。對于lpc2132arm7微處理器芯片來說，固化程序到片內(nèi)flash可通過兩種方式實現(xiàn)：jtag接口下載和使用isp功能下載。不管shiyong 那一

37、種方式，用戶均要先設(shè)置編譯鏈接的地址，即代碼地址從0x00000000地址開始。使用jtag接口下載程序到flash需要jtag仿真器的支持。easyjtag仿真器可支持lpc2132微處理器的片內(nèi)flash下載這樣就可以使用該功能將程序相愛在到flash中，以便脫機運行。圖4-6 jtag仿真調(diào)試接口fig.4-6 jtag debugging interface simulation4.1.8 系統(tǒng)時鐘電路lpc2000系列arm7微控制器可使用外部晶振或外部時鐘源，內(nèi)部pll電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘，使系統(tǒng)運行速度更快（cpu最大操作時鐘為60mhz）。若不使用片內(nèi)pll功能及isp下載功能，

38、則外部晶振頻率為130 mhz，外部時鐘頻率為150 mhz。若使用了片內(nèi)pll功能或isp下載功能，則外部晶振頻率為1025 mhz，外部時鐘頻率為1025mhz。實驗開發(fā)平臺使用了外部11.0592 mhz晶振，如圖4-7所示。用11.0592 mhz晶振的原因是使串口波特率更精確，同時支持lpc2312為控制器芯片內(nèi)部pll功能和isp下載功能。圖4-7 系統(tǒng)時鐘電路fig.4-7 system clock circuit以上介紹了主控芯片 lpc2132 的芯片屬性和主要功能模塊，給出應(yīng)用這一芯片對本系統(tǒng)的積極作用。4.2傳感器單元設(shè)計位置敏感元件(position sensitive

39、 detector，簡稱psd)是一種對光敏面上入射光位置敏感的光電探測器，即當入射光點落在器件光敏面的不同位置時，相應(yīng)地輸出不同的光電流信號，通過對輸出信號的處理，確定入射光點在器件光敏面上的位置。psd具有位置分辨率高、光譜響應(yīng)范圍寬(從可見光、紅外光到微波)、響應(yīng)速度快等主要特點。此外，位置信號與光斑大小、形狀及焦點無關(guān)，僅與入射光斑的光通量密度分布的重心位置有關(guān)；受光面內(nèi)無盲區(qū)，可同時測量位移及光功率；測量的位置信號連續(xù)變化，沒有突變點，故能獲得目標位置連續(xù)變化的信號，可達到極高的位置分辨準確度；使用中不需要掃描系統(tǒng)，極大地簡化了外圍電路。4.2.1 psd傳感器選型位置敏感探測器ps

40、d作為80年代發(fā)展起來的一種新型位置探測器，與其它光電器件相比，有許多獨特的優(yōu)點：( 1 ) 沒有工作死區(qū)， 可以給出光點在整個光敏面上移動的連續(xù)性位置數(shù)據(jù)。( 2 ) 分辨率高，響應(yīng)速度快，線性較好。( 3 ) 不需要掃描，從而簡化了外圍電路，具有較高的性價比。( 4 ) 檢測時不受入射光束的形狀以及光強波動的影響。綜合psd器件的特點，并結(jié)合本課題的技術(shù)要求，選擇日本濱松光子株式會社生產(chǎn)的一維光電傳感器：s3271硅psd傳感器，如圖4-8所示。它有以下性能:( 1 ) 感光范圍(nm) ：7001100( 2 ) 最大感光波長() ：960( 3 ) 感光強度( a / w) ：0.55

41、( 4 ) 位置檢測誤差() ：-100+100( 5 ) 極間阻抗() ：15( 6 ) 響應(yīng)速度() ：1.0( 7 ) 位置分辨率() ：2.8( 8 ) 有效光敏面尺寸(mm) ：37x1 圖4-8 psd實物圖 fig .4-8 position sensitive device 4.2.2 psd結(jié)構(gòu)及原理psd的工作原理基于半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)，圖4-9顯示了其結(jié)構(gòu)原理圖。psd由三層構(gòu)成，最上一層是p層，下層是n層，中間插入較厚的高阻i層，形成p-i-n結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的特點是i層耗盡區(qū)寬，結(jié)電容小，光生截流子幾乎全部都在i層耗盡區(qū)中產(chǎn)生，沒有擴散分量的光電流，因此響應(yīng)速度比普通p

42、-n結(jié)光電二極管要快得多。當psd表面受到光照射時，在光斑位置處產(chǎn)生比例于光能量的電子一空穴對流過p層電阻，分別從設(shè)置在p層相對的兩個電極上輸出電流i1和i2，由于p層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光位置到各自電極之間的距離，光電流i1和i2可以用下面的兩種方式表示： 圖4-9 psd原理圖fig.4-9 schematic diagram of psd（1）當坐標原點在psd中心時： (4-1) (4-2)（2）當坐標原點選在psd一端時： (4-3) (4-4)由上式可知i1， i2是光能量（i0）與位置的函數(shù)，實際應(yīng)用中，由于光源光功率的波動與psd間距離的變化，i0并不是一個

43、恒定值，為了消除i0的影響，通常把輸出電流的差與和相除作為位置檢測信號，既：（3）當坐標原點在psd中心時： (4-5)（4）當坐標原點選在psd一端時： (4-6)因此，只要檢測出了i1和i2的大小，即可以算出光點所處的位置。4.2.3 psd信號處理電路當允許將psd封裝起來使用而且入射光比較強時，可以忽略背景光電流和暗電流，psd的信號處理電路可采用最簡單的直流模式，即采用恒定連續(xù)光源，光電流為直流信號，處理電路框圖如圖4-10所示，前置處理部分將從psd兩電極輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓并放大，運算處理部分按照位置公式將兩路電壓信號相加、相減和相除，最終輸出位置信號。圖4-10 psd

44、信號處理電路方框圖fig .4-10 signal processing circuit of psdpsd以光電流形式輸出兩路信號i1和i2，由于紅外發(fā)射管與psd之間存在一定的距離，所以psd光敏面上接收到的光能量較小，致使psd輸出的光電流極其微弱，因此適配合適的電路對光電流的提取是致關(guān)重要的。本文將坐標原點設(shè)置在psd光敏面中心點，一種實用的一維psd信號處理電路如圖4-11所示，由反相放大器實現(xiàn)電流-電壓變換，當運算放大器的輸入基極電流很小時，輸出電壓與輸入電流之間滿足線性關(guān)系，即u1= -i1rf，該級運放的質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的噪聲和測量精度，為了達到比較高的測量精度，該級運放應(yīng)選

45、用輸入基極電流小、輸入偏置電流小、輸入失調(diào)電壓很小、溫度系數(shù)小、輸入電阻高的運算放大器，并且在反饋電阻兩端并聯(lián)小電容以減小噪聲。這種電路的輸入電阻極低，約為： （4-7）zi 為是運放開環(huán)輸入阻抗，g是運放開環(huán)增益。圖4-11 psd信號處理電路fig .4-11 signal processing circuit of psd反饋電阻的阻值根據(jù)入射光強度而定電流信號從jp4_3和jp4_4進入，經(jīng)過反向比例運算，然后分別作反向加法（左上u1+u2 ）和差分比例運算（左下u1-u2）。根據(jù)公式（4-5），psd的偏移量就等于：l*（u1-u2）/(u1+u2) 上述psd信號處理電路中的前置放

46、大、加法器、減法器和除法器都是模擬電路，電路的噪聲、溫漂等都會給電路的精度帶來很大的影響，這種處理電路通常不需要計算機進行信息處理與控制時采用。很顯然,電路中的加法、減法和除法功能完全可以通過直接的數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)。對于需要通過計算機進行信號處理的psd測量系統(tǒng)，可以采用軟件來實現(xiàn)原psd處理電路中的加法器、減法器和除法器的模擬運算，其原理框圖如圖4-12所示。圖4-12 psd信號處理電路fig .4-12 signal processing circuit of psdpsd輸出信號通過運放電路直接與數(shù)據(jù)采集卡相連,經(jīng)a/d變換將psd的兩路模擬信號變換為數(shù)字信號，送入計算機進行加法、減法和

47、除法的運算,得到入射光點在psd上的位置.采用這一方法有以下幾個優(yōu)點：（1）可簡化硬件電路,大幅度降低成本,對于多路psd測量系統(tǒng)尤明顯。（2）加法器、減法器、除法器都是模擬電路,本身都存在一定的噪聲干擾信號和溫漂，會產(chǎn)生測量誤差。用軟件代替加法器、減法器、除法器的方法可從根本上消除三者的干擾信號影響。（3）加法器、減法器、除法器輸出模擬信號的精度受到器件性能的影響,每個器件的精度都會對處理電路的精度產(chǎn)生影響。而采用軟件法，由于計算機的有效位數(shù)可達幾十位，其處理精度只與前置放大電路有關(guān),隨檢測精度的不同要求，取不同的有效位數(shù)，完全可以滿足精度的要求。 4.2.4 紅外發(fā)光電路 為得到穩(wěn)定的信號

48、，盡可能的排除可見光的影響，系統(tǒng)采用紅外發(fā)光二極管光源。本文中通過arm7內(nèi)部產(chǎn)生的800hz的方波作為發(fā)光信號，使用arm7的引腳通過達林頓管實現(xiàn)對光源的控制。圖4-13 紅外光源電路fig.4-13 the infrared light circuit為得到穩(wěn)定的信號，盡可能的排除可見光的影響，系統(tǒng)采用紅外發(fā)光二極管光源。使用達林頓2003芯片驅(qū)動紅二級管。由單片機p0.7腳的pwm功能產(chǎn)生800hz的方波用來驅(qū)動紅外二極管，io口實現(xiàn)對光源強度的控制，見圖4-13。光學(xué)部分主要透鏡采用焦距為50mm透鏡完成紅外光線的匯聚，將發(fā)射來的紅外光通過透鏡組匯集成光點，照射到psd表面，以采集信號

49、。4.3 藍牙通信單元設(shè)計 藍牙（bluetooth）是1998年5月由愛立信、ibm、inter、nokia、東芝等五家公司聯(lián)合制定的短距離無線通訊技術(shù)標準。其工作在全球通用的2.4ghz頻段，可以免費使用而不用申請。現(xiàn)有四輪定位儀的通信方式主要有藍牙通信和紅外通信兩種，表4-1是兩種通信方式的比較。表4-1藍牙技術(shù)與紅外通信技術(shù)比較table .4-1 comparisons of bluetooth and irfrared communication名稱最大傳輸速率范圍半徑傳輸視角環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)成熟度成本抄作方便性建網(wǎng)效果藍牙1m10-100360不怕光、不怕阻擋較成熟高方便好紅外16

50、m2120怕強光、怕阻擋成熟低不便不好可以看出，藍牙傳輸穩(wěn)定，有很強的抗干擾能力。藍牙技術(shù)使用全向天線，更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備，支持終端的移動性，更適合用于便攜式設(shè)計；信號傳輸不受視距的影響，全雙工，支持點到多點的連接，易于組網(wǎng)。紅外通信方式可以傳輸速率不大的控制數(shù)據(jù)，耗電量小，價格比藍牙低廉的多，技術(shù)成熟。但是，紅外通信有效通信距離較短，穿透能力極差，紅外通信口必須對準，并且有角度限制，若其傳輸路徑被障礙物遮擋也將影響數(shù)據(jù)傳輸直至信號傳輸中斷。4.3.1藍牙選型基于上述比較，本文選擇了南京國春電氣設(shè)備有限公司的gc02藍牙模塊解決方案，它為class2藍牙模塊，符合藍牙規(guī)范v1.1/v1.2，具有較

51、高的性價比。其外型如圖4-14。該模塊體積小，高密度封裝，接收靈敏度較高。圖4-14 gc02藍牙模塊fig .4-14 gc02gc02藍牙模塊， 設(shè)計采用了csr公司的audioflash藍牙芯片，外圍主要元器件選型采用工業(yè)級標準，模塊電路板為0.8mm 四層板，采用激光盲孔加工工藝，引腳采用半孔加工工藝，貼片式設(shè)計，體積尺寸緊湊，自帶高效板載天線，最適合工業(yè)數(shù)據(jù)、語音傳輸。是高質(zhì)量的class2 藍牙模塊。電路接口：usb 口、rs232 串行口（ttl 電平）、audio 模擬語音接口（spk，mic），spi 編程口，2路aio模擬量接口，9路數(shù)字pio接口。 主要性能：a、頻段：2

52、.40ghz2.48ghz ，ism band b、藍牙協(xié)議：bluetooth v1.2 c、功率等級：class2（+6dbm ） d、接收靈敏度：-85dbm e、操作電壓：2.7v3.3v f、工作溫度： -40 至 +105 g、參考功耗：待機 0 6 ma h、數(shù)據(jù)通信 約20 ma i、語音通訊 約30 ma 4.3.2藍牙模塊及其接口電路gc02的應(yīng)用電路如圖4-15所示，在本文中使用lpc2132的uart與藍牙模塊進行串行通信。圖4.15 gc02的應(yīng)用電路圖fig 4.15 application circuit of gc024.4 顯示單元設(shè)計 顯示單元是汽車前束測量

53、單元的終端，設(shè)計關(guān)鍵是正確顯示測量結(jié)果，電路一定要連接正確。液晶顯示器具有功耗低，壽命長的特點。是目前單片機應(yīng)用的重要領(lǐng)域，無論機器，儀表，等都可以看到它的身影。4.4.1 液晶顯示選型顧名思義，本單元擔負著信號的輸出功能，是本實驗裝置的終端。用戶從液晶顯示屏上讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)才是人們所需要的。輸出正確與否直接關(guān)系到人們的判斷正誤，因此一定要確保輸出顯示的正確。本實驗裝置采用lcd192x64液晶顯示屏顯示。由于實驗需要顯示是角度，整數(shù)部分最大為兩位數(shù)，去掉一位小數(shù)點還有二十一位小數(shù)部分可供顯示，當然本實驗裝置達不到二十一位小數(shù)，實際也無需這樣的精度，所以lcd19264液晶顯示屏完全能夠滿足要

54、求。4.4.2 lcd192x64液晶顯示屏概述lcd192x64是一種圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及格19264全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示124個(1616點陣)漢字。模塊體積130659.5 mm，視域10439 mm，行列點陣數(shù)19264 ots，點距離0.050.05 mm，點大小0.4580.458 mm。主要技術(shù)參數(shù)和性能：a、電源：vdd：+5v；b、顯示內(nèi)容：192(列)64(行)點c、全屏幕點陣d、七種指令e、與cpu接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線f、占空比1/64g、工作溫度：-10+55，存儲溫度：-20+70h、顯示模式：黃綠膜、灰膜、藍膜、黑白膜i、背光特性：led背光（黃綠色、藍色、白色、紅色）j、模塊封裝方式：cobk、視角方向：6:00l、功耗：模塊自帶負壓4.4.3 lcd192x64的引腳功能該液晶模塊有20個引腳，位于模塊的下方，從右到左依次為引腳1引腳20。引腳功能說明如表4-2所示。表4-2 lcd192x64引腳table .4-2 pin of lcd192x64管腳號管腳名稱lever管腳功能描述1vss0電源地2vdd5.0v電源電壓3vo