汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

××理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文PAGE PAGE32摘要汽車駕駛模擬器是一種集合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維實(shí)時動畫技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的仿真系統(tǒng)。借助汽車駕駛模擬器，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對駕駛?cè)藛T進(jìn)行有效的訓(xùn)練，不僅能有效緩解目前我國汽車駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)面臨的壓力，而且可以避免環(huán)境污染，減少能源消耗，降低培訓(xùn)成本，因而具有十分重要的意義。課題設(shè)計(jì)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)物主要針對汽車模擬駕駛器的采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，在該模塊中數(shù)模信號的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)與PC機(jī)通訊等環(huán)節(jié)很關(guān)鍵。其中，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是核心部分，同時對模擬信號的轉(zhuǎn)換也在該系統(tǒng)中完成，在論文之中對模塊的工作原理，方案設(shè)計(jì)，具體的電路和軟件開發(fā)進(jìn)行了簡單的論述和設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：汽車模擬駕駛器；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)；PC通訊

AbstractTheVehicleDrivingSimulatorisanadvancedsimulationsystemrelatedwithmanyscienceandtechnologyfieldssuchasSensor，3DReal-timeAnimation、ComputerInterface、ArtificialIntelligence、DataTraffic、Network、Multimedia、andsoon.DependingonDrivingSimulator,thedriverscangeteffectivetrainingwithadvancedsimulationtechnology,whichisveryimportantbecausethepressureofdrivingtrainingsysteminourcountrycanberelieved.Andatthesametime,itcanalsohelptoavoidenvironmentpollution，decreaseenergyconsumingandlessentrainingcost.ThetopicofthisdissertationmainlyaboutdesignandresearchthataboutmoldpieceofVehicleDrivingSimulatorcollectsystem.Thelinkssuchasconversion,asinglechipsystemandthePCcommunicationetc.ofthefewmoldsignalisverythekeyinthemold'spiece.Amongthem,thechipdatacollecttionstytemisthecorepartinthewholepieceaccordingtocollectsystem,Theconversionofthesignalalsointhatsystematthesametime.inthethesistotheworkprincipleofthemoldpiece,theprojectdesign,theconcreteelectriccircuitandthesoftwaredevelopmentscarriedonthesimpletreatiseanddesigns.Keyword:vehiclesimulator;datacollection;singlechipsystem;PCcommunication

目錄第一章緒論 11.1選題的目的、意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1第二章汽車模擬駕駛的理念、相關(guān)模塊介紹 42.1基本原理 42.2相關(guān)模塊介紹 42.2.1模擬器 42.2.2車輛模型 62.2.3道路交通虛擬實(shí)景 6第三章數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識 83.1數(shù)據(jù)采集的相關(guān)元件 83.1.1傳感器 83.1.2A/D轉(zhuǎn)換器 103.1.3D/A轉(zhuǎn)換器 113.1.4單片機(jī) 113.2數(shù)據(jù)采集 133.2.1數(shù)據(jù)采樣過程 133.2.2量化 153.3數(shù)據(jù)處理 153.4被測參數(shù)分析 15第四章汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)分析 174.1數(shù)據(jù)采集概念 174.2汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能及特點(diǎn) 184.2.1汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能 184.2.2汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn) 184.3汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 19第五章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析 205.1系統(tǒng)的工作原理 205.2駕駛操作與車輛運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)硬件 215.3模數(shù)轉(zhuǎn)換接口的硬件實(shí)現(xiàn) 225.4通訊電路 225.5軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22第六章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 246.1硬件分析 246.2硬件電路設(shè)計(jì) 266.2.1單片機(jī)的基本電路 266.2.2A/D轉(zhuǎn)換 286.2.3串行通訊電路 296.3單片機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 306.4設(shè)計(jì)總結(jié) 31參考文獻(xiàn) 32致謝 34附錄一 35附錄二 36附錄三 37××理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文第一章緒論1.1選題的目的、意義汽車駕駛模擬器(VehicleDrivingSimulator,VDS)是一種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實(shí)車駕駛感覺的仿真設(shè)備，而其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又是駕駛模擬器的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。因?yàn)樗俏覀兡芊瘾@取路面信息、道路交通環(huán)境數(shù)據(jù)和駕駛艙信息，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞和處理，最終構(gòu)建一個產(chǎn)生“沉浸感”、“交互感”和“身臨其境”的汽車駕駛模擬器的關(guān)鍵。借助于駕駛模擬器，我們能對汽車-駕駛員-道路環(huán)境相互作用關(guān)系進(jìn)行研究，也能對駕駛?cè)藛T進(jìn)行訓(xùn)練。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，汽車行業(yè)近年來發(fā)展迅猛，我國的汽車保有量迅速遞增，汽車開始走入家庭，駕駛?cè)藛T的成分更加多樣化，同時汽車性能的逐步改善，各種新技術(shù)在汽車上的應(yīng)用，道路條件的改善，這就要求人們使用現(xiàn)代化的手段對駕駛?cè)藛T進(jìn)行培訓(xùn)。相比于傳統(tǒng)汽車駕駛培訓(xùn)方式，使用駕駛模擬器進(jìn)行培訓(xùn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1對各種可能遇到的駕駛場景的體驗(yàn)；2通過設(shè)置不同參數(shù)，獲得不同類型車輛的駕駛培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)；3降低培訓(xùn)成本，節(jié)省時間，學(xué)習(xí)時安全高效等。因此對汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題來自××理工學(xué)院校級重點(diǎn)項(xiàng)目“汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”。在該課題之中，包含對大學(xué)四年的主干專業(yè)課程的主要內(nèi)容，著重在應(yīng)用和檢驗(yàn)學(xué)生結(jié)合理論知識的設(shè)計(jì)能力和動手能力。對專業(yè)的實(shí)踐有著很重要的意義，同時也有助與了解專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和動態(tài)。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1、國外研究駕駛模擬最早出現(xiàn)在航空駕駛訓(xùn)練中，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)成像技術(shù)的成熟，駕駛模擬才逐漸應(yīng)用在汽車訓(xùn)練中。20世紀(jì)80年代以前，國外開發(fā)的汽車駕駛模擬器主要為靜態(tài)訓(xùn)練型，可分為主動式和被動式。比較早的如捷克的點(diǎn)光源平板投影式汽車駕駛模擬器，應(yīng)用比較廣泛的是日本新瀉通訊機(jī)株式會社開發(fā)的NT-491系列和多輪公司的L-300型汽車駕駛模擬器。20世紀(jì)80年代以后，利用開發(fā)型模擬器進(jìn)行人—車—環(huán)境系統(tǒng)的主動安全性分析，改善汽車運(yùn)動性能，已成為提高駕駛安全性的主要研究方向之一。德國、日本、美國的各大汽車廠家都分別投巨資研制出開發(fā)型汽車動態(tài)模擬裝置。1985年，奔馳公司首先研制出世界上規(guī)模最大的六自由度汽車動態(tài)模擬器，并成功地用于系列化高速轎車的產(chǎn)品開發(fā)中。1989年，大眾公司投資改進(jìn)了其原有的模擬器，更新了計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和視景生成系統(tǒng)，并用于新產(chǎn)品研制中。1991年，馬自達(dá)公司投資研制了跑車型模擬器。1993年初，福特公司投資研制開發(fā)模擬器。1995年，日本汽車研究所建成了帶有體感模擬系統(tǒng)的模擬器。通用公司的最初研制計(jì)劃始于1989年，至今已開發(fā)出第二代產(chǎn)品，其性能指標(biāo)居世界領(lǐng)先水平。美國IOWA大學(xué)1993年就啟用1300萬美元來開發(fā)汽車駕駛模擬器，1996年又進(jìn)一步增加投資3000萬美元由TRW公司進(jìn)行改進(jìn)，其產(chǎn)品被稱為“國家高級汽車駕駛模擬器”。今天，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相應(yīng)更新了自己的開發(fā)型駕駛模擬器，不斷完善車輛的動力學(xué)模型，運(yùn)動系統(tǒng)都可模擬六個自由度的運(yùn)動情況，視景系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)(CIG)，可以提供逼真的車輛環(huán)境。2、國內(nèi)發(fā)展20世紀(jì)80年代以后，汽車駕駛模擬器在我國發(fā)展較快，清華大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、空軍第二航校、裝甲兵工程學(xué)院、南京瑞林模擬器實(shí)業(yè)公司等單位都積極地開展研究工作，并開發(fā)出一些初級產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代以來，我國已經(jīng)開始自己研制和生產(chǎn)開發(fā)型汽車駕駛模擬器。1996年吉林工業(yè)大學(xué)建立了汽車動態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研制出了汽車動態(tài)模擬器，由模擬艙與運(yùn)動模擬、計(jì)算機(jī)實(shí)時模擬與控制、視景模擬、數(shù)據(jù)采集與觸感模擬、聲響模擬和中央控制臺等6大子系統(tǒng)組成[6]。中國人轎車擁有量的逐漸提高，造成汽車培訓(xùn)駕駛資源短期內(nèi)緊缺，導(dǎo)致對汽車模擬駕駛器的需求急劇上升。。我國自行研制的訓(xùn)練型主動式汽車駕駛模擬器技術(shù)已日趨成熟并進(jìn)入商品化階段；開發(fā)型汽車駕駛模擬器也有了長足發(fā)展，但與國際先進(jìn)水平相比，仍有一定差距?？偟膩碚f，還存在技術(shù)含量低，汽車視景與操縱動作脫節(jié)、滯后，“沉浸感”、“交互性”與“實(shí)時性”不強(qiáng)，價格偏高的不足。到目前為止，還沒有一種真正意義上的大眾化的、容易普及的汽車駕駛模擬器產(chǎn)品。本文主要是對汽車模擬駕駛器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于市場上已有比較成熟的數(shù)據(jù)采集卡的模塊，由于現(xiàn)階段的能力有限，故本文重點(diǎn)在與對現(xiàn)階段的知識整合，然后設(shè)計(jì)出造價低廉，實(shí)用的數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)和軟件。

第二章汽車模擬駕駛的理念、相關(guān)模塊介紹2.1基本原理駕駛模擬器一般有硬件和軟件兩大部分組成，以計(jì)算機(jī)成像的大型模擬器其硬件部分包括駕駛艙，計(jì)算機(jī)，投影儀，顯示屏，運(yùn)動液壓部件系統(tǒng)等；軟件包括道路環(huán)境的計(jì)算機(jī)實(shí)時動畫生成、汽車行駛動態(tài)仿真、聲音模擬、網(wǎng)絡(luò)控制、操作平臺等。其基本原理是在模擬汽車運(yùn)動時，傳感器采集駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，通過接口電路對這些信號進(jìn)行放大和濾波，并對其中的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后單片機(jī)系統(tǒng)將控制信號通過RS-232接口傳送給主控計(jì)算機(jī)。在仿真程序中，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制信號、汽車的運(yùn)動狀態(tài)、駕駛操作規(guī)則等來控制視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、評價系統(tǒng)。利用單片機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動程序中相應(yīng)的功能函數(shù)，可以將單片機(jī)系統(tǒng)采集的信號轉(zhuǎn)換為控制汽車運(yùn)動狀態(tài)和位置的參數(shù)。當(dāng)駕駛員進(jìn)行模擬駕駛時，單片機(jī)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)會根據(jù)駕駛員的駕駛操作實(shí)時地發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對駕駛模擬器視景系統(tǒng)中汽車運(yùn)動狀態(tài)和位置的控制，控制系統(tǒng)的精度由仿真程序內(nèi)部的算法保證。由主控計(jì)算機(jī)中的汽車模型軟件計(jì)算出汽車的瞬時速度和姿態(tài)，在將汽車的實(shí)時數(shù)據(jù)不斷的傳送到圖形計(jì)算機(jī)中，由圖形計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)連續(xù)的生成道路視景圖，再由投影儀將圖像投射到駕駛艙前方的顯示屏上。同時，由主控計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動液壓系統(tǒng)，使駕駛艙產(chǎn)生一定的運(yùn)動，并模擬聲音，給駕駛員一個真實(shí)的駕車感。2.2相關(guān)模塊介紹汽車模擬駕駛系統(tǒng)是一個有機(jī)的整體，整個系統(tǒng)由三個主要模塊組成：從駕駛的模擬，采集當(dāng)前的駕駛要素的狀態(tài)，生成相應(yīng)的車輛模型以及道路交通虛擬實(shí)景。各個模塊形成一個整體。2.2.1模擬器模擬器由駕駛艙，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，聲響系統(tǒng)和視景系統(tǒng)組成。其中駕駛艙采用一輛真車，在操縱系統(tǒng)上安裝傳感器。主計(jì)算機(jī)采用一臺高檔微機(jī)，用于信號處理，車輛模型計(jì)算，生成操作平臺，網(wǎng)絡(luò)控制等。視景系統(tǒng)包括圖形處理計(jì)算機(jī)和投影儀,用于實(shí)現(xiàn)交通道路虛擬視實(shí)景圖像；聲響系統(tǒng)包括聲響模擬計(jì)算機(jī)和聲響設(shè)備，能夠模擬汽車聲音和交通噪聲。聲響模擬系統(tǒng)的模型如圖2.1示：聲響計(jì)算機(jī)聲響數(shù)據(jù)庫主控計(jì)算機(jī)聲響計(jì)算機(jī)聲響數(shù)據(jù)庫主控計(jì)算機(jī)車輛模型控制平臺圖形計(jì)算機(jī)組虛擬圖象功放音箱投影屏D/AA/D駕駛艙傳感器投影儀組音箱駕駛艙操縱信號采集，信號處理是模擬器最重要的環(huán)節(jié)之一。系統(tǒng)所要采集的信號有：方向盤的轉(zhuǎn)角油門踏板，制動踏板，離合踏板，手制動的位移等模擬信號，以及電門，左右轉(zhuǎn)換燈，變速箱的各檔位，啟動燈開關(guān)系信號。其中模擬信號要通過調(diào)整電路整形和濾波處理，在經(jīng)過A/D板進(jìn)入計(jì)算機(jī)，而開關(guān)信號直接通過A/D板的I/O口進(jìn)入計(jì)算機(jī)；另一方面，汽車模型計(jì)算得到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，車速等參數(shù)通過D/A板口控制儀表盤如圖2.2：整型和濾波電路整型和濾波電路A/DI/O方向盤轉(zhuǎn)角油門踏板離合器踏板制動踏板手制動檔位轉(zhuǎn)向燈電門啟動計(jì)算機(jī)汽車模型控制器發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速車速表圖2.2駕駛艙電傳感器系統(tǒng)2.2.2車輛模型車輛模型的計(jì)算是控制計(jì)算機(jī)的核心軟件，車輛模型計(jì)算的結(jié)果是生成汽車模擬駕駛道路環(huán)境，汽車噪聲的主要依據(jù)?？紤]到模擬器能全面的反應(yīng)出汽車的操縱狀態(tài)汽車模擬器能全面的反映出汽車的操縱和運(yùn)動狀態(tài)，車輛模型的動力學(xué)模型：包括發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動、離合器的工作過程、車輛的縱向位移，橫向位移，車身的傾側(cè)、橫擺、四個車輪的轉(zhuǎn)動、方向盤的轉(zhuǎn)角等運(yùn)動。此外，還應(yīng)確定模擬車輛的發(fā)動機(jī)的扭矩特性、車輪的滑移特性和側(cè)偏特性以保證模擬器在加速、制動和轉(zhuǎn)向時的真實(shí)性、在模型計(jì)算中。采用了面向?qū)ο蟮姆椒ǎ雅c車輛相關(guān)的運(yùn)動總成獨(dú)立出來、建立運(yùn)動子模型，其相互的關(guān)系如圖2.3：制動踏板制動踏板制動系車輪懸架系車體傳動系檔位離合器踏板離合器油門踏板發(fā)動機(jī)方向盤轉(zhuǎn)向系圖2.3面對對象的車輛模型2.2.3道路交通虛擬實(shí)景虛擬實(shí)景是體現(xiàn)模擬器真實(shí)感最關(guān)鍵的部分，也是產(chǎn)生道路交通的唯一手段。實(shí)際上，出主車以外的交通環(huán)境，包括其他車輛和行人的模擬都是通過性能環(huán)境來實(shí)現(xiàn)的。但要把現(xiàn)實(shí)中道路交通場景如實(shí)的搬到實(shí)景中是比較困難的，也比較浪費(fèi)資源，所以應(yīng)根據(jù)需求選取少量景物。系統(tǒng)的虛擬實(shí)景應(yīng)包括以下幾個部分：（1）主車行駛的道路，包括彎道、坡道、橋梁等；（2）交通標(biāo)志回和標(biāo)線、即在道路上設(shè)置各種交通標(biāo)線和標(biāo)志牌；（3）視景包括道路兩旁的隔離帶實(shí)物(包括樹木、建筑)，天空遠(yuǎn)景等。在上述的模塊中在生產(chǎn)虛擬實(shí)景。生成虛擬實(shí)景的方法是應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)體造型的方法根據(jù)道路景物一步步建造的。以上內(nèi)容對汽車模擬駕駛系統(tǒng)有了一個比較簡潔的介紹，下面就要對課題的主要內(nèi)容，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的介紹。

第三章數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識3.1數(shù)據(jù)采集的相關(guān)元件在汽車模擬駕駛器之中，各種數(shù)據(jù)的采集，傳輸處理是對汽車模擬駕駛的關(guān)鍵。對駕駛模擬的實(shí)景生成，駕駛員的信息反饋等都需要實(shí)時的汽車各種數(shù)據(jù)在這些數(shù)據(jù)的采集。而在本課題中，我們的主要元件就包括傳感器，A/D轉(zhuǎn)換芯片等。下面就介紹有關(guān)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)知識：3.1.1傳感器1傳感器的組成傳感器是一個完整的測量裝置（或系統(tǒng)），能把被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的有用電信號輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器一般有敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成，有時也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電路作為傳感器的組成部分，如圖3.1敏感元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路敏感元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輸出輔助電源傳感元件圖3.1傳感器的組成部分傳感元件2傳感器的分類在測試中傳感器的種類繁多。有的傳感器可以測量多種參數(shù)，而有時候?qū)τ谝粋€物理量可以用不同種類的傳感器測量。因此對于傳感器的分類有多種方法。傳感器的常用分類方法可按被測非電量分類和按工作原理分類。（1）按輸入非電量分類傳感器的的輸入非電量大致可以分為熱工量、機(jī)械量、物性和成分量以及狀態(tài)量四大類。其具體分類見表3.1：表3.1被測非電量的分類輸入非電量測量參數(shù)熱工量熱量、溫度、比熱容、熱流、熱分布、壓力、壓差、真空度、流量、流速、風(fēng)速、物位、液位、界面機(jī)械量位移（角位移）、長度（尺寸、厚度、角度等）、力、應(yīng)力、力矩、重量、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、線速度、角速度、振動、加速度、噪聲物性和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、濕度、密度狀態(tài)量顏色、透明度、顆粒度、硬度、磨損度、裂紋、缺陷、泄露、表面質(zhì)量（2）按工作原理分類該種分類方法是以傳感器的工作原理為依據(jù)如電阻式、電感式、回繞壓電式等。值得提出的是:從表面看，被測量五花八門，但從本質(zhì)看，有不少量是從最基本量派生出來的。若知道了基本量和派生量之間的關(guān)系，在選用傳感器時將會帶來很大方便。表3.2列出了儀器傳感器的若干輸入基本量和派生量的關(guān)系。表3.2傳感器的若干基本量與派生量的關(guān)系基本量派生量線位移長度、厚度、位移、平面度、磨損、表面質(zhì)量、應(yīng)變量角位移角度、轉(zhuǎn)角、入射角、角振動、角偏移等線速度速度、流速、動量、振動速度角速度角速率、旋轉(zhuǎn)速率、角動量、扭矩、角沖擊線、角加速度振動、加速度、力沖擊、質(zhì)量、角振動、扭矩、角沖擊力重量、推力、拉力、張力、密度、應(yīng)力、壓力、高度、加速度溫度熱流量、氣壓、物體流量、氣體速度等光長度、應(yīng)變、力、力矩、頻率計(jì)數(shù)等時間頻率、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等有時還將傳感器分為有源和無源傳感器兩大類。為了明確表示傳感器的用途又反應(yīng)其工作原理，還可以將用途和原理結(jié)合在一起稱謂。如電感式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器等?，F(xiàn)代測試技術(shù)的一個明顯的特點(diǎn)是采用電測法，即電測非電量法。采用電測法首先是將輸入物理量轉(zhuǎn)化成電量，然后在進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，最后以適當(dāng)?shù)男问捷敵觥Ｈ缫话阆到y(tǒng)中，對模擬汽車駕駛系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵量：油門，方向盤，手剎，制動等非電量的測量，傳輸和處理。一個完整的測試系統(tǒng)圖包括以下幾部分（如圖3.2）：傳感器、信號變換與測量電量、顯示器、記錄儀、數(shù)據(jù)處理器和打印機(jī)等外圍設(shè)備。顯示器顯示器記錄器數(shù)據(jù)處理器打印機(jī)信號變換與測量電路傳感器圖3.2測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.2A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換為與其成正比的數(shù)字電路的芯片，也是數(shù)據(jù)采集（簡稱DAQ）核心硬件。就工作原理而言，A/D轉(zhuǎn)換有3種方法：逐次逼近法A/D、雙積分法A/D和并行比較法A/D。在DAQ產(chǎn)品中應(yīng)用較多的方法是逐次逼近法,。衡量A/D轉(zhuǎn)換器性能好壞主要有兩個指標(biāo)：一是采樣分辨率，分辨率是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度指標(biāo)，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字位數(shù)來表示，即A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)，如果把數(shù)據(jù)采集設(shè)備的分辨率看作尺子上的刻線，尺子上的刻線越多，測量就越精確；同樣的，數(shù)據(jù)采集設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，把模擬信號劃分的就越細(xì)，可以檢測到的信號變化量也就越小。通常A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比綜合精度要求的分辨率要高一位，而與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。二是A/D轉(zhuǎn)換速度。用不同原理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)化速率是不一樣的，計(jì)算機(jī)廣泛采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，為中速轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)測控系統(tǒng)。這二者都與A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理有關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換器是把輸入模擬量轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)字量的必須的器件，是DAQ硬件的核心。常用的A/D轉(zhuǎn)換器有ADC0838,ADC0809等。3.1.3D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件。計(jì)算機(jī)是數(shù)字設(shè)備，其內(nèi)部只能以數(shù)字形式存儲、傳遞和處理，而外部被被控對象的控制系統(tǒng)和調(diào)整需要D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是對外部被控對象調(diào)整的主要芯片。為把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，在D/A轉(zhuǎn)換芯片中要有解碼網(wǎng)絡(luò)。常用的主要為二進(jìn)制電阻解碼網(wǎng)絡(luò)和T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)換過程是先將各位數(shù)碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬分量，在以疊加的方法把各模擬分量相加，其和就是D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果。根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式有電壓和電流兩種形式。在實(shí)際運(yùn)用中，如需要電壓模擬量，對于電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，可以在其輸出端加運(yùn)算放大器，通過運(yùn)算放大器構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，將轉(zhuǎn)換器的電流輸出變?yōu)殡妷狠敵觥Ｍ瑫r，由于實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換是需要一段時間的，在這段時間內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當(dāng)在數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入端的前面設(shè)置鎖存器，以提供數(shù)據(jù)所存功能。通常內(nèi)部有鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還包括地址譯碼電路，有時還有雙重的數(shù)據(jù)或多重的數(shù)據(jù)緩沖電路。D/A轉(zhuǎn)換器有DAC0831,DAC0832等。它們多是8位以上的D/A轉(zhuǎn)換器。3.1.4單片機(jī)單片機(jī)就是把中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)、存儲器(Memory)、定時器、I/O接口電路等一些計(jì)算機(jī)的主要功能部件集成在一塊集成電路上的微型計(jì)算機(jī)。集成度高、體積小、可靠性高；控制功能強(qiáng)；低電壓、低功耗；具有優(yōu)異的性能價格比。單片機(jī)發(fā)展至今已在智能儀器儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時過程控制、等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。此外，它還廣泛應(yīng)用于辦公自動化領(lǐng)域、商業(yè)營銷領(lǐng)域、汽車及通信、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、模糊控制等各領(lǐng)域中。它由CPU、存儲器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定時/計(jì)數(shù)器、中斷控制功能等均集成在一塊芯片上，片內(nèi)各功能通過內(nèi)部總線相互連接起來。單片機(jī)一般有復(fù)位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電保護(hù)、低功耗以及程序編寫及校驗(yàn)6種工作方式。圖3.3為單片機(jī)的正常工作的基本條件：圖3.3單片機(jī)的工作條件單片機(jī)在工作時要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，常用的單片機(jī)一般有40個引腳，對于不同的引腳組，有不同的功能。如圖3.4所示是51系列單片機(jī)的引腳圖：圖3.451單片機(jī)的引腳圖單片機(jī)40條引腳包括32條I/O接口、4條控制引腳、2條電源引腳、2條時鐘引腳。一、I/O接口引腳1、P0口（p0.0-p0.7），p0.0是最低位，有兩種功能：（1）通用I/O接口：無片外存儲器時，p0口可作通用I/O接口使用。（2）地址、數(shù)據(jù)口：在訪問外部存儲器時，分時提供ROM/RAM低8位地址，并用做B位雙向數(shù)據(jù)總線，即訪問片外擴(kuò)展存儲器時，先傳送外部RAM/ROM低8位地址，再傳送8位數(shù)據(jù)（讀外部ROM數(shù)據(jù)或讀/寫外部RAM數(shù)據(jù)）。2、P1（P1.0~P1.7），其中P1.0是最低位，是一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向通用I/O接口，用于數(shù)據(jù)傳送。3、P2口（P2.0~P2.7），其中P2.0是最低位，是一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O接口，有兩種功能：（1）通用I/O接口：無片外存儲器時，P2口可作通用I/O接口使用。（2）地址口：在訪問外部存儲器時，傳送ROM/RAM高8位地址。4、P3口（P3.0~P3.7），其中P3.0是最低位雙向I/O接口，是一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O借口，有兩種功能：（1）第一功能：通用I/O接口。（2）第二種功能：用于串行口，中斷源輸入，計(jì)數(shù)器，片外RAM選用。二、特殊引腳其中有兩條常用特殊的控制引腳：ALE它是地址鎖存允許脈沖輸入信號線。配合P0口引角的第二功能使用。EA/VPP：允許訪問片外程序存儲器/編程電源輸入引腳，可以控制單片機(jī)使用片內(nèi)還是片外ROM。三、時鐘引腳單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，因腳XTAL1,XTAL2分別是此放大器的輸入和輸出端。當(dāng)使用內(nèi)部振蕩電路時，XTAL1,XTAL2引腳外接石英晶體和微調(diào)電容。四，電源引腳單片機(jī)要進(jìn)行正常的工作必需要引入外部電源才能工作。在單片機(jī)中，Vcc為單片機(jī)工作電源的輸入引腳，接＋5V電源。Vss引腳（20號引腳）接地。3.2數(shù)據(jù)采集3.2.1數(shù)據(jù)采樣過程數(shù)據(jù)采集是首先把連續(xù)的模擬信號x(t)經(jīng)定時采樣后，成為時間離散信號，再量化以后得到取值也離散化的數(shù)字信號，而使模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程。采樣過程如圖3.5所示。采樣開關(guān)每個人每隔周期閉合一次，接通連續(xù)函數(shù)x(t)實(shí)現(xiàn)一次采樣。假設(shè)每次采樣的開關(guān)閉合時間是ε，則采樣器輸出的脈寬為ε，周期為的脈沖序列。該組脈沖序列的幅度被連續(xù)時間信號x(t)所調(diào)制，即每一脈沖信號的幅值等于該脈沖所在時刻相應(yīng)的連續(xù)時間信號的幅度。稱該信號為采樣信號，記為X(t)可表示為：X(t)=x(t)·s(t)式中s(t)—周期為、脈沖寬度為ε、幅值為1的采樣序列。s(t)及X(t)的圖形如圖3.6(a),3.6(b)所示。因?yàn)槊}沖寬度ε遠(yuǎn)小于采樣周期，故可認(rèn)為ε→0，采用單位脈沖序列函數(shù)來描述?？杀硎緸?式中（t-n）為t=n處的單位脈沖。圖3.5采樣開關(guān)及采樣輸入圖3.6（a)采樣脈沖因此采樣信號為：X(t)=x(t)?θ(t)=x(t)∑θ（t–nTs）圖3.6（b）采樣函數(shù)、采樣信號3.2.2量化采樣是對模擬信號在時間軸上的離散化，而量化（如圖3.7）則是把采樣點(diǎn)的幅值在一組有限個離散電平中取其中之一來近似取代信號的實(shí)際電平。這些離散電平稱之為量化電平。每個量化電平用一個二進(jìn)制數(shù)碼來表示，從而模擬信號經(jīng)采樣、量化之后，就轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。圖3.7數(shù)據(jù)量化3.3數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)能對數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析處理。用軟件可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)處理功能，如數(shù)字濾波函數(shù)擬合快速傅立葉變換以及各種屏譜功率譜和相關(guān)的分析。通過分析、變換和處理以獲得測量數(shù)據(jù)所代表的物理過程的真實(shí)規(guī)律和本質(zhì)特征。計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)隨著應(yīng)用目的的不同，具有不同的結(jié)構(gòu)行式。但是從本質(zhì)上看，其工作過程都可以歸結(jié)為以下三步：（1）數(shù)據(jù)采集將與被測的參數(shù)對應(yīng)的信號采入計(jì)算機(jī)。在采集的過程之中，包含計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)采集過程的控制。（2）數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)執(zhí)行以測試為目的的算法程序后，得到與被測參數(shù)的對應(yīng)的測量結(jié)果，或者形成相應(yīng)的決策與判斷。（3）數(shù)據(jù)輸出將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果送顯示裝置或有打印機(jī)輸出。通過兩個基本環(huán)節(jié)：一是采樣，由連續(xù)的模擬信號變成離散的模擬信號；二是通過模∕數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號。這樣連續(xù)的模擬信號就轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的離散信號了。3.4被測參數(shù)分析在組建測量系統(tǒng)時，首先要對待測信號幅值和頻域特性作一個初步的估計(jì)。當(dāng)然，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，參考前人對信號的相關(guān)研究。通常的機(jī)械裝置，待測參量的量值和頻域特性都可以大致估計(jì)。由于機(jī)械裝置的慣性較大，大多數(shù)機(jī)械參量的頻域都在10kHz以下的范圍。有了上述的選擇和估計(jì)，對傳感器選型、信號調(diào)理模塊的選擇才有正確的依據(jù)。工業(yè)現(xiàn)場的有用信號一般都與干擾信號混雜在一起，例如：利用氣體流量傳感器測量管道的氣體體積流量時，測量電路的溫度穩(wěn)定性極易受到環(huán)境溫度、IC器件溫漂、變送回路的共模干擾等因素的影響,干擾信號的數(shù)量級有時往往與有用信號處于同樣的數(shù)量級。干擾因素會嚴(yán)重地影響信號的質(zhì)量，影響測量的正確性。為了實(shí)現(xiàn)測量，抗干擾問題是一個必須解決的問題。當(dāng)干擾無法完全消除時，應(yīng)對待測信號及其環(huán)境干擾信號作客觀準(zhǔn)確的分析與估計(jì)。

第四章汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)分析4.1數(shù)據(jù)采集概念數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高性能計(jì)算機(jī)的日益普及，越來越多的測量、試驗(yàn)工作應(yīng)用計(jì)算機(jī)來協(xié)助完成，形成了現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集方法?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集裝置是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的檢測系統(tǒng)，它把從傳感器或其他方式得到的各種信號經(jīng)過處理后變成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信號，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、傳輸、顯示、處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件、軟件結(jié)合的綜合技術(shù)，是當(dāng)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)的綜合應(yīng)用?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅用來測量，多數(shù)情況還用于進(jìn)行閉環(huán)控制，因此，通常都具有控制功能，故常稱其為測量控制系統(tǒng)，它的應(yīng)用是很廣泛的。當(dāng)今的數(shù)據(jù)采集是在測量過程中，無須人工進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄或使用舊式的紙帶、磁帶記錄儀記錄數(shù)據(jù)，它能自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，并能自動記錄和顯示結(jié)果?，F(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中的測量，要求測點(diǎn)多、精度高、速度快，結(jié)果處理多樣化，這是人工無法應(yīng)付的，只能靠自動測量系統(tǒng)來完成。在數(shù)據(jù)采集中我們把被測量看成是信號，隨時間而變化的力、壓力、溫度、流量、位移、速度、加速度等，均屬非電信號。而隨時間變化的電流、電壓、電感、電阻、電容、磁通量等，則屬于電信號。這兩類不同物理性質(zhì)的信號可借助一定的轉(zhuǎn)換裝置相互變換。在電測過程中，是將被測的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，以便于傳輸、放大、分析處理和顯示記錄等。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)在信號處理中已被廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)可直接處理的是數(shù)字化的電信號，因此，電信號在進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前還要把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通常稱模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）。靜態(tài)量的數(shù)據(jù)很容易由人工讀取，但動態(tài)量的測量數(shù)據(jù)隨時間不斷在變化，是無法用人工方法記錄，數(shù)據(jù)的采集就是用其他方法進(jìn)行記錄，如聲音、振動等以往是用磁帶記錄方式，幾何形貌的測量可用紙帶記錄儀畫曲線作紀(jì)錄。這些記錄還是采用模擬量的記錄方式。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度已非常高，儲存功能也很強(qiáng)大，動態(tài)量的數(shù)據(jù)采集都可以借助計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。所以，我們當(dāng)今所說的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集通常便是指計(jì)算機(jī)輔助的數(shù)據(jù)采集，它使得瞬變信號的實(shí)時記錄、分析變得越來越容易了。4.2汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)4.2.1汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能一般汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有下列功能：（l）自動測量對于通用測量，程序運(yùn)行后，操作人員只要按鍵盤上所規(guī)定的功能鍵、數(shù)據(jù)采集器就能按預(yù)先編制的程序自動測量。對于特定的測量，操作人員可以臨時編制程序，按新的程序工作。（2）多選擇功能可按要求選擇測量項(xiàng)目、信號通道、信號增益、采樣率、測量范圍和處理方法等。（3）自動校正可進(jìn)行自動調(diào)零，按預(yù)先給定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自校，消除溫度、噪聲及干擾等因素，把系統(tǒng)誤差存儲起來，便于以后從測試結(jié)果中修正，提高測試精度。（4）數(shù)據(jù)記錄和處理能自動記錄和顯示測試數(shù)據(jù)，把測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算、誤差修正、工程單位轉(zhuǎn)換、判斷結(jié)果的正確性等。（5）自動控制和故障報警對被測對象進(jìn)行實(shí)時控制和分時控制。能進(jìn)行自身的故障診斷，有故障則報警。（6）外部通訊一般計(jì)算機(jī)的外設(shè)，如打印機(jī)、顯示器、繪圖機(jī)等，可通過標(biāo)準(zhǔn)接口與系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通過標(biāo)準(zhǔn)接口，還能與另外的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信。4.2.2汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)隨著計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)日新月異的發(fā)展以及高速度、高精度A/D轉(zhuǎn)換器的涌現(xiàn)，檢測領(lǐng)域已走上一個嶄新新時代。利用計(jì)算機(jī)來輔助測量，使數(shù)據(jù)采集、處理及控制融為一體，具有許多優(yōu)異的特點(diǎn)：使測量自動化、提高測量精度、功能更強(qiáng)大且可多路測量；速度高、成本低；提高了系統(tǒng)的可靠性、技術(shù)更新容易。4.3汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)種類很多，但其基本構(gòu)成是相似的。如圖4.1所示為一個典型的汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由圖可見，計(jì)算機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)接口與本身的外部設(shè)備連接，如打印機(jī)、顯示器等。再通過測控接口與模擬或數(shù)字輸入通道、模擬或數(shù)字控制通道、智能儀器儀表等連接起來。所以接口和總線是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。本系統(tǒng)帶有D/A轉(zhuǎn)換及模擬信號輸出，因此具有控制功能。圖4.1中，被測信號由傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，再通過信號調(diào)節(jié)。不同被測信號所用傳感器是不同的。例如，若第1路被測信號是溫度，其傳感器可以是熱電偶；第2路是力，傳感器可以是應(yīng)變式力傳感器等。傳感器輸出的信號不能直接送到輸出設(shè)備進(jìn)行顯示或記錄，需要進(jìn)一步處理。信號的處理由兩部分完成，即模擬信號處理和數(shù)字信號處理。在以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換是很關(guān)鍵環(huán)節(jié)，A/D換器以前的全部信號都是模擬信號，在此以后的全部信號都是數(shù)字信號。數(shù)字信號的處理由計(jì)算機(jī)承擔(dān)。此外，有些數(shù)字信號可以直接送入計(jì)算機(jī)接口。當(dāng)然，為了恢復(fù)原始信號波形或反饋控制的需要，還可以將數(shù)字量再轉(zhuǎn)換為模擬量。圖4.1汽車駕駛模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的構(gòu)成第五章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析5.1系統(tǒng)的工作原理傳感器和接口電路汽車駕駛過程的基本操縱部件是方向盤、油門、離合器、剎車和檔位，另外還有點(diǎn)火開關(guān)、轉(zhuǎn)向指示燈等輔助性操縱部件。與實(shí)車駕駛相同，這些操縱部件的協(xié)同工作可以對虛擬視景中的汽車模型進(jìn)行控制，駕駛訓(xùn)練者與視景的變化是實(shí)時的、交互的。駕駛訓(xùn)練者對操縱部件的操作通過傳感器被系統(tǒng)感知后，系統(tǒng)經(jīng)過處理和運(yùn)算得到汽車模型的控制參數(shù)，最后根據(jù)這些參數(shù)控制視景系統(tǒng)的渲染輸出，駕駛訓(xùn)練者就在虛擬視景中實(shí)時地觀察到所駕駛車輛的運(yùn)行情況。系統(tǒng)的工作流程如圖5.1所示。傳感器和接口電路視景輸出主控計(jì)算機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)方向盤視景輸出主控計(jì)算機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)方向盤油門油門離合器離合器剎車剎車檔位檔位輔助部件輔助部件圖5.1系統(tǒng)的工作流程傳感器將被測信號的物理量轉(zhuǎn)換成電信號、經(jīng)過信號調(diào)節(jié)（濾波）、抑制干擾噪聲信號的高頻分量，經(jīng)過采樣器，將信號的采樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過接口電路將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中進(jìn)行處理。在整個操作系統(tǒng)中，我們需要進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集的過程：（1）系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，包括駕駛員信息、車輛數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)；（2）系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，包括駕駛操作數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)向、離合器、油門、制動、換擋等操作以及汽車的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)如車速、啟停時間；（3）系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，包括駕駛操作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析報表。對于操作系統(tǒng)的各個過程，我們在下圖5.2可以看出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程。對此，選擇本設(shè)計(jì)的部分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖5.2駛操作信息采集處理數(shù)據(jù)流圖5.2駕駛操作與車輛運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)硬件汽車駕駛操作信息主要包括踏油門、制動、換擋、踏離合器、轉(zhuǎn)向等動作以及車輛運(yùn)行狀態(tài)信息（主要包括車速信息）。根據(jù)上述駕駛操作信息采集要求，設(shè)計(jì)的車載駕駛操作信息采集系統(tǒng)的組成如圖5.3所示。本系統(tǒng)的駕駛操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時直接從各個操縱機(jī)構(gòu)安裝的傳感器接出信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，采集到計(jì)算機(jī)中從而得到數(shù)據(jù)。為檢測離合器制動和換擋的操作信息在離合器踏板制動踏板表面安裝位移傳感器，在換擋手柄上安裝了開關(guān)傳感器。這些傳感器信號經(jīng)過放大電路以及轉(zhuǎn)換后采集到計(jì)算機(jī)中。圖5.3信息采集系統(tǒng)的組成5.3模數(shù)轉(zhuǎn)換接口的硬件實(shí)現(xiàn)首先由傳感器采集被測信息，并將其轉(zhuǎn)化為模擬量形式的電信號。然后由信號調(diào)整電路對信號進(jìn)行幅值的線性變換性變換，使該信號的幅值轉(zhuǎn)換到A/D芯片允許的輸人范圍之內(nèi)，并且轉(zhuǎn)換后信號的最大值與最小值之差應(yīng)盡可能大，以獲得最高的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。調(diào)整后的信號送入A/D芯片，完成從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。模擬量的轉(zhuǎn)換主要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行，ADC0809是一種比較典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器CMOS工藝，可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號的分時采集，分辨率為8位,片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100μs左右，采用雙排28引腳封裝，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，精度為0.01。在本系統(tǒng)中,由于我們采集的模擬量電壓范圍為0-5V,而對于數(shù)據(jù)采集的速度也要求不是很高,精度也能達(dá)到技術(shù)要求.而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。A/D轉(zhuǎn)換芯片在采集到模擬量后,應(yīng)與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.電路連接主要涉及兩個問題：（1）八路模擬信號通道選擇：A、B、C分別接地址鎖存器提供的低三位地址，只要把三位地址寫入AT89C51中的地址鎖存器就實(shí)現(xiàn)了模擬通道選擇；（2）A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送：A／D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。5.4通訊電路該系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的顯示系統(tǒng)，所以把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位PC機(jī)上，與PC進(jìn)行通訊。因?yàn)閱纹瑱C(jī)與PC機(jī)的電平是不一樣的，因此兩者要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須采用相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。用得最多的就是RS232通訊方式，采用MAX232芯片即可完成.同時單片機(jī)是在整個系統(tǒng)的核心，主要完成計(jì)算機(jī)送來的命令選擇工作方式、系統(tǒng)初始化和在主程序中完成對A/D采樣器和串行接口的控制。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)。5.5軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)汽車駕駛模擬器單片機(jī)軟件系統(tǒng)需要完成模擬量和開關(guān)量的采集和處理、串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、控制信號的輸出與顯示、故障的監(jiān)控與保護(hù)等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過匯編語言編制而成，主要由主程序、定時器中斷服務(wù)程序、串行口中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集和處理程序、信號的輸出與顯示程序等幾部分構(gòu)成。NN端口初始化設(shè)置定時器中斷設(shè)置串行口中斷等待中斷中斷方式看門狗程序返回接收定時器中斷串行口中斷信號輸出顯示數(shù)據(jù)采集處理開始Y圖5.4軟件系統(tǒng)的程序流程圖主程序主要完成系統(tǒng)的初始化工作；定時器中斷服務(wù)程序主要完成看門狗功能，在單片機(jī)發(fā)生異常情況時，能使程序及時復(fù)位，保證單片機(jī)系統(tǒng)能夠正常工作；串行口中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主控計(jì)算機(jī)之間的通訊；數(shù)據(jù)采集和處理程序主要完成模擬量和開關(guān)量的采集，獲取駕駛員的操控?cái)?shù)據(jù)；信號的輸出與顯示程序?qū)⒅骺赜?jì)算機(jī)的控制信息傳送給單片機(jī)，用于控制指示燈和儀表的顯示輸出。圖5.4為汽車駕駛模擬器單片機(jī)軟件系統(tǒng)的程序流程圖。

第六章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1硬件分析1.傳感器汽車駕駛模擬器主要的控制信號如表1所示：表6.1汽車駕駛模擬器的主要控制信號名稱模擬/開關(guān)量傳感器點(diǎn)火1個開關(guān)量開關(guān)傳感器轉(zhuǎn)向1路模擬量角度傳感器離合器1路模擬量位移傳感器制動1路模擬量位移傳感器手剎1個開關(guān)量開關(guān)傳感器換檔6個開關(guān)量開關(guān)傳感器油門1路模擬量位移傳感器汽車駕駛模擬器主要有方向盤、離合器、制動器、油門、6個擋位、手剎等信號需要采集，使用的傳感器包括開關(guān)傳感器、位移傳感器、角位移傳感器三類。方向盤采用角位移傳感器；離合器、剎車、油門采用位移傳感器；點(diǎn)火、手剎、換檔等采用開關(guān)傳感器。根據(jù)實(shí)際的要求，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中只對方向盤轉(zhuǎn)彎量進(jìn)行采集和處理。其中采集方向盤的轉(zhuǎn)彎量的傳感器為QXJ-BZ-V型角位移傳感器的，其分辨率為0.01。2主要硬件選擇汽車駕駛模擬器傳感控制系統(tǒng)需要完成開關(guān)量和模擬量的采集與處理，指示燈與儀表的顯示控制，以及與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。根?jù)以上要求，主控芯AT89C51片已經(jīng)可以滿足本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的需要，因此不需要進(jìn)行外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。由于本系統(tǒng)中需要處理的開關(guān)量和模擬量較多，因此選用A/D轉(zhuǎn)換芯片對輸入輸出接口進(jìn)行了擴(kuò)展。將AT89C51的P0口作為模擬量的輸入，A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ADC0809,片選信號由高位地址線P2.0口提供。A/D轉(zhuǎn)換通過74H573N地址鎖存器進(jìn)行地址鎖存，AT89C51的特殊引腳通過HD74LS00邏輯元件控制。另外，AT89C51還提供了一個具有多級通訊功能的全雙工串行接口，可以用作與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊。由于RS-232串行通信端口是PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，而且RS-232用作雙向數(shù)據(jù)通信時接線十分簡潔，因此選用RS-232作為通訊接口。但是，RS-232的輸出信號不但有正電壓，還有負(fù)電壓，所以選用半導(dǎo)體公司的RS-232接口芯片MAX232實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。通過以上對系統(tǒng)的功能研究以及對元件功能的研究，同時考慮到元件和芯片的可行性以及成本，選定以下的芯片和元件作為本系統(tǒng)的硬件進(jìn)行開發(fā)，見表6.2：表6.2芯片列表芯片名稱芯片功能AT89C51主控芯片ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換HD74LS00P邏輯控制74HC573N地址鎖存MAX232串行通訊在對模擬駕駛器中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在對安裝在模擬駕駛器各個操控部件上的傳感器采集的各種信號進(jìn)行采集，然后在ADC0809(A/D轉(zhuǎn)換器）把模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能接收和處理的數(shù)字量，再通過接口芯片MAX232將信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)當(dāng)中進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)分析結(jié)果控制聲響設(shè)備產(chǎn)生虛擬的駕駛實(shí)景。并對系統(tǒng)進(jìn)行反饋。數(shù)據(jù)采集過程中，在上位機(jī)命令下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將當(dāng)前檢測結(jié)果傳送給上位機(jī)并根據(jù)上位機(jī)下傳的各種輸出信號執(zhí)行相應(yīng)輸出操作及開始下一次檢測，檢測結(jié)果暫存于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器中，等待上位機(jī)的下一次數(shù)據(jù)傳送指令。兩次數(shù)據(jù)采集時間間隔為50ms，保證在計(jì)算機(jī)實(shí)時圖形生成系統(tǒng)每秒生成20幀圖形情況下，每幀圖形生成時均使用最新檢測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)及指令的傳送通過232通訊接口進(jìn)行。而本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際需要，只對該系統(tǒng)中的下位機(jī)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，然后在上位機(jī)進(jìn)行通訊。在本系統(tǒng)的通訊之中，也只對設(shè)計(jì)對象選取轉(zhuǎn)彎部分的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行研究。6.2硬件電路設(shè)計(jì)6.2.1單片機(jī)的基本電路1、電源電路在本系統(tǒng)中，對于所有的芯片電源都不設(shè)計(jì)單獨(dú)的擴(kuò)展電源，有統(tǒng)一的電源總線引入電源。，對該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一系列電源電路，下面以AT89C51的電源電路為例進(jìn)行說明。(1)轉(zhuǎn)換由于AT89C51的一般編程電壓在+12V，而其在掉電情況下的VCC的電壓也在+2V，故在2~12V的電壓下，我們要把220V的交流電轉(zhuǎn)換到這個區(qū)間。選用+5V的電源。(2)濾波幾乎所有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會不同程度的受到來自電源線或機(jī)械設(shè)備的干擾，因此大多數(shù)信號調(diào)理電路包含低通濾波器，最大限度的剔除設(shè)備的干擾。交流信號（如振動）則往往需要防混淆濾波器，防混淆濾波器是一種低通濾波器，具有非常陡峭的截止頻率，幾乎可以將頻率高于采集板輸入信號帶寬的信號全部剔除；若不除去，這些信號將會錯誤的顯示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入帶寬內(nèi)的信號。為了濾除更多的雜波，而使電源處信號的影響低，我們對電源電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即在VDD1與VSS1,VDD2與VSS2分別接兩個濾波電容，容量分別為0.1uF和0.01uF。對I/O驅(qū)動供電端供電電路時，由于它有較大的電量吞吐量，尤其是I/O驅(qū)動供電端工作時往往需要很大的吞吐電流，所以我們在連接去藕電容的同時，再并聯(lián)上一個大容量的電容，用來保證供電端電流的平穩(wěn)，選用330uF。同樣，這些電容也一定要盡量靠近AT89C51的對應(yīng)引腳處。具體的電路如下圖6.1:圖6.1AT89C51的電源電路2、復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H開始執(zhí)行。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始花外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。復(fù)位操作還對單片機(jī)的個別引腳信號有影響。例如把ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀，即ALE=0，PSEN=1。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除了單片機(jī)自身需要復(fù)位之外，外部擴(kuò)展I/O接口電路等也需要復(fù)位。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。而按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。而在此系統(tǒng)中，我們也是采用這種復(fù)位方式，其電路如圖6.2：圖6.2AT89C51的復(fù)位電路3.振蕩電路AT89C51內(nèi)含片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。因此，僅需在18、19腳之間接一個石英振蕩器，并各接一個電容接地。如圖6.3示，常用的石英振蕩器有3.58MHz,6MHz、11.0592MHz、12MHz等，在本系統(tǒng)之中，我們選擇11.0592MHz石英振蕩器。電容以圖6.3AT89C51的時鐘電路20P-30P比較合適，選用20PF。在完成了對單片機(jī)的基本電路的設(shè)計(jì)后，我們從本系統(tǒng)的下位機(jī)的功能方面對整體的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。6.2.2A/D轉(zhuǎn)換在整個下位機(jī)中，對與傳感器的模擬信號進(jìn)行接受后由ADC0809進(jìn)行信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通訊，完成信號處理和傳遞。待上位機(jī)處理信號完畢之后，再與下位機(jī)進(jìn)行通訊，將處理的結(jié)果或錯誤的信息由DAC0832進(jìn)行傳輸?shù)酵饨釉O(shè)備。就完成了駕駛信號的采集。在對傳感器模擬信號的采集過程中，要用ADC0809對模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在這里選ADC0809的D0~D3為數(shù)據(jù)輸出線，經(jīng)過74HC573N地址鎖存器后，與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。其中單片機(jī)（AT89C51）的P0口作為數(shù)據(jù)輸入口與74HC573N的數(shù)據(jù)輸出端口直接相連。AD轉(zhuǎn)換的過程之中要涉及到AD芯片的工作頻率和AT89C51的振蕩電路的頻率，由于ADC0809的工作頻率一般在500MHZ，而AT89C51的工作頻率一般在，故在不選用分頻器的情況下，選擇晶振時既要滿足單片機(jī)能正常工作，而AD轉(zhuǎn)換器又不超頻，故選用11.0592MHZ的晶振。圖6.4單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換芯片的連接原理圖其中，ADC0809模擬通道選擇信號A、B、C分別接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址鎖存允許信號ALE由P2.0控制，則8路模擬通道的地址為0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址選擇以作寫選通信號。內(nèi)部的三態(tài)緩沖器由OE控制,當(dāng)OE為高電平時,三態(tài)緩沖器打開,將轉(zhuǎn)換結(jié)果送出；當(dāng)OE為低電平時，三態(tài)緩沖器處于阻斷狀態(tài)，內(nèi)部數(shù)據(jù)對外部的數(shù)據(jù)總線沒有影響實(shí)際應(yīng)用中。如果轉(zhuǎn)換結(jié)束，要讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，則只要在OE引腳上加一個正脈沖，ADC0809就會將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到數(shù)據(jù)總線上。START為“啟動脈沖”輸入線，上升沿清零，下降沿啟動ADC0809工作。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線高電平表示AD轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。D0-D7為數(shù)字量輸出線，D7為最高位。把ALE信號與START信號接在一起了，這樣連接使得在信號的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動轉(zhuǎn)換具體見原理圖6.4。6.2.3串行通訊電路通訊即是不同的設(shè)備通過線路互相交換數(shù)據(jù)，其主要目的在于將數(shù)據(jù)從某端傳送到另一端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。在單片機(jī)對AD芯片的轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行處理后，要與上位機(jī)進(jìn)行通訊。在這里選擇半導(dǎo)體公司的RS-232接口芯片MAX232作為串行通訊芯片。RS-232接口連接器一般使用型號為DB-9的9芯插頭座,只需三條接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號地”即可傳輸數(shù)據(jù)。對于MAX232的外圍連接一般是這樣：MAX232是一個可以支持兩路串口驅(qū)動的芯片。本系統(tǒng)中只用一組即可。將T1IN，R1OUT接到AT89C51的RXD，TXD上，將另外的與之對應(yīng)的兩項(xiàng)接到DB9頭上的2，3兩腳，再將DB9的5腳接到電路板的地。然后用3條線將DB9頭的2，3，5腳分別對應(yīng)地與PC的串口的3，2，5腳相連。也就是將MCU的DB9的2連到PC的3上；MCU的DB9的3連到PC的2上；MCU的DB9的5連到PC的5上。就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通訊了.具體電路如下圖6.5：圖6.5串行通信電具體電路圖見附錄一。6.