基于加速度傳感器AIS226DS的制動(dòng)性能測試儀的研制

宋學(xué)青

（云南省計(jì)量測試技術(shù)研究院 云南 昆明 650228）

汽車制動(dòng)性能的優(yōu)劣是影響汽車安全行駛的重要因素之一，重大交通事故往往與制動(dòng)距離太長，緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等情況有關(guān)，所以對(duì)在用車進(jìn)行定期的制動(dòng)性能檢測非常必要[1]。根據(jù)新修訂的GB7258—2012（《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》）中規(guī)定，對(duì)于超重、多軸、半掛等不能上線檢測的車輛，以及當(dāng)車輛經(jīng)上線檢測后對(duì)其制動(dòng)性能有質(zhì)疑時(shí)，應(yīng)采用路試的方式進(jìn)行檢測[2]。由此我們?cè)O(shè)計(jì)了可進(jìn)行路試測量的便攜式機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能測試儀。

1 工作原理

根據(jù)GB7258—2012（《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》）中規(guī)定，機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能的測試過程為：在符合要求的路面上，將被測車輛車速提高到規(guī)定的初速度下，急踩剎車到底，直到車停止不動(dòng)。制動(dòng)性能由制動(dòng)距離、充分發(fā)出的平均減速度（MFDD）、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間及制動(dòng)穩(wěn)定性來衡量。充分發(fā)出的平均減速度（MFDD）的計(jì)算公式如下：

若制動(dòng)初速為V0，式中，Vb為0.8 V0（km/h）；Ve為0.1 V0（km/h）；Sb為試驗(yàn)車速從V0到Vb的行駛距離（m）；Se為試驗(yàn)車速從V0到Ve的行駛距離（m）。

本測試儀以加速度傳感器為主要測試元件，對(duì)汽車在行駛過程中的加速度進(jìn)行測量，通過單片機(jī)對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一次和兩次積分，得到速度和距離，并通過進(jìn)一步計(jì)算得出MFDD和制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)性能的檢測。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

測試儀主要由加速度傳感器、主機(jī)和微型打印機(jī)3部分組成。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器部分完成數(shù)據(jù)的采集；主機(jī)部分主要功能是通過按鍵完成參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的分析和處理，與外設(shè)（如打印機(jī)和計(jì)算機(jī)等）的數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在兼顧儀器自身測試精度和功能的基礎(chǔ)上，整機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中充分考慮到便攜式儀器對(duì)電池續(xù)航能力的需求，通過合理的芯片選型和電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能的降低整機(jī)功耗，延長使用時(shí)間。傳感器選用高精度低功耗的數(shù)字式加速度傳感器AIS226DS；單片機(jī)選用C8051系列單片機(jī)的C8051f585，它不僅功耗低，而且?guī)в?6 kB可再編程的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，可不用額外增加存儲(chǔ)芯片；電源芯片選用低壓差線性穩(wěn)壓器CAT6219。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fi g.1 Hardware structure diagram

2.2 主機(jī)部分

2.2.1 單片機(jī)

單片機(jī)選用美國Silicon Labs公司汽車級(jí)MCU系列C8051F58x-59x的C8051f585。它將一個(gè)高速的8051 CPU，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，同類最佳性能的模擬外設(shè)和數(shù)字信號(hào)處理器集成在一個(gè)超小封裝內(nèi)，并在整個(gè)汽車級(jí)電壓和溫度范圍內(nèi)全功能工作，而無需犧牲其他性能指標(biāo)。擁有靈活的時(shí)鐘硬件，使系統(tǒng)能夠方便地在高效運(yùn)作模式與低功耗模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機(jī)狀態(tài)自由切換，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗，當(dāng)工作頻率低于10kHz時(shí)，時(shí)鐘丟失檢測器（MCD）能夠引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。 C8051f585有8448字節(jié)的內(nèi)部RAM，96kB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，40個(gè)I/O口，兩個(gè)串口，一個(gè)SMBUS接口，12位AD轉(zhuǎn)換器，支持CAN2.0、LIN2.1和SPI接口。其中96 kB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器為可再編程的Flash存儲(chǔ)器，可用于非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因此測試儀將測得的數(shù)據(jù)直接存于C8051f585的Flash中。

2.2.2 電 源

電源選用的可重復(fù)充電的聚合物鋰電池，電池的標(biāo)準(zhǔn)輸出是3.7 V，在充滿狀態(tài)下為4.2 V，容量為1 800 mAh，低內(nèi)阻，充電快。自帶保護(hù)板，有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過流保護(hù)及正負(fù)極短路保護(hù)功能。通過單片機(jī)自帶AD模數(shù)轉(zhuǎn)換接口測量電池電壓，供用戶隨時(shí)查看電池當(dāng)前剩余電量。

由于所選芯片的供電電壓都為3.3 V，所以選用安森美的低壓差線性穩(wěn)壓器CAT6219將電池的輸出的電壓降至3.3 V。CAT6219的靜態(tài)電流較低，在負(fù)載為500 mA時(shí)典型的壓差只有300 mV。此外，額外的旁路電容能降低總輸出噪聲，這使得CAT6219非常適用于低噪聲的應(yīng)用。許多低壓差穩(wěn)壓器搭配旁路電容會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)變慢，而Catalyst的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)有快速啟動(dòng)特性，確保啟動(dòng)時(shí)間低于150μs并且使CAT6219更適用于在低功率上的應(yīng)用。CAT6219有“零”電流停機(jī)模式，是專門用來防止電池過放電情況。此外，CAT6219的典型靜態(tài)電流為55μA，具備短路保護(hù)和超載過熱保護(hù)[3]。

2.2.3 時(shí) 鐘

時(shí)鐘芯片選用美國DALLAS公司的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，工作電壓為2.5～5.5 V。DS1302與單片機(jī)通過I2C總線連接[4]。在主機(jī)斷電后，通過內(nèi)部自帶紐扣電池作為備用電源為其供電，以保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行，相關(guān)原理圖如圖2所示。

圖2 DS1302電路原理圖Fig.2 DS1302 circuit diagram

2.2.4 紅外接口

由于單片機(jī)C8051f585不支持無線紅外通訊的IrDA標(biāo)準(zhǔn)，所以選用MCP2120作為紅外收發(fā)芯片。MCP2120為低成本而高性能的全靜態(tài)紅外編碼/解碼器，與單片機(jī)C8051f585通過串口（UART）連接。該器件從標(biāo)準(zhǔn)UART接收的數(shù)據(jù)被編碼（調(diào)制），以電脈沖的形式輸出到IR收發(fā)器。 IR收發(fā)器接收到的數(shù)據(jù)同樣也是以電脈沖的形式輸出的。 MCP2120解碼（解調(diào)）這些電脈沖，并通過MCP2120的UART進(jìn)行傳送。這種調(diào)制和解調(diào)方式遵照IrDA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[5]。MCP2120相關(guān)部分的電路原理圖如圖3所示。將MCP2120的波特率設(shè)計(jì)為通過硬件進(jìn)行配置，選用的晶振為7.372 8 MHz，所以將BAUD0-BAUD2 3個(gè)引腳接地，MCP2120的波特率就被設(shè)置為9 600。

圖3 MCP2120應(yīng)用電路原理圖Fig.3 Application of MCP2120 circuit diagram

2.3 傳感器

傳感器選用的加速度芯片是意法半導(dǎo)體的數(shù)字加速度傳感器AIS226DS，它是一款為汽車電子系統(tǒng)精確地測量汽車運(yùn)動(dòng)的全新傳感器。AIS226DS為雙軸共面加速度傳感器，測量精度高，功耗低，線性數(shù)字輸出。其高檢測精度部分歸功于電子接口芯片的低本征噪聲特性。接口芯片含有高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，低噪聲可在大帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)14位的有效轉(zhuǎn)換分辨率，對(duì)應(yīng)一個(gè)0.25 mg的分辨率（在2 g全量程內(nèi)）。在-40℃到+105℃溫度范圍內(nèi)，傳感器能夠保持高穩(wěn)定性和高精度（±70 mg），提供每度0.2 mg的補(bǔ)償偏離。它的低功耗對(duì)于電池供電的測試儀也是至關(guān)重要的[6]。

AIS226DS支持SPI/I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口，有兩個(gè)可供用戶選擇的量程：±2 g或±6 g，具備可調(diào)帶寬和方向檢測功能，帶寬可調(diào)功能可以優(yōu)化不同帶寬的性能，通過消除不相關(guān)頻帶的干擾可以提高分辨率。根據(jù)測試儀的實(shí)際需要，我們選擇量程±2 g，帶寬160 Hz，I2C總線接口方式。為方便操作，加速度傳感器及其外圍相關(guān)電路單獨(dú)集成在傳感器板上，并置于鋁盒中。傳感器板電路原理圖如圖4所示。將CS腳置高，則芯片數(shù)據(jù)的輸出方式為I2C。將AIS226DS的RDY（dataready signal）與單片機(jī)的一個(gè)外部中斷口連接，使單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收與傳感器的數(shù)據(jù)輸出保持同步。

圖4 傳感器板電路原理圖Fig.4 Sensor board circuit diagram

2.4 微型打印機(jī)

為方便使用，測試儀選用便攜式紅外熱敏打印機(jī)VMP02。該打印機(jī)采用32位ARM作為中央處理器及先進(jìn)的富士通打印機(jī)芯，打印速度快，外形輕巧，便于攜帶?？赏ㄟ^串口及配置軟件配置所需的紅外模式和傳輸?shù)牟ㄌ芈省?/p>

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊，按鍵模塊，顯示模塊，存儲(chǔ)模塊和打印模塊。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。程序初始化主要包括IO口初始化，液晶屏初始化，按鍵初始化，I2C初始化，加速度傳感器初始化，時(shí)鐘初始化，以及兩個(gè)串口的初始化。加速度傳感器AIS226DS的初始化程序如下：

圖5 軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Software architecture

4 結(jié) 論

通過靜態(tài)校準(zhǔn)，測試儀在-9.8～9.8 m/s2的規(guī)定測試范圍內(nèi)精度達(dá)到±0.04 m/s2，高于校準(zhǔn)規(guī)范中的±0.10 m/s2，且在整個(gè)測試范圍內(nèi)線性度好。在實(shí)車路試中，檢測精度可達(dá)到±1.0%。整機(jī)待機(jī)時(shí)間超過60小時(shí)，持續(xù)工作時(shí)間大于48小時(shí)，完全滿足現(xiàn)場工作需要。由于整機(jī)采用分立結(jié)構(gòu)，在使用中安裝簡單、方便，便于攜帶。儀器已對(duì)外供應(yīng)一年多，得到廣大客戶的認(rèn)可和好評(píng)。

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