FSAE無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

岳英豪，高富誠，景正祥，付寧善，隋學(xué)智

（青島理工大學(xué)，山東青島，266520）

FSAE無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

岳英豪，高富誠，景正祥，付寧善，隋學(xué)智

（青島理工大學(xué)，山東青島，266520）

本系統(tǒng)由32位MCU為主控制器，通過CAN總線、AD轉(zhuǎn)換、輸入捕獲以及集成傳感器等方式對(duì)賽車各動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄并通過無線發(fā)送到電腦端顯示分析。該系統(tǒng)通過CAN總線獲得Motec M84采集的傳感器數(shù)據(jù)，并可另外采集10路模擬量、4路脈沖采集，GPS信息采集，6軸傳感器采集并支持4路PWM、4路IO控制和提供高達(dá)5V3A的電源輸出。

FSC；FSAE；數(shù)據(jù)采集CAN；GPS；ADC；PWM；ACC；GYRO；LabVIEW

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、外設(shè)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)組成。

1.1降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)

降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)分為12V轉(zhuǎn)5V、5V轉(zhuǎn)3.3V、5V轉(zhuǎn)±5V、5V轉(zhuǎn)2.5V精密基準(zhǔn)電壓。

考慮到FSAE賽車電瓶一般不低于9V，且考慮到系統(tǒng)可另給其他設(shè)備或傳感器提供電源，因此本系統(tǒng)12V轉(zhuǎn)5V使用了TI公司的LM2596開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，輸入電壓范圍在7-40V，輸出電壓為5V，可提供高達(dá)3A電流輸出，滿足應(yīng)用需求。

5V轉(zhuǎn)3.3V使用了AMS公司的AMS1117線性穩(wěn)壓芯片，該芯片可提供1A的電流輸出并且外設(shè)器件組成極其簡(jiǎn)單，因而選其作為控制器、外設(shè)等的供電電源。

5V轉(zhuǎn)±5V使用了國產(chǎn)金升陽提供的A0505S模塊，該模塊可提供1W的功率，使用簡(jiǎn)單，用于提供帶隔離的電源以保護(hù)系統(tǒng)不受損壞。

5V轉(zhuǎn)2.5V精密基準(zhǔn)電壓選用的是MC1403用作ADC的參考電壓，該芯片基準(zhǔn)電壓波動(dòng)為±10mV，并且價(jià)格合理。

圖1　.1降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)

1.2主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)以STM32為核心，該芯片是一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的Cortex-M3內(nèi)核的32位控制器，頻率為72Mhz，雖然該芯片不是汽車專用芯片，但經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，且未用于核心控制領(lǐng)域，該芯片在FSC仍然具有相當(dāng)好的可靠性和穩(wěn)定性。

1.3外設(shè)系統(tǒng)

外設(shè)系統(tǒng)包括：CAN收發(fā)器、GPS芯片、六軸傳感器、無線模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、SD卡、調(diào)試電路、外置傳感器及接口。

CAN收發(fā)器采用的是CTM8251，這是一款帶有隔離功能的通用 CAN 收發(fā)器芯片。可以有效保護(hù)采集系統(tǒng)的電氣電路。若考慮到成本可以將此收發(fā)器替代為不帶隔離的TJA1050收發(fā)器。CTM8251原理圖如圖1.3.1所示。

GPS芯片選用了Ublox公司的NEO-6m芯片，模塊的高靈敏度、小靜態(tài)漂移、低功耗及輕巧的體積，非常適用于車載定位。NEO-6M芯片原理圖如圖1.3.1所示。

六軸傳感器選用的是MPU6050，該芯片集成三軸加速度傳感器以及三軸角速度傳感器，用以檢測(cè)車輛的空間加速度變化以及角度變化。其原理圖如圖1.3.1所示。

無線模塊選用的是nrf24l01模塊，用于將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端顯示處理分析。nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。通過增加LNA以及PA實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸以覆蓋賽場(chǎng)。其原理圖如圖1.3.2所示。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片主要用于賽車圈速的計(jì)時(shí)，負(fù)責(zé)承擔(dān)秒分級(jí)別的計(jì)時(shí)，毫秒級(jí)別的定時(shí)由主控制器定時(shí)器完成。該芯片選用的是DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，其原理圖如圖1.3.2所示。

圖1　.3.1 CAN收發(fā)器、GPS、六軸傳感器

圖1　.3.2 無線模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、SD卡

圖1　.4.2模擬信號(hào)隔離

SD卡用于存儲(chǔ)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，以彌補(bǔ)當(dāng)無線通信受到阻擋時(shí)的數(shù)據(jù)記錄工作。其原理圖如圖1.3.2所示。

1.4保護(hù)系統(tǒng)

由于車載設(shè)備工作環(huán)境較惡劣，如點(diǎn)火系統(tǒng)的高壓包所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)、電池老化以及點(diǎn)火瞬間電壓驟降引起電壓不穩(wěn)、雨水灰塵引起可能的短路或靜電破壞、用戶的錯(cuò)誤操作等都有可能損壞系統(tǒng)或?qū)е孪到y(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此可靠的保護(hù)措施是有意義的。

系統(tǒng)的保護(hù)措施一共分為防反接保護(hù)、靜電保護(hù)、短路保護(hù)、模擬信號(hào)隔離、數(shù)字信號(hào)隔離。

防反接保護(hù)通過在12V輸入端串接一個(gè)順向二極管實(shí)現(xiàn)，利用二極管的單向?qū)ㄐ?，可有效保護(hù)因用戶誤接電池?zé)龎慕祲盒酒?。原理圖如1.1所示的D1元件。

靜電保護(hù)在輸入端并聯(lián)一個(gè)雙向TVS管，靜電通過擊穿TVS管形成放電通道以保護(hù)系統(tǒng)。原理圖如1.1所示的D3元件。

系統(tǒng)在5V和3.3V處各串聯(lián)了一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。在發(fā)生短路、過流等情況時(shí)可通過保險(xiǎn)絲的熱效應(yīng)自行切斷電路并可在故障消失時(shí)自行恢復(fù)而無需更換保險(xiǎn)絲。原理圖如圖1.4.1所示（圖示10mR為采樣電阻用于檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前功耗）。

系統(tǒng)支持10路模擬量輸入，并對(duì)10路模擬信號(hào)都做了隔離，但模擬信號(hào)隔離技術(shù)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離需要較高的成本并具有較大的體積，考慮到實(shí)際，并不需要完全的電氣隔離，本系統(tǒng)通過CD4067作為模擬開關(guān)再加一片5532運(yùn)放接成電壓跟隨器進(jìn)行隔離。一方面減少了控制器所需的IO腳一方面提高了保護(hù)效果。原理圖如圖1.4.2所示。

系統(tǒng)的4路輸入捕獲和4路PWM輸出控制通過高速光耦實(shí)現(xiàn)隔離，通過調(diào)整限流電阻的大小調(diào)整電壓上升速率以調(diào)整極限響應(yīng)頻率，經(jīng)過Multisim仿真和實(shí)際測(cè)試，可以達(dá)到10Khz響應(yīng)頻率，滿足賽車上數(shù)字傳感器的信號(hào)頻率。輸入捕獲（其一）和PWM輸出（其一）隔離如圖1.4.3所示。

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以定時(shí)器中斷為基礎(chǔ)，定時(shí)讀取和處理傳感器信號(hào)，時(shí)間基準(zhǔn)為1ms。

模擬量讀取：程序每1ms讀取一個(gè)通道的ADC值存于數(shù)組中，并控制CD4067切換到下一模擬量通道，這樣在下一次進(jìn)入該函數(shù)時(shí)模擬電壓穩(wěn)定切換。

脈沖輸入讀?。好}沖輸入通過輸入捕獲實(shí)現(xiàn)，通過配置通用定時(shí)器為輸入捕獲，每當(dāng)發(fā)生上升沿和下降沿時(shí)系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)入中斷，程序統(tǒng)計(jì)兩次上升沿間隔的時(shí)間計(jì)算脈沖信號(hào)頻率，以此計(jì)算輪速、轉(zhuǎn)速等。

CAN數(shù)據(jù)讀?。篊AN數(shù)據(jù)通過中斷完成，每次收到數(shù)據(jù)后便會(huì)進(jìn)入中斷，程序?qū)?shù)據(jù)讀出并存入數(shù)組。

GPS信號(hào)讀?。篏PS信號(hào)通過串口傳送，程序配置為DMA模式接收該串口數(shù)據(jù)，收到256個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生DMA中斷，按NEMA協(xié)議解析GPS數(shù)據(jù)提取出經(jīng)緯度、地速等信息。

圖1　.4.1短路保護(hù)

圖1　.4.3 數(shù)字信號(hào)隔離

實(shí)時(shí)時(shí)鐘：程序在上電時(shí)讀取DS1302，大致判斷DS1302是否有正確的時(shí)間信息，如若沒有進(jìn)行LED提示，并在GPS信號(hào)良好時(shí)，將GPS時(shí)間存入DS1302保證時(shí)間正確，程序只在圈速模式時(shí)提取時(shí)間值。

MPU6050讀?。撼绦蛎?ms提取一次MPU6050的六軸數(shù)據(jù)并通過四元數(shù)與余弦矩陣解算歐拉角。

SD卡存儲(chǔ)：SD卡寫入是作為無線信號(hào)覆蓋不了時(shí)的補(bǔ)充，程序每20ms將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CSV文件中。

無線發(fā)送：程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過2.4G無線發(fā)送到電腦端，電腦端配有專用的上位機(jī)用于接收無線數(shù)據(jù)并分析處理和圖形化顯示。程序每20ms發(fā)送一次CAN數(shù)據(jù)、ADC數(shù)據(jù)、MPU6050數(shù)據(jù)。每100ms發(fā)送一次GPS數(shù)據(jù)。考慮到無線模塊自帶CRC校驗(yàn)，本系統(tǒng)只對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行簡(jiǎn)單的和校驗(yàn)。

指示燈和OLED顯示：為了方便觀測(cè)，系統(tǒng)配備了一個(gè)小型的OLED屏幕以及2個(gè)指示燈以顯示一些簡(jiǎn)單必要的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)用LabVIEW所寫，支持將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CSV格式文件、讀取CSV文件顯示到控件上、支持百度地圖調(diào)用實(shí)現(xiàn)定位。上位機(jī)以多個(gè)while定時(shí)執(zhí)行為框架，一個(gè)while為主框架掃描串口是否有數(shù)據(jù)并響應(yīng)用戶觸發(fā)的事件，一個(gè)while定時(shí)按協(xié)議解析數(shù)據(jù)，一個(gè)while將解析后的數(shù)據(jù)濾波并顯示到控件上，一個(gè)while串口的接收上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波然后送到控件上顯示，一個(gè)while訪問百度地圖API的定位服務(wù)。

3　結(jié)論

經(jīng)過驗(yàn)證本系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的采集與記錄，并具有很好的保護(hù)措施極大提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)從下位機(jī)到上位機(jī)均為專門配套，且完全自主化設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了采集功能又比市面上的采集系統(tǒng)廉價(jià)許多，實(shí)現(xiàn)了目的又有效節(jié)約了成本。系統(tǒng)稍加修改可以不僅僅用于FSAE的賽車數(shù)據(jù)采集亦可用于各種各樣的傳感器數(shù)據(jù)采集，節(jié)省了大量重新開發(fā)的時(shí)間。

岳英豪（1995.03-） 性別：男，籍貫：湖南邵陽人，學(xué)歷：本科，就讀于青島理工大學(xué)。

FSAE wireless data acquisition system

Yue Yinghao，Gao Fucheng，Jing Zhengxiang，F(xiàn)u Ningshan，Sui Xuezhi
（Qingdao University ofTechnology，Qingdao Shandong，266520）

The system consists of 32 bit MCU as main controller，MOTEC M84 collected sensor data obtained through CAN bus，and also collected 10 analog，road 4 pulse acquisition，GPS information acquisition，six axis sensor acquisition and support PWM，4-way IO control and provide up to 5V3A power output.

FSC；FSAE；Data acquisition CAN；GPS；ADC；PWM；ACC；GYRO；CAN；LabVIEW