基于混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的車輛行駛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集技術(shù)

劉永濤，賴延年，趙俊瑋

（長安大學(xué)，西安 710064）

車輛行駛狀態(tài)參數(shù)能夠表征車輛運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)、車輛行駛特性規(guī)律、駕駛員操控車輛的駕駛意圖以及駕駛員的駕駛習(xí)慣，是研究車輛縱向危險(xiǎn)行駛狀態(tài)辨識(shí)機(jī)理的重要依據(jù)之一。一方面，能夠?yàn)檐囕v建立可靠的縱向行駛安全域方案集，并為車輛橫向危險(xiǎn)行駛狀態(tài)辨識(shí)模型提供基礎(chǔ)參數(shù)支持；另一方面，車輛行駛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集還能為涉及交通事故各方的事故責(zé)任確定以及公安交通管理部門公正執(zhí)法提供重要參考[1-4]。因此，對車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集的研究和探索具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段常見的相關(guān)采集系統(tǒng)和采集方法有基于GPS雷達(dá)的檢測方法[5]、基于CCD視覺傳感器的檢測方法[6-9]以及基于車輛CAN總線的檢測方法[10-11]等?；贕PS雷達(dá)的車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集方法采用區(qū)位移動(dòng)測速，即利用GPS天線確定移動(dòng)車輛空間坐標(biāo)，再解算某個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)車輛沿縱向行駛的距離來計(jì)算車速，一般以每分鐘為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸顯示。該車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)使用便捷，但系統(tǒng)使用成本較高，且不能采集轉(zhuǎn)向信號(hào)關(guān)鍵參數(shù)?；贑CD視覺傳感器的車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集方法利用實(shí)時(shí)采集的視頻圖像，通過圖像處理算法進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)算車速，該方法使用快速、便捷、成本低，但其精確度不能保證，尤其是圖像處理算法受光照、天氣的干擾較大?；谲囕vCAN總線的檢測方法通過車輛CAN總線的發(fā)射器、接收器及車輛ECU單元傳輸車輛相關(guān)參數(shù)，使用CAN采集卡得到車輛行駛狀態(tài)參數(shù)，該檢測方法精確度較高，但無法應(yīng)用于沒有裝備CAN總線的車輛。針對上述車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集方法的局限性，自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Freescale公司的MC9S12XS128處理器為核心，通過采集車速脈沖信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離、傳入至處理器MC9S12XS128進(jìn)行車輛行駛狀態(tài)參數(shù)解算。

1 面向行駛參數(shù)采集的混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

車輛行駛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)按照功能化、模塊化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)硬件，并根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)中的不同功能劃分為若干子系統(tǒng)：行駛狀態(tài)參數(shù)采集顯示系統(tǒng)、微處理器系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)等。由于車輛行駛環(huán)境的復(fù)雜性，如大風(fēng)、雷雨、冰雪等惡劣自然天氣及道路上下坡環(huán)境，車輛行駛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有系統(tǒng)的復(fù)雜度低、體積便于安裝、良好的可靠性、數(shù)據(jù)采集的精確性及便于系統(tǒng)的后期維護(hù)擴(kuò)展?；旌袭悩?gòu)計(jì)算平臺(tái)的硬件電路架構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的硬件電路架構(gòu)

1.1 基于微處理器的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)處理器模塊的主要作用是將采集的客運(yùn)車輛行駛狀態(tài)的參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)變成最小系統(tǒng)能識(shí)別的參數(shù)數(shù)值，將處理后的相關(guān)參數(shù)通過顯示屏顯示出來并完成與工控機(jī)的數(shù)據(jù)交互。最小系統(tǒng)主要由四大模塊組成，分別是振蕩器與時(shí)鐘電路模塊、復(fù)位模塊、電源模塊和處理器模塊，其中所選用的MC9S12XS128處理器芯片能滿足系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定性、處理能力以及抗干擾能力。

1.1.1 振蕩器與時(shí)鐘電路

時(shí)序邏輯電路對于穩(wěn)定性的要求較高，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)將有可能對其它電路產(chǎn)生高頻信號(hào)干擾，因此，選擇外部有源振蕩器的連接方式，并采用MC9S12系列單片機(jī)的參考時(shí)鐘電路[12]來進(jìn)行振蕩器和時(shí)鐘電路模塊的設(shè)計(jì)。微處理器的系統(tǒng)振蕩器電路模塊設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 微處理器的系統(tǒng)振蕩器電路模塊設(shè)計(jì)

同時(shí)，硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)了鎖相環(huán)濾波電路，主要為保證微處理器穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。如果微處理器系統(tǒng)缺乏濾波電路，可能會(huì)造成壓控振蕩器輸出端電壓波動(dòng)頻繁，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)。該電路主要是為了濾去電壓中的紋波，確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

1.1.2 復(fù)位模塊

復(fù)位模塊的主要目的是為了及時(shí)糾正系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或者內(nèi)部程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，按下微處理器系統(tǒng)的復(fù)位開關(guān)，復(fù)位模塊電路會(huì)產(chǎn)生低電平使微處理器復(fù)位，方便調(diào)試。微處理器的系統(tǒng)復(fù)位電路模塊，如圖3所示。

圖3 微處理器的系統(tǒng)復(fù)位電路模塊

1.1.3 電源模塊

整個(gè)混合異構(gòu)硬件系統(tǒng)平臺(tái)需要該模塊提供所需電壓，電源模塊的設(shè)計(jì)要求所提供的電壓穩(wěn)定，能維持系統(tǒng)正常工作，并能保證系統(tǒng)斷電時(shí)具有數(shù)據(jù)保護(hù)功能。為避免安裝在車輛上的眾多電氣設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾，在該系統(tǒng)模塊中增加濾波電路，以降低電源的高頻干擾，通過在電路中加入發(fā)光LED，來顯示微處理器的通電狀態(tài)。系統(tǒng)外圍電源電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)外圍電源電路

車輛上所提供的電壓一般為24 V或者12 V，因此需設(shè)計(jì)降壓至5 V來滿足單片機(jī)正常工作的電路，選擇具有負(fù)載能力大，穩(wěn)壓性能好，轉(zhuǎn)換效率高的LM2596-5芯片進(jìn)行降壓，系統(tǒng)降壓電路如圖5所示。

1.1.4 處理器模塊

處理器模塊集成了采集各種參數(shù)所需的接口，其中，為編寫程序方便，增加BDM編寫接口電路。整個(gè)電路為了減少布線不精確和裝配誤差等問題，采用PCB印刷板形式，因此整個(gè)電路具有布局緊湊合理、質(zhì)量輕和外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 面向車速信號(hào)干擾抑制的光耦隔離系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了消除車速脈沖信號(hào)包含的其它冗余干擾，混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光耦隔離電路，從而進(jìn)行精確的車速計(jì)算，其中光耦合器起到了隔離輸入、輸出信號(hào)的作用，使信號(hào)滿足保持單向傳輸、穩(wěn)定工作以及抗干擾的要求。光耦隔離電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 光耦隔離電路

1.3 體現(xiàn)自組織任務(wù)分配的車輛行駛信息采集設(shè)計(jì)

車輛行駛狀態(tài)表征參數(shù)包括轉(zhuǎn)向燈信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)以及車速等多種參數(shù)。針對車輛縱向行駛安全保障的需求，采集轉(zhuǎn)向信號(hào)和車輛速度信號(hào)。從車輛儀表盤信號(hào)線接入電路可以采集車輛的轉(zhuǎn)向信號(hào)，從車速傳感器接入電路可以采集到車速信號(hào)[13]。因此，只需設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路，即可把原始的信號(hào)形式轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的參數(shù)。利用電壓比較器采集轉(zhuǎn)向信號(hào)的硬件電路如圖7所示，利用車速傳感器采集車速信號(hào)的硬件電路如圖8所示。

圖7 轉(zhuǎn)向信號(hào)采集電路

圖8 車速信號(hào)采集電路

1.4 基于RS-232串行通信協(xié)議的數(shù)據(jù)交互電路設(shè)計(jì)

為了使所采集的信息可以傳輸至工控機(jī)組件中，采用RS-232串行通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)處理器模塊與開發(fā)板通信，其中僅使用3根線：RXD、TXD和GND，RXD和TXD引腳分別連接至MC9S12XS128單片機(jī)的PS0和PS1引腳。

2 車輛行駛參數(shù)采集模塊化細(xì)粒度算法設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)搭建完成之后，還應(yīng)確定處理器模塊算法，先通過微處理的時(shí)鐘模塊設(shè)置系統(tǒng)工作頻率，再通過電壓比較器設(shè)置車輛轉(zhuǎn)向信號(hào)判斷規(guī)則，然后用增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊設(shè)置車速脈沖信號(hào)統(tǒng)計(jì)規(guī)則，并基于變速器動(dòng)力傳遞原理解算實(shí)時(shí)車速，最后通過數(shù)據(jù)交互模塊將處理后的行駛參數(shù)傳至工控機(jī)組件硬件平臺(tái)。

2.1 用于脈沖信號(hào)檢測的ECT模塊算法設(shè)計(jì)

在進(jìn)行車速信號(hào)檢測之前，需設(shè)置時(shí)鐘任務(wù)模塊，通過對SYNR、REFDV兩個(gè)寄存器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的超頻，對應(yīng)時(shí)鐘任務(wù)模塊算法設(shè)計(jì)流程如圖9所示。ECT模塊又稱增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊，通過級(jí)聯(lián)形成PACA、PACB兩個(gè)16位通道，設(shè)定車速信號(hào)觸發(fā)撲捉方式，對有效觸發(fā)邊沿的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對應(yīng)ECT模塊的設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖9 時(shí)鐘任務(wù)模塊算法設(shè)計(jì)流程

圖10 ECT任務(wù)模塊算法設(shè)計(jì)流程

2.2 車輛行駛狀態(tài)參數(shù)計(jì)算模型構(gòu)建

直接提取車速傳感器在變速器上采集到的車速脈沖信號(hào)，根據(jù)變速器動(dòng)力傳遞原理及相關(guān)公式，推算出車輛車輪轉(zhuǎn)速。車輛運(yùn)行速度計(jì)算模型為：

式中：Vc為車速，m/s；i為傳動(dòng)系統(tǒng)主減速比；d為車輪直徑，m；n為車輛變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min。

通過變速器配置說明獲取主減速比值，測量得到車輪直徑值，脈沖信號(hào)檢測由單片機(jī)中捕捉中斷函數(shù)獲得，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速通過傳感器計(jì)算獲取，基于動(dòng)力傳遞原理，對車輛運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)解算。車輛行駛速度解算流程如圖11所示。

圖11 車輛行駛速度解算流程

2.3 車輛行駛信息交互模塊算法設(shè)計(jì)

車輛行駛參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)與工控機(jī)通信時(shí)需設(shè)定相同波特率，通過系統(tǒng)多次試驗(yàn)測試，數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)淖罴巡ㄌ芈蕿?600 b/s，通過設(shè)置SCI控制寄存器的收發(fā)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互?；赗S232通信協(xié)議的數(shù)據(jù)交互算法設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12 基于RS232通信協(xié)議的數(shù)據(jù)交互算法設(shè)計(jì)流程

表1 采集車速數(shù)據(jù)與車速表顯示數(shù)據(jù)對比

圖13 在環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3 系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

4 結(jié)論

對車輛行駛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)進(jìn)行了硬件構(gòu)建和軟件設(shè)計(jì)之后，為驗(yàn)證其合理性和算法有效性，選取奇瑞某轎車進(jìn)行系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)，將系統(tǒng)按要求連接好后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集車速數(shù)據(jù)與車速表顯示數(shù)據(jù)對比見表1，對應(yīng)分析如圖13所示。

系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所構(gòu)建的基于混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的行駛參數(shù)采集平臺(tái)能準(zhǔn)確采集車輛轉(zhuǎn)向信號(hào)，車速采集相對誤差平均值為6 %，由于車輛儀表盤本身顯示的車速數(shù)值要高于實(shí)際的車速數(shù)值，行業(yè)規(guī)定一般應(yīng)高于實(shí)際值4 %～10 %[14]，因此，該車輛行駛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)符合預(yù)期需求。

本文通過將MC9S12XS128作為控制器芯片，搭建基于混合異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的車輛行駛狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)，其中包括行駛狀態(tài)參數(shù)采集顯示系統(tǒng)、微處理器系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)等。根據(jù)不同模塊的設(shè)計(jì)要求，對任務(wù)模塊化細(xì)粒度算法并行設(shè)計(jì)，通過處理采集的車速信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)，實(shí)時(shí)解算車輛行駛狀態(tài)參數(shù)，并將其傳送至相應(yīng)顯示平臺(tái)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。系統(tǒng)平臺(tái)硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效采集車輛轉(zhuǎn)向信號(hào)，車速數(shù)據(jù)檢測相對誤差平均值為6%，滿足平臺(tái)工作預(yù)期需求，可對車輛行駛狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的采集。