车辆运行参数采集系统设计

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摘 要：针对传统汽车运动参数采集系统的缺点，设计一套基于STM32的ARM平台的新型采集系统，可以采集车辆运动参数和状态参数，包括位置信息、姿态信息、开关量、模拟量、频率量等，并把⑹进行时间同步，以此来判断车辆的整车性能。

关键词：数据采集 检测系统 设计

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0017-03

汽车整车道路性能试验是通过对汽车运动参数进行测量和分析实现的，需要实时记录运动性能参数，运动性能参数包括轨迹、速度、加速度和角速度等一系列参数，而传统的测试方法需要用各个单独的仪器对这些参数进行分别测试。传统姿态测量的机械陀螺平台体积大、质量重。现代电子产品的集成度越来越高，惯性测量系统具有精度高、体积小、功耗低、稳定性好等优点。

该文设计的车辆运行参数采集系统，基于STM32的ARM处理器平台，集成了高精度GPS模块、陀螺仪模块、车辆运动性能参数采集模块，记录车辆在运行过程中的运行参数和状态参数，以此达到性能分析的目的。

1 需求分析及系统设计

1.1 需求分析

汽车的性能测试依靠汽车的运动参数，故采集系统要提取车辆轨迹、加速度、速度、角速度等位置、姿态信息。为了全面检验整车性能，系统集成了一套信息采集板，实时测试和记录在相应时刻的车辆状态信息，如方向盘转角、油门、刹车、油门等参数，并利用软件，对所有数据进行时间同步。

1.2 系统设计

根据上述分析，对系统要采集的物理量和模块进行分类，模拟量：油门，刹车等；开关量：车门，车灯等电气开关；频率量：发动机转速等；接口量：使用ARM处理器各类通信总线外接的GPS、陀螺仪等模块系统功能模块。图1是系统结构图。

2 硬件设计

2.1 最小系统

采集系统是基于STM32的ARM平台开发的，STM32拥有丰富的片上资源，免去了大量外接电路，提高了系统集成度，节约开发成本。外接8 M晶振，经过倍频电路，使得CPU的时钟频率最高可达72 MHz，STM32的稳定性大大提高了系统工作性能。

2.2 模拟量

在时间上、数值上都连续变化的物理量称为模拟量。对非电量进行测量、处理、控制时，要把非电量转化成模拟电信号。标准的模拟电压信号为0～10 V，标准的模拟电流信号为4～20 mA。

在汽车上有很多参数的检测需要转换为模拟量信号，如油门、刹车等。

将检测端与检测电路输入端相连，检测的信号经过LM324放大后与CPU的ADC通道相连，实现对非电量的量化和检测。模拟量放大电路如图2所示。

2.3 开关量

开关量，指控制继电器的接通或者断开所对应的值，即“1”和“0”。它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质。

可用开关量对汽车某些特定器件的状态进行描述，如车灯、车门等一系列只有两种状态的量。

系统设计了2组4路开关量采集电路，如图3。开关量采集模块使用了P181GB光耦电路，输入端与汽车端待检测器件相连，输出端与STM32处理器的I/O相连接，当检测到器件状态发生变化时，通过光耦可以把变化的电流传递到CPU端，记录变化状态。

2.4 频率量

频率量测量原理，是通过相应的传感器，将周期变化的特性转化为电信号，再由电子频率计显示对应的频率，如工频、声频、振动频率等。

频率量是与被测量如转速、流量、风向等物理量参数成比例的TTL电平的频率信号，可能是脉冲频率、周期或是脉冲数。该文采用电子计数法进行测量。由于STM32拥有较强的控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高，易于实现。

利用光耦电路，可以把电量隔离，该系统采用了PG181GB光耦电路（如图4）。利用施密特触发器可以把变化缓慢地输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲，可以实现脉冲波的整形，脉冲监幅，还可以利用其回差电压的特性来提高电路的抗干扰能力。在频率量采集电路中使用了HEF40106BT施密特触发器，可以提高频率采集电路的稳定性。

2.5 接口量

STM32拥有丰富的片上接口资源，系统利用这些接口外接了很多模块设备，以此实现更多数据的采集。

系统使用了美国Trimble公司的高精度GPS模块，BD982，原理如图5。支持GPS L1/L2/L5和GLONASS L1/L2信号，具有精确定位和航向姿态测量功能，提供两个连接的天线间及到远程基站的多星基线RTK。模块误差率为1 Hz带宽相位误差

BD982使用了3路串口总线与CPU进行通信，1路网口接口，在系统中，模块使用了RTK工作模式。

系统使用MPU6050陀螺仪对车辆的姿态信息进行测试，测量维数为加速度3维，角速度3维，姿态角3维；量程为加速度±2 g，角速度±2000°/s；数据输出频率100 Hz/20 Hz；模块使用了IIC接口，通信接口简介简洁，节约了CPU的通用I/O口。

3 实验验证

利用采集系统对运行中的汽车进行参数采集实验验证，与上位机通信，验证了系统的可行性。

4 结语

利用参数采集系统与上位机通信，采集和记录车辆在运行过程中的运动参数和车辆的状态参数，利用外接模块可以获得车辆的位置信息，姿态信息（如图6）。运动参数可用于汽车整车性能实验，可以结合车辆状态参数做后续应用开发。

参考文献

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