（通信与信息系统专业论文）便携式汽车制动性能检测仪的研制.pdf

硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 a b s t r ac t b y 胡 a l y z l n g the s i tt 比 t l ons ofthe equ l p m e n ts for d e 让 沱 t l on即 t o m o b ilebr ak e 腼比。 h o m e an d ab r o ad， we desi gnedthe equ i p m e n t fo r d 晚ction a 以 。 m obileb 晓 ik e p a 件 u n e t 已 rs b 别 姆 d onl inearc c d ( 1 不 p l 一 1 0 2 4 ) 、 fpg a( epz c 3 5 ) a 1 sowe use t h e f p g atoreal i ze some con t r 0 1 ci rc u i ts ， s u c h asth e d eno unc e d d r c u l t o f the k e y boar d ; a 1 sowe use the fpg a tore al i zeso me co n t r o l c ircui ts ， s u c h asthe deb o u n c e c l rc u i t o f the k e y boa r d ; w i thre g ar ds tothe so ft w ar e desi gn， i h ave r e a l i ze dth e f ast f o uriert 此 田 s fo nn 于 f l 即 dl n v e r s e f ast f o uriert 蹄 旧 s fo rm( if f r ) a lg o ri t h mtoa n a l y z ethe coit e l at io n 丘 m c t l ontoc a l c u l ate a u t o m o b i l e s p 倪 d ; i ana l y s e s the m e t b o d of司culat ing the p a n ” 力 e t e r s 。 f a u t o m o bi le b r a k e s u c h a8av e r a g e d ecre ase s pee ds 。 斤 w ar e h asre al l z e d l c ddi sp l a y i n g 过so at the e n do f u l i s p al 姆 r ， i ana ly zethe e n ” r o f 而s sy引 e mandth e ma tt e rsw hi ch m 侧 盆 be 住 lk e n g r e ata tt c n t i o n to k e y w o r d s : a u t o m o b i le b r a k e 几 n c t io n ，d ynami c d etect i o n ， c o rrelat io n 九n c t i o 氏l ine arc c d， v h d l ， mc u ， f f t .1 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的 部分外，不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : )介 公护 子 年尽月子日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送 交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。- 研 究 生 签 名 : 矛 公多 少 沙 年明 乙 日 硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 1 绪论 随 着人民生活水平的提高， 汽车工 业得到了飞跃发展。 越来越多的 家庭和个人 拥有了机动车。然而由此造成的交通事故也呈增长势头。据调查，在机动车发生的 交 通事故中由于制动不良 占有很大的比 重， 如在我国的一城市一年内 发生的2 50起 重 大交通事故中，因制动距离太长和制动跑偏所造成的事故为 10 0 起，占4 0%，因 制动调头引 起的事故为16起， 占61. 4%。 可见机动车必须具备良 好的 制动性能 才能 保 证行驶安全，同时也只有在此条件下 才能提高行驶速度和运输生产率。因 此我们 应该高度重视机动车的制动性能，必须经常对制动系统进行检验和调整。国家也将 机动车制动性能安全检测列为重点检测项目 之一。 1 . 1 汽车制动性能 检测简介 汽车制动性能检测在汽车生产制造过程中是一个必不可少的重要环节，在投入 使用后的每年一度的年检中是一个主要组成部分，同时也是交警执勤检查的一项重 要内容。汽车制动性能检测按检测项目分为行车制动、应急制动和驻车制动;按检 测环 境分为台试法和路试法。按制动检测对象分为 制动距离、充分发出的 减速度、 制动协调时间、踏板力或制动气压、制动力及其总和与整车重量的百分比、轴制动 力及其与轴荷的百分比等参数的直接或间接测量等; 汽车制动性能检测标准也经历了 几次修订。 最新的标准是在 2 0 04 年制定实施 的， 为 g b72 58一 2 0 04 机动车运行安全技术条 件 。标准已 将汽车在路制动性能检 测列为首要位置 ( 1 9 9 7年版的国标中的首要检测手段还是台试法) 。国标对路试法 的检测要求、方法、指标说明的很详细一一路试法主要在道路上对汽车制动性能进 行检 测，检验应在平坦 ( 坡度不大于 1 %)、 硬实、 清洁、 干燥且轮胎与地面间的附 着系数不小于0 . 7 的水 泥或沥青路面上进行。 检测前在路面上画出表 1 . 1 所规定的 试车 通道的边线。 被测汽车沿着试验车道的中线行使至高于规定的 初速 度后， 置变 速器于空档 ( 自 动变速的汽车可置变速器于 0 档) ，当滑 行到规定的 初速度时，急 踩制动，开始检测，直到汽车停止。 1 . 2国内 外汽车制动性能检测仪的研究现状 紧跟汽车工业发展步伐，汽车制动性能检测仪的研发工作也取得了长足的进 步，出 现了 一系列的性能完善的 检测设备， 如用于台 试法的滚筒反力式制动检验台 系列和平板制动检验台系列， 用于路试法的以 速度计、 第五轮仪和其它测速方法测 速的设备为主体便携式 制动性能检测综合装置等。 随着集成电 路的生产制造工业水平不断 更新， 大规模 和超大规模可编程逻辑器 件的资源日 益丰富、功能日 益强劲、 使用日 益容易、价格日 益降低， 世界上许多国 家的 汽车制动性能检测设备生产制造的公司和研发机构正将主要精力转移到便携 式道路制动性能 检测仪的研制和开发工作， 已 有少量产品 在市场上出 现并投入实际 硕士论文便拚式汽车制动性能检侧仪的研制 使用中。 我国 在近几年也逐渐加大研发力度， 研制新模型， 尽量减低其开发成 本和提高 对使 用环境以 及运行条件的 适应性， 以 便尽快为 市场所接受， 但受研发器件、 研发 成本等 条件限制，目 前仍然处于尝试和试验阶段，成 熟的 产品不多. 1 . 3 本 课题的 主要研究 任务 和意义 本 课题针对目 前国内 市场上汽车制动性能检测设 备的 现状和存在的问题， 吸取 国内 外现代检测技术， 采用先进的设计 理念和元器件， 开发出 一套性价比 高的汽车 制动 性能 检测系统。 测量以 一定 初速度(v=50腼/ h 或30k . /h) 行驶于平直的、 长度 在 50 米以 上的 水泥或沥青路面上的汽车在制动控 制过程中的 运动参数，经分 析、处 理， 从而得到其制动距离、充分 发出的 平均减速度、制 动协调时间 、制动踏 板力等制动性能参数，并对照标准进行性能状况判定。 该检测仪须具有以下功能: ( 1) 可实 现实时监控。 对测试过程信号的实时监视、 测试数据的采集、测 试数 据的储存以 及测试数 据的处理 等功能， 并可将处理结 果以图 形、 曲线、 表格等格式 显示、打印输出; (2 ) 实时显示采样数据。 绘制车 速、 跑偏距离、制动踏板力等测量参数的动态 数据波形，以监督信号过程的连续性、 有效性， 确保试 验成 功; (3 ) 操作简单、快捷。能 够方便地 通过键盘和液晶 显示 模块，控 制和指示当前 的 工作状态。能及时输出检测评价结果。 (4 ) 检测仪有自 调试功能。应 有上电及软件自 恢复功能，具 有自 诊断功能，发 现检测仪的内存、 各功能模块、1 /0 口 等工作异常时应 及时 报警、 记录和保存. (5) 体积小、功耗低，便于携带、安装，成本低廉、适用面广，可广泛的使用 于汽车修理厂、汽车检测站，以 及交 通安全检查站等等; 本课题立足新起点， 运用新 技术， 构建新 模式， 拟将高 速线阵c cd引入到汽车 制动性能检测中， 为他人提供汽车制动性能检测新思 路， 并 推动我国 在此方面研究 的深入、发展，具有一定的实际意义。 硕士论文便携式汽车制动性能检侧仪的研制 2 汽车制动性能检测仪的设计概述 2 . 1 汽车制动性能 检测仪研发方案 的确定 检测汽车制动性能的方法有感观检测 法、台 试法和路试法。 感观检测法是工作人员( 或修理工)在实际检查工作中， 运用听来 检查气漏， 闻( 嗅 觉)来识别过热制动或沾污的热表面，触觉可以 用来检、 摸松动 件，视觉则 用来检视损坏的气路、液路、 丢失 件、 磨损件或 破坏件， 有时 还包括测量推杆行程 以 识别潜在的不安全因素。 这种方 法得到的 结果可用来预见营运汽车目 前或运行一 段时 间后的制动性能， 很显 然， 其优点在于其检视费用少， 设备简单， 仅需要尺子、 闪光灯、上螺丝器、铅笔和纸张就行，操作方便，操作人员的经验可帮助他发现特 种车或带有特别携带物品车辆的故障。同 时该种方法的 缺点也是显而易 见的: 检视 工作耗时长， 只能部分定期检查在 运行的 车辆，同时 检视工作带有一定的主观性， 测试结果很大程度上取决于操作人员的经验和操作水平，且有不少项目如制动力、 制动减速度等一些重要的性能参数测不出来，目前逐步被淘汰。 台试法是利用室内制动性能试 验台 检测汽车制动性能， 由 于其安全易实现的 特 点， 因 此绝大多数的 汽车制动性能检测采 用此方法。 该方法通过制动试验台进行 制 动力的测量，通常以车轮制动力的大小和左右车轮制动力之差值来评价汽车的制动 性能。该方法一般不对制动过程的踏板力、制动力和制动时间等参数做实时记录分 析， 这对于制动系工作正常且制动时无迟滞的汽 车是准确的， 但对于有故障或 制动 迟滞的汽车， 试验台 上检测合格， 实际使用中不 一定 合格。 另外， 在试 验台上检 测 时， 汽车前 后轴载荷为不变的 静载荷， 而实际道 路制动时，由 于惯性力的作用， 汽 车前后轴的载 荷将发生 变化， 而这种变化 将影响 制动效果， 因此台架 试验法有 一定 的局限性。 道路试验法有传统路试法和在路智能测试法。传统路试法的主要手段是观测在 规定条件下 行驶的 汽车进行刹车动作后而留在地面上的痕 迹， 从制动开 始到制 动停 止的距离、 轮胎在路面上的压印和拖印的 痕迹作为评定制动性能的依据。 这是 一种 近似测定制动 距离的 方法， 在一定程度上能反应 汽车制动的实际状况。 该 方法简单、 成本低， 但每次试验时轮胎磨损严重， 并受人的 主观和试验条件如速度、负荷、 路 面、 轮胎类型和风阻差异的影响很大，因 此误差大。在路智能测 试法的 主要仪 器为 五轮仪 及惯 性式减速度计。 近代的 第五车轮采用电 磁感 应传感 器与 数字显示装置， 能精确测出起 始车 速、 制动距离、 制动时间， 但价格昂 贵、 操作复杂，目 前多 用于 专业汽车制造厂。 综上 所述， 感官检 测法误差大， 濒临淘汰， 只能用于临时非正规的 估算检测中 ; 台试法安全易实现，但需要专门的检测台，检测设备体积大而笨重，而且存在静态 检测结果和实际动态 参数不一 致的 先天缺陷:在路智能检测法 检测能 全面、准确、 硕 士 论 文便携式汽车制动性能检测仪的研制 迅速的 获得汽 车实际 制动性能参数， 因此，本 课题以 在路智能 检测作为 研究内 容。 具体检测项 目 和要求标准如下: 2 . 1 . 1用制动距离检验行车制动性能标准 汽 车在规定的初 速度下的制动 距离和制动稳定性应 符合表2 . 1 . 1 的 要求， 对空 载检验制动距离有质疑时， 可用表2 . 1 . 1 满载检验的 制动性能 要求进行。 制动距离 是指汽车在规定的初速度下急踩制 动时， 从脚接触制动 踏板 ( 或手触动制动手 柄) 时起至车辆停止时车辆行驶过的距离。 表2 . 1 ， 1制动距离和制动稳定性要求 车辆类型 制动初速 度 ( 恤/ h) 满载检验制动 距离要求(m) 空载检验制动 距离要求( 耐 试车道 宽度 ( 。 ) 三轮汽车 2 0城芝; 02 。 5 乘用车 5 0续2 0 . 0簇 1 9 . 02 . 5 总质量不大于3 5 0 0 kg的 低速货车 3 0城9 。 0簇8 。 02 。 5 其它总质量不大于3 5 0 o k g 的汽车 5 0簇2 2 . 0蕊2 1 。 02 。 5 其它汽车、汽车列车 3 0续1 00城9 。 03 . 0 2 . 1 . 2用充分发出的平均减速度检 验行 车制动性能标准 汽车、 汽车列车 在规定的 初速度下急踩制动时 充分发出的 平均 减速度和制动稳 定性 符合表2 . 1 . 2 的规定要求， 且制动 协调时间对液压制动的汽车不应大于0 . 355， 对气 压制动的 汽车 不应大于0 ， 6 0 5 ， 对汽 车列车、 铰接客车和 铰接式 无轨电 车不应 大于0 . 80 5 。 对空载检验的充分发出的平 均减速度有质疑时， 可用表2 . 1 . 2 满载检 验的充分发出的平均减速度。 制动协调时间: 是指在急踩制 动时， 从 踏板开始动作至车辆减速度( 或制动力) 达到表2 . 1 . 2 规定的车辆充分发出的 平均减速度75%时所需的时间。 表2 . 1 ， 2 制动减速度和 制动稳定性要求 车辆类型 制动初速 度 ( 物/ h ) 满载检验充 分发出的平 均减速度 ( 口 / 5 2 ) 空载检验充分 发出的平均减 速 度 ( 可 5 ， ) 试车道 宽度 ( 耐 三轮汽车 2 0续:3 . 82 . 5 乘用车 5 0续5 。 9续622 。 5 总质量不大于3 5 0 0 k g 的低速货车 3 o续5 。 2簇5 . 62 . 5 其它总质量不大于3 5 0 o k g 的汽车 5 0续 5 . 45 . 8 2 . 5 其它汽车、 汽车列车 3 0续5 。 0簇5 . 43 . 0 2 . 1 . 3制动踏板力或制动气压标准 a) 满载检验时 气压制动系: 气压表的 指示液压簇 额定 工作气压: 硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 液压制动系:踏板力， 乘用车 其它机动车 (5 0 0 n ; 蕊7 0 0 n 。 b) 空载检验时 气压制动系:气压表的指示液压毛6 0 0 k p a ; 液压制动系: 踏板力， 乘用车(4 o on: 其它机动车(4 5 o n. 2 . 1 . 4应急制动性能检验标准 汽车在空载和满载状态下， 按表2 . 1 . 3 所列初速度进行应急制动性能检验， 测 量从应急制动操纵始至车辆停住始的制动距离， 应急制动性能应符合表2 . 3 的要求 表2 . 1 . 3应急制动性能要求 车辆类型 制动初速度 ( k m / h ) 制动距离 ( m ) 充分发出的平均 减速度 ( 耐扩 ) 允许操纵力不大于 ( n ) 手操纵脚操纵 乘用车 5 0毛3 8 。 0 )2 。 94 0 05 0 0 其它汽车( 三轮 汽车除外) 3 0 城1 8 . 0)2 . 5 6 oo7 0 0 其他汽车3 0簇2 0 . 02 . 2 6 0 07 0 0 2 . 1 . 5驻车制动性能检验标准 在空载状态下，驻车制动装置应能保证汽车在坡度为2 既 ( 对总质量为整备质 量的1 . 2 倍以 下的汽车为巧% ) 、轮胎与地面间的附 着系数不小于0 . 7 的坡道上正、 反两个方向保持不动，其时间不应少于smin 。对于允许挂接挂车的汽车，其驻车 制动装置必需能使汽车列车在满载状态下时能停在坡度为12 % 的 坡道 ( 坡道上轮胎 与地面之间的附着系数不应小于0 . 7) 上。 2 . 2汽车制动检测仪的基本原理 汽车制动性能检测仪的基本原理是: 安装在汽车前首的速度检测装置，以 汽车 前大灯为辅助光源。在 f pga的驱动下，其特制的光学系统扫描汽车路过的地表面 时， 可将前后相隔微小距离的目 标影像分别投射到线阵c cd的以中心为界的两部分 线阵 上， 这样，同 一区域地表面可在c cd的 左右两边线阵 上先后成像。 线阵c cd采 集的 前后两组视频数据经滤波、 放大、取样和a 儿转换送回到f pga 进行处理， 通 过比 较、 检索两者中的特征点 ( 前者记录所扫描地表面特征点， 后者比 较、 检索该 特征点) ，当前后特征点吻合时， f pga即可根据其所经历时间和特征点在线阵c cd 像元上的偏移数， 计算出 汽车行驶速度的大小 和偏转角。 根据制动过程中 所检测的速度和制动踏板力， 便可计算制动性能参数， 对照相 关国 标， 通过lcd 显示输出被测汽车的制动性能 评判结果。 . 5 . 硕士论文便携式汽车制动性能检侧仪的研制 2 . 3汽车制动性能检测仪的设计概述 本课题采用线阵c c d i t-p 卜1024作为车速传感器， f p g a 芯片e pzc 35承担对其 驱动和输出 数据的实时高所处理， m c u 则完成系统调控和显示任务。整个系统分成 三个模块组成. 分别为: 速度检测传感器 ( 由ccd 扫描输出、 数据采集、 存储和由 f p ga完成的c c d 驱动、数据的f 盯和i f 盯车速计算处理、车速计算等组成) ，mcu 综合处理模块 ( 由制动性能参数计算、自 检报错、结果查询、显示和通讯组成)和 踏板力检测传感器。 在fpga 的驱动下， ccd的左右两段线阵相元完成将前后两块地面图 形信号到 视频信号的 转换， 经视频信号滤波、 放大后送入数据采集和ad转换电 路。 f p ga对此两个平稳随机信号通过f 盯和if盯运算得到它们的互相关序列，比 较左右两段c cd视频信号中的 特征点的 相关度， 并根据互相关序列的极值点出 现时 ( 此时左右两c c d 扫描地面区域重叠) c cd扫描帧数和相元次序计算车速大小和侧 滑跑偏距离。 综合处理模块的核心器件为毗u 。 m cu接收fp以检测的瞬时车速大小和侧滑跑 偏距离， 一方面驱动lcd 实时显示，另一方面进一步计算出制动性能检测所需的制 动距离、 充分发出的 平均减速度、 制动协调时间、 侧滑跑偏量等参数， 对照国 标给 出该车制动性能评判结论。 通讯部分提供了 用户接口 ， 并向 上行站点传送数据， 接 受指令，以便对检测数据更详尽的分析研究。 踏板力检测模块完成汽车制动过程中制动力的变化检测工作。 其数据处理流程 类似于速度检测模块中的数据处理方法，但要简单许多。 . 6 . 硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 3 汽车制动性能检测仪的硬件系统 硬件电 路是汽车制动性能 检测仪工作的基础， 其设计的好坏， 将直接影响到汽 车制 动性能 检测仪功能的 实现。 本文分两章来介绍该检 测仪 硬件电 路的 设计。 3 . 1 系 统原理框图 图3 . 1 . 1 系统原理框图 系统框图中的 虚线己 清晰 地分割出 三个模块， 本章介绍力 传感器和mcu 综合处 理模 块， 速度检测传感器将另辟一章介绍。 3 . 2刹 车力传 感器介绍 3 . 2 . 1 踏板 力传感器探头 踏板力 传感器探头采用轮辐式结构， 其特点是钢性大， 并 可利用其对称的特点， 获得消除侧向力的影响，其结构如图3 . 2 . 1 所示。 图3 . 2 . 1 踏板力传感器探头结构示惫图 硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 图32 . 2梁受力变形 示意图图32 . 3应变片的组桥电路 将a 点固 定，则b 相当于a 有 线性位移 y ， 有图3 . 2 . 2(b) 可知， 梁的中点 c为拐点，挠曲线二阶导数在该点为零，即c 截面弯距为零: j z_ . “少 ._ 1 ， _八 -兮气一 1 1二 j u = u 改气 ( 3 . 2 . 1 ) 如果 不考虑径向 力， 变形梁a 截面和 b 截面上的 外截面是反对称的， 所以， c 截面上 只有反 对称的内 力一 一剪力。 如果从c 点截开， 则梁受力状态简化为悬臂梁， 如图3 . 2 . 2( c ) 所示。 此时， a 截面应变最大，即a 截面上下面变形最大。 c 截面上只有剪力， 则ac梁可 简化为悬臂梁进行分析。 按照悬臂梁的分析方法， 弯曲梁 弯曲最 大处在梁的根部， 此处 应变最大。 因此， 应变片 贴于变形 悬臂梁的上 下面。如图3 . 2 . 1 所示。 在 此轮 辐结构中 按顺时 针方向 设计了 4根均布的变形梁 1 、 2 、 3 、 4， 在梁靠 近轮辆的 上下面分别贴有 r i 、 r i 、r z 、r z ，、 r 3 、 r 3 、 r 4 、 r 4 ， 四组 应变片 ， 它们的 组桥采 用如图3 . 2 . 3所示全桥四臂方式。 由 于应变片的贴片 位置 及轮辐中心 对称分布， 所以每根梁和与之中心对称梁的变形相同或相反。 采用一定的组桥方式， 可以 消除作用在传感器上的 径向力、弯矩及 扭矩所 产生 的应变， 从 而实 现踏板力 轴向 力的精确测量。 3 . 2 . 2 低通滤波电路 为了提高 测量的 精度和 准确性，本系统采用两级 rc 低通滤波器 ( 如图 3 . 2 . 4 所示) 去除 千扰信号的影响。考虑 到踏板力的变化频率在1 0 o hz左右， 且由 基本的 电路知识不难算出两阶r c低通滤波器的截止频率公式: 、 飞 瑞 蔽 万 取滤波电阻 zk q，滤波电容0 . 1 协 f 就可以满足设计要求。 ( 3 . 2 . 2 ) 硕士论文 便携式汽车制动性能检侧仪的研制 韦二 韦，一， 巴 博 “ 图3 . 2 . 4踏板力低通滤波器及放大器 3 . 2 . 3模数转换田 n) max 1 5 1是美国撇xih公司生产的高 速、 易于使 用的10 位并行输出的a/d转 换器。 该芯片内 带采样保持器和一 个十 40 0 0v 的电 压基准源，0 . s p s的输入信号 获取时 间， 1 . g p s的转换时间 ，所以 总的 最大转换时间为2 .s p s . max 1 51 可采 用 sv 单电源或者士sv 双电源供电方式，允许模拟信号幅度范围为 0 sv.由于具 有快速转换的特性，使它可以广泛应用于数字信号处理、高速数据采集系统、快速 随动系统和音频系统之中。 钾p 卜1 浦 t 阶 渗 喇 、日 峨医 酥 厉居勺 图3 . 2 . smax 1 51内 部功能框图 图3 . 2 . 5 所示为以x 巧1 的 功能方框图。 可以 看出， 它由以 下部分组成: 采样 保持 器、 逻辑控制电 路， 两个 5 位的a dc，一个5 位的dac ，基准电 压源和三态数 据输出 缓冲区等。 外部模拟输入信号 经采样保持后， 送入第一级5 位的 模数转换器 人 叱，转换 后得到 最终转 换结果的高5 位，这高5 位的数据同 时也送到5 位的 数模 转换器dac ， 进行转换后得到一 个模拟电 压，再 用这个电 压去减采样保持后的 模拟 输入信号， 得到的 差值送到 第二级5 位的 模数转换器a 优进行转 换， 最后得到最终 转换结果的低5 位。两个5 位的 二进制数据组合 起来就构成了 一个 10位宽的 并行 硕士论文 便携式汽车制动性能检测仪的研制 输出 数据的 格式。 拟x 1 5 1 模数转换器由 片选信号/ cs 和读信号 / rd 进 行控制.当 / rs 和/ rd 的下 降沿 到来时， 采样保持器停止采样，保持当 前的 输入信号 值， 并开始一次转换。 一 旦转换开始， 状态信号/ busy就变为低电平， 当转换结 束后， / b u sy就变为高电平， 并把转换结果锁存到三态数据输出缓冲器。 maxlsl有两种基本的 接口 模式: 慢存 储模式和只读 存储模式。 慢存储模式需要 握手信号配合工作， 慢存储模式工作时， 微处理器 保持读信号/ rd为低电 平直到转换 结束。在本次模数转换期间，三态数据输出 缓冲 器的 三态门一 直打开，开始时， d b o 一 d b g 信号端的电 平代表的 是上一次转换的结果， 在本次 模数 转换结束 后， / b u sy 信号变为高电平时，d b o 一 d bg 信号端的电平代表的是本次转换的结果.微处理器可 通过查 询状态信号/ b u sy 来判断转换是否结束。 转换结束后， 微处理器就可读出 本 次转换的结果。 读取完毕后， 再把/ busy 信号置为高电平。 状态 信号/ busy 在这里 被用 作握手信号告诉微处理器什么时 候转换结束。 只读存储模式则不需要. 只读存储模式工作时， 用一个窄的 读信号/ rd 脉冲启 动一次 模数转换， 并且可以 同时读 取上一次转换的结果， 而本次转换的 结果只能在 启动下 一次 转换时 读取。 但是 应该注意这个读信号 / rd的脉冲宽 度不能 超过3 0 0 ns) 。 只读存储模式的工作时序见图3 . 2 . 6 。 图3 . 2 . 6 max 1 51只读存储模式的 工作时序 以x 151 并行输出口 很 容易与 单片机接口 ， 在本系统中的电 路如图3 . 8 所示。 锁 存器m c 1 4 5 08锁存琳x 1 51输出 数据端口 的高 两位数据，以 便m cu分两次读入10位 数 据: 先读入低8 位，再读入高2 位。 当使用以x 1 51 内 部提供的4 . o o 0v的 标准电 压时， 把r efou t 与v r e f+ 相连， vre f 一 与g n d( 地)相连。 硕士论文便挽式汽车制动性能检测仪的研制 灿 c 肠 习 日 旧 c 图 3 . 2了踏板力 a/d 转换电路 3 . 3 讹u 综合处理模块介绍 综合处理模块硬 件主要由 看门狗电路、 键盘 输入、 显示和通讯等电路 组成。 3 . 3 . 1看门狗电路 实际工作现 场， 存在着各种各样的干 扰源。 这些干扰源很可能引起 程序跑 飞， 造成死机或 程序的非正常运行，如 不及时 恢复， 容易 造成损失。 看门狗 就是 在程序 跑飞或死机时，对系统进行重新置位或者复位，以便系统恢复正常运行的一种专用 电 路. 现在常用的看门狗主要有2 种:软 件狗和硬件狗。 ( 1) 软件狗实际上就是通常所说的软 件陷阱， 是纯软 件的处理方法。 它是 在程 序存储器的空余地址中全部填上1 条跳转指令， 一旦程序 跑飞， 只要程 序指针 指向 这些地址， 便立即 被强行跳转至程 序开头或其他指定地址 处， 从而使程 序继续 正常 执行。 (2 )硬件狗现在更多地被采用。 所谓硬件狗， 就是一个能够发出 “ 复 位” 信号 的 计数器或定时器电 路。 其工作原理是:由 脉冲发生电路 产生脉冲. 计数 器对 脉冲 进行计数。 程序正常运行时， c pu在计数器溢出 之前通过1/ 0口 对计数 器清零， 使 计数器不会溢出 。一旦程序运行出 现异常， 不能 及时对计 数器清零， 计数器将 发生 溢出， 此时， 由于溢出端与c pu的r st 端 相连接， 所以 使 系统 “ 复位” ，使其能 够 重新正 常运行; 单片机系统的供电 电源有时 候因 为各种原因 而不 稳定。 发生电 压波 动或瞬间 掉电的 现象， 从而影响系统的正常工作 和数据保 存。 如果能对电 源电 压进 行监视.当电 源电 压下降到某一 特定值时， 发出1 个信号 给 c pu， 那么就能使c 即 及时进行必要的 操作 ( 如重要数 据的 保存等) 和维持工 作电 源的稳定。 本系统中 采用max 7 06的芯片 来组成看门 狗电 路。电 路图如图3 . 3 . 1 所示。 硕 士论 文 便携式汽车制动性能检测仪的研制 石 l礴 门r，户 六- ， ， ，卜 一 书 ，了冬，一一_ - _ 一; ;一 一了 一 厂 ! 一 冬 - 一 丁 一 月 阵 犷 l 一 于 卜 一 阶一 拼 一一 ;一 土 一 ; - 一紧 万 : 百1尸 1 1 1 爪一粼芬 一寸， 汁 六 州件盯 一 书 一; 井 二 一 于 - 一于一 1二 习 一 歌 牡一 洲- 乓 二) l 伟 落厂 俨 二 育 - 一 下 一 下 - 一 一 犷 叶门护 一 - - 一 卞 一 -一 r 一 二 汀 - 图33 . 1 看门狗电路 撇x 7 o 6 的 看门 狗的 监控时间 是1 . 6 秒。 若c pu 在1 . 6 秒内 没有给wd工 端喂狗信 号， / wdo 将变低。当/ r st 有效或wdi 是三态时，那么看门狗的时 钟就会清零， 并 且不会开 始计数。 只要/ r st释放， 并且w di是在高 或低 ( 除高阻 状态) 的情况下， 时钟就会开 始计数。 喂狗的脉冲宽 度最小 为s o ns. 从电 路图中 看出c pu 的 复位信号 是由m a x 7 06的/ r st端提供的. 上电复 位电 路产生的r e s et信号同 看门 狗的 输出wdo 相与， 然后 输给撇x 7 06 的/ 欺端， / m r 端是操作 复位端， 当 / 淑端上输入大于1 4 0 ms 宽度的复 位脉冲时， 会清时 钟，同时 / r st 端会产生 一个低脉冲， 这个脉冲会在/mr 端上 恢复高电 平后继续延迟 2 00ms，然后恢复回高电 平，同 时时 钟开始计数。 所以 当 在 1 . 6 秒内 没有喂 狗时， 钓0 会产生一个低电 平， 从而 使得 在/mr 端产生一个低 脉 冲， 使得max 7 o 6 复 位， / r st端也产生一个复 位脉冲 给c pu， 使得整个系统复位。 同 样的，当 上电 时， 在r e s et端会有一个上电 复位脉冲，一 样会使 / m r 端 产生低 脉 冲， 结果一样。整个看门 狗的时序图 如图3 . 3 . 2 所示。 一 :; 贷趋列户 卜 细 叼 l . l . + s v 切。田 ll _+ s v一 一 一 一一一一 一- -日卜 - - - -， . 日 吕 卜 厄二 口 了冲. 一.- j 图3 . 32 看门 狗时序图 本系统中的max 7 o 6 的功能除了 防止程序跑飞之外， 还能提供电 压监控的 作用。 图3 . n中， 十 s v 电源 经 rl和rz 分 压后送给max 7 06 的门限 检测器输入端pp工 。 ri 和rz可根据实际需要和被检测的电 压值选定. 因 为p fi 的门限电 压为1 . 25 v ， 所以 只 要保证在被监控电压 ( 巧v) 正常时 ( 在巧v 到+4. 4v之间) ， m 点的电 压在+1. 2 5v 或者稍高 一点即可。 一旦+5v 电 压降 低， 直至m 点 的电 压低于 +l. 2 5v时，门限 检测 硕 士论 文便携式汽车制动性能检测仪的研制 器 输出 端/p阳就从高电平跳变成低电 平， 触发m cu中断。 ri和rz的电 阻值需要根 据 被监控电 源的正常波动范围来确定。 本系统中 要求被监控的 +5v 电 源降低至+4. 4v 时就要触发 汇u 中断，进行重要数据的保存。那么，m 点的电压值: v.=r z x( 5 . 0 一 4 . 4 ) / ( r z + r l ) =1 . z v( 3 . 3 . 1 ) 选定 rz=20q，可以算出 rl=50q。 3 . 3 . 2键盘的实 时控制及lcd 实时 显示的实现 作为小型的智能仪器， 键盘 和l c d 是不可 缺少的 部分， 操作人员可以根据需要 来 人工设置各种运行参数或实时显示各 种参数。 例如可以 通过键盘和lcd 来设置电 压的 上、下限值以 及系统日 期时间等等. 本系统中用四个键来配合 lcd 的实时设置和显示， 分别是 “ 菜单”、“ 确认”、 “ ，” 、 “ ”四 个键。 现场调试中， 由 这四 个键来控制lcd 的显示内容并设置一 些参数。由 于按键是一个机械开关， 所以 在键按下或释放的过程中常会发生抖动， 并 且会发生多键同时按下的情况。本系 统采用 f p g a先对输入键进行按键抖动和重 键问 题的处理， 然后再经锁存后送往优u 的工 /0 空间 ( 由于mcu 的通用工 / 0口 十分 有限，故将按键输入值映射到 1/0 空间) 。按键通过中断方式通知m cu 去读 1/0口， 从而辨别按下的键， 并执行相应的 按键处理 程序。 图3 . 3 . 3 是按键通过f pga 与况u 的接口图，相应的 f p g a 程序将在第五章中讨论。 图3 . 3 . 3按键与m c u的接口图 液晶显示器由于具有显示信 息丰富， 功耗低， 体积小，重量轻等 优点，因 而是 单片 机应 用系统中 最理想的显示器件， 近年来被广泛的 用于单片机控制的智能仪 器、 仪表、工业控制领域 和家用电 器当 中。 系统选用的是内藏 t 6 9 6 3c 控制 器点阵图形式的液晶显示模块 d g 一 128 6 4 一 12。 t 6 9 6 3 c 液晶显示控制器多 用于中小 规模的液晶显示 器件， 常被装配在图 形液晶 显示 模块上， 以贮藏控制器式图形液晶 显示模块的 形式出 现。 内 藏t 6 9 6 3c 的 液晶显示模块上已 实 现了t 6 9 6 3c 与 行/ 列 驱动器及显示缓冲取 r 胡 的 接口 ，同时也已用 硬件设置了 液晶屏的结构 ( 单 / 双屏) ， 数据传输方式， 显 示 窗 口 长 度 ， 宽 度 等 等。 常 用 的 液 晶 显 示 模 块 一 般 是 单 屏 结 构 ， 因 此 只 讨 论 单 屏 结 构的 液晶 显示模块.内藏t 6 9 6 3c 的单 屏点阵图 形液晶显示模块的方框图3 . 3 . 3 如 . 1 3 . 硕士论文 便携式汽车制动性能检测仪的研制 下: 控 创 总 线 盈 拐 总 晚 电 月 统 图3 . 34 液晶 显示模块方框图 液晶显示模块的接口 方式有两 种: 直接访问 方式和间接访问 方式， 系统采用的 是直接访问方式。 mcu利用数据总线与控制信号直接采用 1 / 0设备访问 形式控制 t 6 9 6 3 c 类液晶显示模块， 接口电 路如图3 . 3 . 5 所示 ( 图中fpga 的作 用将在第五章 节中详细分析): 图3 . 3 . s l cd直接访问 方式接口电路 t 696 3 c 的指令可带一个或两 个参数，或无参 数。 每条指令的 执行都是先送入 参数( 如果有的 话) ， 再送入指令代码。 每次操作前最好先进行状态字的检 测。 t 6 9 6 3c 的状态字如下所示: s ta o :指令读写状态1 :准备 好0 : 忙 s tai :数据读写状态1 :准备 好0 : 忙 s taz :数据自动读状态1 :准备好0 :忙 s t a 3 :数据自 动写状态1 :准备 好0 : 忙 s t a 4 :未用 s tas :控制器运行检测可能性1 :可能0 :不能 s ta6 :屏读/ 拷贝出 错状态1 :出 错0 :正 确 s t a 7 :闪烁状态检测1 :正常显示 0 :关 显示 由 于状态位作用不一样， 因 此执行不同指 令必须检测不同 状态位。当m c u 一次 . 1 4 . 硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 读写指令和数据时，s t ao和s tai 要同时 有效 处于 “ 准备 好” 状态。当mcu 读 写数组时， 还要判断s t a z 或s t a3状态。 判断标志位子程序: ic如r o: 读标志位子程序入口 l db a l ， o e f 0 1 h 0 ; e f 0 1 h 为lcd 的指令口 地 址 r e t i c d p r o l : 判断s t a o 、s t a i 状态 位子程序 c a l ll c d p r o j b ca l ， 0 ，i c d p r 0 1: 判别s t a o j b ca l ， 1 ，i c d p r 0 1; 判别s tai r e t 写指令和数据子程序如下: icd prl:; 双字节参数指令入口 c a l ll c d p r o l l d b a l ，i c d r z; 比d r z : 参数第一字节 c a l ll c d p r l 4 icdprll: 单字节参数指令入口 c a l ll c d p r o l l db a l ，i c d r 3; lco r 3 :参数第二字 节 c a l ll c d p r 1 4 i c d p r l z :; 无参数指令入口 c a l ll c d p r 0 1 l d ba l ，i c d v r 4; lcd r 4 :指令 代码 s j m pl c d p r 1 5 i c d p r 1 4 :; 写数据入口 s t ba l ， o e f 0 0 h 0 ; e f00 h 是数 据口 地址 s j 帅 i c d p r 1 6 i c d p r l s : 写指令入口 s t ba l ， o e rol h 0 1; e f 0 0 h 是指令口 地址 i c d p f l 6 : r e t 当写 入单参数指令时， 就把参数或数 据送入r3， 其子程序入口 为i cdp rll :无 参数指令写 入子程序入口为i cdp riz . 使用比d 时， 首先初始化lcd 并清除以 m 显示， 其中 在初始化时， 进行各种设 . 1 5 . 硕士论文便携式汽车制动性能检测仪的研制 置. 如显示区域的设置、 显示 方式的 设置、 显示开关、 光标形状选择、 数据自 动读 写 方式设置、 数 据一次读写方 式设置、 屏读、 屏拷贝、 位操作等等。 显示区域的设 置指令格式如下: d l ，d z 01 1 01 01 oi oi n l l n o l 根据ni、 n o 的不同 取值， 指令有四 种不同 的功能: 表 31指令功能表 n i n od 1d 2 指令代码 功能 00 低字节高字节 4 0 h 文本区首址 0l字节数0 0 h41 h 文本区宽度 ( 字节数/ 行) 10低字节高字节4 2 h图形区首址 l1 字节数 0 0 h4 3 h 图形区宽度 ( 字节数/ 行) 文本区和图形区首 地址对 应显示屏上左上角字符或字节位， 修改该地址可以 产 生 卷动效果。 文本和图 形区宽度设置用于调整使用的 有效显示窗口宽 度， 这里设置 位 10 h ，即16字节数 / 行。清除r a m 显示区就是将o oh 以自 动写指令循环写入以m 地址区。 3 . 3 . 3rs2 3 2 通讯接口 数据的传输 有串行 和并 行两种工作方式，r s 2 32 是 采用串行通讯的 方式来 进行 通讯。 在并行通信中， 传输速 率使以 每秒传 送多少字节 ( b / 5) 来表示。 而串 行通 信中， 在基波传输的情况下使 用每秒传送的 位数 ( b / 5) 来表示数据传输速率的， 此时， 可以 用波特率来表示数据传输速率，即1 波特二l b /s。波 特率是 衡量通信型 线路基本电信号 发送率的一 种量度， 它 仅是电 学上的 量度单位， 而不是 信息的 量度 单位. 换言 之， 波特率是指发送到 通信线路上的电 脉冲速率。常用的标 准波特率是 1 1 0 ，3 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 波特等。 串 行接口 或终 端直接 传送串 行信息 流的 最大距离 与传输速率及传输线的电 气特 性有关，传输距离是随传输速率的增加而减少的。 串 行通讯的基 本任务 就是 进行串 / 并转换。 由于 计算机处理数据是并行的， 而串 行通信是一位一 位依次 顺序的