（精密仪器及机械专业论文）车辆轮胎压力检测系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 为设计一套硬件简单、实现容易、安全可靠的轮胎胝力检测系统( t p m s ) ，本 文介绍了问接法的t p m s 系统。主要研究内容餐括： 1 。介绍轮逸信号的采集过程。利用8 0 c 1 9 6 k c 单片机的p t sh s i 模式对轮速进 行采集。 2 分析轮速信号测量时主要存在的三种误蓑：量化误差、齿轮引起的误差和轮 速测量中由于车辆引起的异点。 3 利用轮胎垂直方向的振动模型设计了半径法t p m s ，利用了汽车防抱死系统 ( a b s ) 系统原有的硬件。 4 利餍核函数，提出了基于e p a n e c h n i k o v 核函数静摇值方法将采褥的不等闻 隔的轮速信号转换成等间隔的轮速信号。利用轮胎滚动方向的振动性质提出了谱估 计法。指出了潜估计法的特点。比较了用期鋈法、巴特到特平均周期图法和w e l c h 修正周期图法的主要区别，最后利用w e l c h 修正周期图滋求出了真实轮速信号的周 期图。设计了基于谱估计法的t p m s 。 基于半径法和谱估计法设计了t p m s 系统。试验结果说明了这两种方法都具有 可行性，将具有广阔的_ 【藏用前景。 关键灞：t p m s 轮速聚集p t sh s l 误差半径法谱结计 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t f no r d e rt od e s i g nas e to f 四m s ，w h i c hi ss i m p l e 、e a s y - r e a l i z i n ga n ds a f c 髓i sp a p e r i n t r o d u c e st h ei n d i r e c tt p m s t h em a i nc o n t e n t si sa sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，i n t r o d u c et h ec o l l e c t 主o ne o u r s eo fw h e e ls p e e d t 圭l ew h e e ls p e e di sc o l l e c t e d b yt h ep t sh s im o d eo f t h e8 0 c 1 9 6 k c s e c o n d l y ，i n t f o d u c et h et h r e em a i ne f r o r s ：q u a n t i z a t i o ne r r o f 、t 圭l eg e a fe r r o ra n dt 量l e a b n o r m a lp o i n t t h i r d l y ，w eu s et h em o d e lo fv e n i c mv i b r a t i o n st od e s i g nt b er a d i im e t h o d l a s t l y ，w ec h a n g e 像eu n e q u a lt i m ed i s t a n c ew h e e ls p e e dt oe q u a lt i m ed i s t a n c e w h e e ls p e e d a c c o r d i n gt ot h em o d e lo ft o r s i o n a lv i b r a t i o n s ，w ei n t r o d u c et h es p e c t r a l e s t i m a 棘o nm e t h o dt od e s i g nf p j 涯s 。w h e nt h et i r e p r e s s l l r ei sl e a k i n g ，t h ep e a k v a l u eo f 像e p e r i o d o g r a mo ft h ew h e e ls p e e dw i l lm o v et ot h e 坤a la x i s s ow ed e s i g n e dt p m sw h i c 量li sb a s e do n 糟d i in l e t h o da n ds p e c t r a le s t 妇h a t i o n m e t h o d t h ee v a l u a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e ya r ef 色a s i b l e ，a n dh a sg o o df - o r e g r o u n d k e yw o r d s ： t p m sw h e e ls p e e dc o l l e c t i o n p t sh s le r r o rr a d i i - m e t h o d s p e e t r a l - e s t i m a t i o nm e 也o d 独创性声明 本人声明所量变的学位论文是我本人程导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果，尽我所知，狳了文中转剃加越梅注静致谢魄遗方外，论文孛拳怠套 其他人睦缎发表彝撰写过的研宠残暴，瞧不包台药获缮鏊跨辩学技寒必学畿其它 教育规祷秘学位或 盏书褥使翔逶酶麓辩。与我一鞫工作薛黼志对本研究所徽酶任 贸黉藏筠毫在论文卒髂了臻确赫瀛臻并表示谢意。 学位论文题鞫： 垒堑被毖廷盘揸巡基筑鲍登窥 学位论文作者签名：萄 o l 日期：盈t n 每 1 月日 学位论文版权使用授权 砉 本入竞金了辩溪静耪擎技术太学露关缳嚣、使用学位论文酶蕊定。本人授投 国防科学技术大学可以保留并向两家有关部门或机构送突论文的复印件和电子 文档，允许论文被蠢阏和借阂；可以将学位论文的全部戏部分内容箱入有关数据 库避行棱索，可| ；( 采月l 影印、缩印或扫措等炭裁手彀像褰、汇编学位论文。 ( 保密学位论文雀烬密露遣用本授投书。) 学筏论文蓬要：奎箍蕤糙莲发蕉鎏基璧煎登塞 学位论文作者签露：盔：。刍嚣期：二。f 年州囊乎秘 作者稽导教师鏊名： 掣孵 日期：珈 颦f f 月酽日 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 第一章绪言 本课题来源于外协项目“车辆轮胎噩力检测系统( t p m s ) 的研究”。 1 1 2 课题产生的背景及意义 轮胎压力对于汽车安全行驶的重要性众所周知，其性能的优劣，将直接影响汽 车的驱动性，通过性，平顺性，稳定性，安全性和舒适性等。在引起交通事故的原 因中，轮胎问题排在第三位。轮胎气压不足，将加大胎侧的弯益变形，易导致胎内 内壁帘线松散断裂。当气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中 部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开裂。又因此时轮胎刚度增大，起不 到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路而间的动载荷，汽车的平顺性变坏。轮胎的回 正力矩减小，促使汽车操纵性能降低。行驶巾遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂， 导致轮胎使用寿命的缩短。而轮胎与路面之间动载荷的增大，也意味着轮胎与路面 之间的最小正压力减小，从而降低车轮的地面附着力，影响汽车的行驶安全性。当 汽车高速行驶时，如果轮胎气压低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，这会削弱轮 胎的强度及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不 同，易造成行驶方向不稳定；如果厉轮左右轮胎的气压不同，易造成局部超载而加 剧轮胎的磨损；气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨 损。统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值o 0 3 m p a 时，轮胎的正常使用寿命将 会减少2 5 ；当轮胎压力高于标准值2 5 时，其寿命将会降低1 5 2 0 ；对于轿车， 其轮胎内压每下降o 0 5 m p a ，其承载力就减少l o o n 。根据德国联邦统计局的车辆事 故统计数据，约8 0 的轮胎漏气是由于轮胎气压不足造成的。冈此为了提高汽车的 行驶安全性和轮胎的使用寿命，在汽车的运行过程中，应对轮胎的气压进行实时监 测，如果偏离了标准值，应及时进行气压修正，以避免轮胎过多磨损及行车事故的 发生。 据美国汽年工程师学会最近的调查，美国每年有2 6 万交通事故是由于轮胎气压 低或渗漏造成的，另外，每年7 5 的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。 由于每年造成的经济损失巨大，美国政府要求汽车制造商加速发展t p m s ，以求减 少轮胎事故的发生。因此，在2 0 0 0 年美国国会通过了t r e a d 法案。t r e a d 法案 的要求之一是到2 0 0 7 年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。 2 0 0 0 年1 1 月1 日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要 2 0 0 0 年1 1 月1 日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 求2 0 0 3 年压所窍的新事都需把这种系统作为标准聚置。雕痤t r e a d 法察，美国公 路交通安全局( n t h t s a ) 要求到2 0 0 7 年，所谢在美国销售的汽车都必须安装轮胎 压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时间表：美翻市场出售的汽车，2 0 0 4 年 占l o ，2 0 0 5 年占3 5 ，2 0 0 6 年占6 5 ，2 0 0 7 年将达1 0 0 。美国每年的汽车销 量约为15 0 0 万辆( 轿车卡车) 。全球每年约5 0 0 0 万辆。平均每辆车需要4 2 个轮 胎( 不龟捂备鲻胎) 。 中因正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速 增长的悲势，汽车保有显已突破2 6 0 0 万辆，年销售汽车将突破6 万辆，未来5 年 将成为仅次于黄国的全球第二大汽车销德国。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的 新兴市场热点，今后每年的增长速度可达5 0 。其中，仪t p m s 技术产品2 0 0 5 年底 的市场容量就将达2 0 万套，近7 亿元人民币；2 0 0 6 将达到5 0 万套，近1 7 亿元。 根据2 0 0 3 2 0 1 0 年汽车需求预测：汽车年增长1 6 一2 0 ；轿车年增长1 9 2 一2 4 。 综合蔽上分析，预计，2 0 0 5 2 0 l o 年，中国汽车保有量将以1 6 以上的速度增长。 美阉、欧洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽牮全部安装t p m s ，因此， 对t p m s 的需要量与丑馔增，困扰一套安全、可靠、方便、成本低廉的t p m s 系统 将会有广阔的应用前景。 轮胎气压检测一般有两种方法，直接法和间接法。壹接法就是利用专门的气艇 传感器对轮胎气压进行捡澳，这种方法测量相对准确些，但是成本高，而且需要额 外的传感器，又因为传感器要安放在轮胎的轮毂上，同时也存在安装不方便的问题。 由此引入了本漯题的主要任务：闯接溺薰法。间接测量法，即利用轮速传感器输班 的转速信号，对信号进行处理和分析，从而判断轮压胎压力的是否正常。轮压检测 系统豹主体框架盔眭图1 1 新示。间接溺显法成本低，实现窑易，不需要添烟额终的 硬件电路。间接法又分为两种方法，一种是半径法，另一种是谱估计法。在本文中， 将对闻接法进行详细的醋究。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学缱论文 传感器输 入信号 、以、，、 厂、， 厂、 、 p w m 信号 闰1 1 轮胎压力检测系统的主体框架 1 2t p m s 的国内外研究现状 目前的t p m s 主要是直接型的。直接型t p m s 系统主要有二个部分组成：安装 在汽车轮貉晕的发射模块( r e m o l e t i f e p r e s s u r e m o n i t o r i n g ) 和安装在汽车驾驶台主 的接收和显示模块，如图卜2 所示。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度模 块，将测量得到的信号调剖后通过高频燹线电波发射出去。一个t p m s 系统有4 个 或5 个( 包括备用胎) 发射模块。接收模块接收发射模块发射的信号，将各个轮胎 的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常， 中央监视器根掇异常情况，发出不同的报警信号，提醒驾驶者采取必要的措麓。 直接式t p m s 从精确性上优于间接式t p m s 。但是成本相对过高，安装这种直 接型t p m s 大邦分都是离挡车，其中包括：德国裳马豹z 8 、法黼雪铁龙的c 5 、英 国阿斯顿马汀的超级跑车v a n q u i s h 、林肯大陆、克莱斯勒与邀奇( d o d g e ) 迷你 箱型车以及c k y s l e r3 0 0 m 与c o n c o r d el i m 娃e d 客车、旁蒂克的旗舰b o 她e v i l es e 等等，梅赛德斯奔驰s 级轿车最新的改进也将t p m s 作为选装件。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 报 黼l 矗直接型t p m s 漱意强 气压值 为了邋应广大的汽车市场的霈求，对翔接型艴t p m s 进行深入研究是非常登要 的，因为间接型t p m s 只是对原有的a b s 进行软件舞级，不需要添翔其它任何豹硬 件。匡蠹多数汽车厂家目前已开始进哥亍t p m s 方鼹的研究，中匡加入w t o 以后， 随着国际他的要求，和国产汽车的出口，相信国内厂家会跟上这个步伐。中圈t p m s 的前装和后装市场已经启动。 人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装t p m s 这样鲍生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。因此，弱前国内已有数百家设计 公司、生产厂家开媲开发、设计、生产t p m s 。 除此之外，些鬻家也开始了智能轮胎的研究。所谓智能轮耱就是穗轮骆制造 时的成形工净中，将压力、濑度簸测帮信号发射装薰被埋入轮骆耠壁内，它在轮胎 的整个寿命期闻( 一般为1 7 年) 发挥作瑁；作为信号接收装置做成如手机的手握 式觯硝读出器，对方便驾驶者出车时插装在车上，下车後随身携带。以r f i d 技术 俸为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是其中的一员。该公司和薅 门子v d o 汽车配件公司合作，成功研发出一辞钮扣电遗般大小的带r f i d 卡传感器。 该传感器除了能够感躲轮胎蠹的气压、胎体派度的变化并发射反映这种变化的信号 外，还其有标识轮胎的功能，也裁是说，它既可用於轮胎气压监测，还可以用於轮 胎历程可追溯性薅录。上海交通大学也开始基于声表波技术的t p m s 开发磷究，这 种能同骨寸测量轮胎内毯力、温度和发射数据的s a w 传感器，不仅可实现智能轮胎信 息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产投。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 l 。3 论文研究内容及构成 1 3 1 课题的主要研究内容 本课题主要研究以下内容： ( 1 ) t p m s 轮速采集系统的研究 该部分主要研究包括，车速的测量、涉及传感器输融的模拟信号向数字信号的 转变以及如何利用8 0 c 1 9 6 k c 单片机的p t sh s i 模式准确、快速、高效地测量车速。 ( 2 ) 基于半径法的车辆t p m s 的磷究 该部分主要研究半径法的原理，以及如何利用软件来排除转弯和车轮打滑造成 豹误报警现象。 ( 3 ) 轮速测熙中信号误差的研究 该部分主要研究车速车辆时的量化误差、齿轮引起的系统误蓑和异点。 ( 4 ) 不等间隔采样信号的谱估计 该部分是本文研究的重点，主要研究如何利用核函数将采集到的不等问隔信号 转换成等润黼信号，并翻用谱德计酶方法我出轮胎气鹾与轮速信号的阁期图之间盼 关系。 1 3 2 谂文的总体介绍 本文以t p m s 豹闫接测量法作为研究重点，。各章内容安撵如下： 第一章绪言。综述课题的来源、研究背景、目的和意义，戮内外关于t p m s 的研究现状，并介绍本文豹主要研究内容及构成。 第二章基于p t sh s i 模式的轮速信号的采集。介绍如何将传感器输出的模拟 信号转化成数字信号，并且介绍了8 0 c 1 9 6 k c 单片机的p t sh s i 模式，以及如何利 用8 0 c 1 9 6 k c 单片机豹p t sh s l 模式迸行准确、快速、离效地测璧车速。 第三章轮速信号的误差分析。分析了轮速信号测量过程中存在的各种误差， 并用适豢的方法减小或考剔狳误差。 第网章半径法。系统的介绍了半径法的原理和软件流程 第五章谱估计法。对剔除了误差以岳的轮速信号进行插值然后进行傅立时变 换，比较不同气压下轮速的周期圈特征，找出气压与周期图的对威关系。 第六章结论与展望。对本课题所做的研究工作与所褥结论进行总结，对以后工 作进行展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章基于p t sh s l 模式的轮速信号采集 轮速的测量在t p m s 中至关重要，矮面的理论分析都是建立在准确测量轮速的 基础之上的。如图2 1 ，处理器采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机，轮速信号送入到了高速输入 器的四个输入端：h s i 0 、h s i 1 、h s i 2 、h s i 3 。轮速采集系统需要满足一定的精度 和晌斑速度的要求，只有这样牙能实现t p m s 的准确度与精度，闻时提高t p m s 系 统的实时性。因此为了提高轮速信号采集的实时性、减少c p u 的软件开销，从而提 高c p u 的效率，系统选择了基于p t sh s l 模式的转速采集系统。 轮速传感器实际上是一个二线制电流调制传送器，它可根据磁场在空间的差模 变化产生相应的电流脉冲，在轮速测量中，它掰搽测到豹磁场是个敖鬣于其焉瑟 的永久磁铁和位于传感器前端、目标论一e 的铁制凹槽标记相互作用产生的，它的原 始输出建正弦信号，经避调理，输出为p w m ( 脉宽调制) 信号，利用处理器测量脉 宽就可计算出轮速。 传感器输 入信号 洲 脚 m m 2 1 整形电路的设计 翟瞪d m i 1 爿三 翘 h 鞭2 h s i 3 图2 1a b s 轮速荣集系统框图 传感器输出的为正弦信号，在利用单片机测爨之前，必须将信号进行调理。主 要包括三个部分： ( 1 ) 滤波电路：采用0 0 1 o 1 u f 旁路电容及采用二阶滤波，减小高频信号的干扰； ( 2 ) 放大电路：由集成运放和r c 网络组成的有源滤波电路，出了超到滤波作用 外，还可以满足信号放大的需要； ( 3 ) 整形电路：焉集成运放l m 2 9 0 2 构成港回比较器，将轮速传感器产生靛正弦 信号变撅成频率相同，幅值固定的脉冲信号，从而实现波形变换。利用施密特反向 器整形，褥到上声瀑河下海港陡直的脉冲波形，便于c p u 对轮速信号的采集。其框 图如图2 2 所示。 第6 页 国防辩学技术大学研究生院学位论文 轮 滤放整 速 触 传 r 感 器 波 大 形 图2 2 整形电路框图 2 2 外设事物服务器( p t s ) 8 0 c 1 9 6 k c 单片机的外设事务服务器p t s ( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o ns e r v e r ) 对中 断可提供一种类似予计算视的赢接存储器访问d m a 的响瘟，c p u 的开销魄一般的中 断响应要少得多。图2 3 表示了普通的中断响应和对应的p t s 响应之间的差别，有 关营通中断晌斑的瘫容谤参阅参考文献剐。普逶的中叛响应是使正常的指令流转淘 指行中断服务程序、中断调用、保护现场( p u s h a 、p o p a ) 并执行r e t 指令，使 c p u 增添了额夕卜的开销。它把一个中断映射到相应的p t s 通道，由该通道产生一个 p t s 周期，p t s 周期就像d m a 周期那样插入到正常的指令流中，不需要上述的额外 软件开销。 普通中断响应 正常执行 中断服务子程序 l dv 然j e 3 攀a 响应中断程序 。p 苜e ，囊黑姜。n r f 菇芙孟嚣。“ s p e e d d i s t a n c e 。 干穹7 、城 。一。耋鞋慧；o pa o r 趣r e t h e r e 篱a p t s 响应 正常执行 p t s 周期 兰戮e ： m u l s p e e d d i s t a n c e 一 o r 嗽恭篡：o rh e r e t h e r e 以微代码执行 5 种p t s 方式之 不改变程序计数 器德 圈2 3p t s 响应和普通中断响应 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 1p t s 控伟0 和中断向鬃相似，p t s 也有一个p t s 向量表，共1 5 个字，位于2 0 4 0 卜2 0 5 c h ， 参见表2 1 。与8 0 c 1 9 6 系列单片机的中断向量表相比，p t s 向量表中去掉了n m i 、 菲法操作码、稿软件酷阱3 种中新源，1 5 个p t s 向量的排歹玎次胯和对应的1 5 个中 断的排列次序是一致的，它们的优先级顺序也是相同的，p t s 服务的优先级在表2 1 中自上露下摊列，“h s l f l f o 满”优先级最高，“定时器溢出”竣低。狳了不可辫 蔽中断n m i 之外，所有p t s 通道的优先级高于任何一个中断。 在中断系统中，每个中断向量指向一个中断服务程序的入口。面每个p t s 向量 都指向一个p t s 控制块( p t s c b ) ，控南块必须驻留在内部r a m 空间( 1 a h l f h ) 内，每个控制块包含8 个字节，其首址应能被8 除尽。 p t s 向爨囱量单元 h s i f i f o 满 2 0 5 c h e x i n t l 2 0 5 a h 定时器2 溢出2 0 5 8 h 定时器2 捕获2 0 5 6 h h s l f l f o 第4 项有效 2 0 5 4 r i 2 0 5 2 h t i2 0 5 0 h e x i n t2 0 4 e h 串行口 2 0 4 c h 软件定时器 2 0 4 a h h s i o2 0 4 8 h h s 0 2 0 4 6 h h s i 数据有效 2 0 4 4 h a ，d2 0 4 2 h 定时器溢出 2 0 4 0 h 表2 - lp t s 向量袭 8 0 c 1 9 6 k c 单片机提供5 种p t s 模式：一次传送模式、块传送模式、a ，d 模式、 h s i 模式、h s o 模式。( 详觅2 + 2 2 节) 。这五种模式的控制块见图2 4 ，其中h s l 和h s o 模式的控制块格式是一致的。p t s c b 中每个寄存器的功能将在后文叙述，控 铡块中未用的字节可俸普通r a m 单元使用。在p t s 通道选透之蓠，爝户必须对 第8 页 国防辩学技术大学研究生院学位论文 p t s e b 进行初始纯。 不用不用不用不用不用 不用 p t s b l o c k 不用 p t s b l o c kp t s b l o c k p t s d s t ( h i )p t s d s t ( h i )r e g ( h i ) 不用不用 p t s d s t ( l o )p t s d s t ( l o )r e g ( l 0 ) 不用不藤 p t s s r c ( h 1 )p t s s r c ( h i )s ，d ( h 1 )p t s s r c ( h i )p t s s r c ( h i ) p t s s r c ( l 0 )p 芏s s r c ( o )s d ( l o )p t s s r c ( l o )p t s s r c l o ) p t s c o np t s c o np t s c o np t s c o np t s c o n p t s c o u n tp t s e o u n tp t s c o u n tp t s c o u n tp t s c o u n t 网2 4p t s 控制块 p t s 的服务过程及其控制机理可参阅图2 5 。该图示崽了一个p t s 通道和相应 的一个中断通邀。图中肖两个新的寄存器p t s s e l 和p t s s r v 。外设事物服务器选 择寄存嚣p s s e l 和强务寄存器p t s s r v 都是字寄存器，它们具肖撩同豹位定义， 见图2 6 。寄存器定义了15 位( 最高位未定义) ，对应着袁2 1 中的1 5 个p t s 事件。 p t s s e l 寄存器在p t s 中的作用与i k t - m a s k ( 包括l n t m a s k l ，下圄) 在中敷系 统中的作用相仿，而p t s s r v 的作用与i n t p e n d i n g ( 包括i n t p e n d i n g l ，下 同) 的作用相仿。 由瀚2 5 可知当一个中断源发出中断请求时，若p t s s e l 寄存器的相应位未置l ， 印禁止p t s 对此中断源做出响应，则p t s s e l 寄存器的输出( o ) 将把p t s 通道中 的与门关闭，丽把中断_ i 葭道的与门打开。这对，若同时满足下列条件；1 ) 外设服务 允许为p s e = l ：2 ) i n t m a s k 的有关位也为l ，则有关的p t s 通道将被打开，经优 先权裁决后，执行相应豹p t s 周期。p s e 位相当子中断系统豹i 位，对p t s 进彳亍全 局控制，而p t s s e l 寄存器相当于中断系统的i n t m a s k 寄存器，与后者一起对各 个中断源进行分别的控制。 执行p t s 褥期时，首先从p t s 向最表中读得相应的p t s 向量，获取有关p t s 控制块( p t s c b ) 的地址，根据p t s c b 的内容，由微代码执行合适的p t s 周期。 p t s c b ( 尾图2 4 ) 中第一个字节p f s c o u n t 罐于确定毋须软件干预下连续运 行的p t s 周期数，其最大值是2 5 6 。若搬o 装入p t s c o u n t 中，会造成2 5 6 个p t s 传送蠛期。每个p t s 羯期结束，p t s c o u k t 减l 。当p t s c o u n t 减裂0 时，意味 着本次p t s 过程的结束，由此产生了一系列操作。首先，它把p t s s r v 寄存器的相 应位嚣l ，从丽使p t s s e l 的有关位清零，禁止该通道执行任何掰的p t s 周期，除 非在p t s 结束中断服务程序中熏新开放该p t s 通道。其次，当p t s s r v 寄存器的有 关位鼹l 时，产生了一次中断请求，这个中断成为e n d o f - p t s ( p t s 结秉) 中断。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 p t s s r v 寄存嚣的作用很象中断系统中的i n t p e n d 烈g 寄存器。实豁上，对于 e n d o p t s 中断，p t s s r v 寄存器是用来代替i n t p e n d i n g 寄存器的。根据p t s s r v 寄存器的状态，可以在中断向量表中找到相应褥岂n d o f l p t s 中断的向量地址。 e n d o f - p t s 中断和普通的中断具有相同的优先级顺序。当调用e n d o 鼻p t s 中断 服务程序时，p t s s r v 的有关位被自动清除掉，然而已被清除掉的p t s s e l 有关位 并不能蠡动置l ，用户可以在e n d o f - p t s 中断服务程序中重新设置p t s s e l ，重新 开放p t s 通道。 中断滚 图2 5 一个p t s 通道和相应的中断 柬 p f i f oe x t能t 2 s 1 4r it ie x ts e rs o f ts h i 1h s oh s ia ，bt l m e r f u l li n t io v f c a pl n tp o r tt i m e rda r ad o n eo v f 图2 6p 丁s s e l 和p t s s r v 寄存 2 2 2p t s 模式 由于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的p t s 模式功能很强大，用起来很方便，这也是它优于 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其他1 9 6 系列单片祝的大特点。8 0 c 1 9 6 k c 单片枫提供5 耪p t s 模式：一次传送 模式、块传送模式、a d 模式、h s i 模式、h s o 模式，下面将重点介绍p t sh s i 模 式。 利用p t sh s l 模式，把3 种h s i 中断( h s i 数据有效、h s if i f o 第4 项数据有 效和h s if i f o 满) 中的任何一个映射到p t s 通遵，就可以把f i f o 内的有效数据， 舔凡令疆s i 事传，固对转存到一个表格中，保存起来，以各后续处理。这个h s l 表 格放在片内存储器或片外存储器都可以，它的格式示于表2 2 。 l l s i j i m e _ 2 h s is t a n j s2鄹is t a u s2 h s it i m el h s is t a t u s1h s is t a t u sl l s l 零i 醵eo h s is t a t u so h s is t a t u s0 p t s d s t x x x 可位于可寻蠹e 存储器空间的任何位置 表2 2p t s h s i 表格格式 h s l 的p t s 控靠9 块( i 蚕2 4 ) 包含p t s c o u n t 、p t s c o n 、p t s d s t 和p t s b l o c k 寄存器。块计数器p t s b l o c k 用于确定每个p t s 周期产生的h s i 数据传送次数n 。 由于h s i l f o ( 包括保持寄存器) 中包含有l 项、5 顼或7 顼数据时，产生了h s l 中断或p t s 请求，故p t s b l o c k 寄存器的值应设置为l 、s 或7 。 当 s ip t s 属期开始后，读褥p t s b l o c k 馕，确定要进行多少次珏s i 数据传送。 每次传送，把h s i s t a t u s 和h s i t i m e 的内容向基地转存到由p t s d s t 所指的h s i 表格内。由p t s b l o c k 指定的n 次传送完成后，根据p t s c o n 中的u p d t 位，对 p t s d s 下的值作修正或不修正。最后，p t s c o u n t 的值减l ，若巴减到o ，p t s s e l 的有关位被清除，p t s s r v 的有荧位被景l ，请求e n d o f _ p t s 中断。 2 3 基予p t sh s l 模式数据采集系统的实用设计 在轮速采集过程中，需要实现h s i o 、 壬s 1 1 、h s i 2 、h s l 3 豳路轮遮信号豹蜜 时采集。实际中利用了8 0 c 1 9 6 k c 单片机外设事务服务器p t s 的h s i 模式来实现上 述四路债号的实时数据采集操干# 的，本系统将h s id a t a 即珏s lf i f o 数据有效中断 映射到p t s 控制块。工作流程图如图2 7 、图2 - 8 。源程序见文章后的附录1 。 其中图2 7 为p t s s i 流程图，执行一个p t sh s i 周期实际上执行的是一个微 第l l 页 埘 悸 怕 h 屹 脚 撇 脚 煳 黜 撇 国防科学技术大学研究生院学位论文 代码，它首先从p t s 向是表中读得相应的p t s 向量即f l f o 数据有效( 疑量单元为 2 0 0 4 h 、2 0 3 4 h 或2 0 3 c h ) ，然后获取p t s 控制块( p t s c b ) 的内容，在c p u 不加 干预的情况下自动完成。 图2 培为e n d o f - p t s 的中断服务流程图。在本系统中采用的跫四通道同时采样， 利用f i f o 的先进先出功能，根据h s is t a t u s 来判断数据来至哪个通道。每个通 遴都需簧采l o o o 个点左右，由于一次p t s 周期最多采2 5 6 个点，闲此在嚣n d o f i p t s 的中断服务程序中必须黧新启动p t s 。全局变量i 在主程序中初始化为l 。 传绫的测爨脉冲周艘的方法主要存嚣种：查询法和普通中断方法，其中查询方 法误差最大，中断方法相对于查询方法精度稍高，但是中断方法软件开销相对于p t s 方法要大大增加，如果采样数据比较多，p t s 方法采样要比中断方法的效率高3 0 以巳。 2 4 本章小结 了解t p m s 中轮速采集的熬个过程。本章首先介绍了由传感器输出的原始轮速 信号的处理过程，瑟先将传感嚣输出潦始信号的高频噪声滤摔，然后将滤波矗的信 号进行放大至8 0 c 1 9 6 k c 单片机可以直接测量的范围，最后进行整形，将正弦信号 整形为p w m ( 脉宽调制) 信号；然后，针对8 0 c 1 9 6 k c 单片虮相比于其他型号1 9 6 单片机的优势：外设事物服务器，进行了比较全筒地介绍，在此基础上提出了基于 p t sh s i 模式数据采集系统的设计方案。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 圈2 7p t s 流穰图 国防科学技术大学研究生院学位论文 p s w 入栈，禁止中断 采样数据转移存储 士 存储指针加2 + f 9 土 vn 上 指针回到起点 i = i + l 上土 重新允许p t s h s i 中断熏新允许p t s h s i 中断 图2 培琶n d o f - p 羊s 流莽i 圈 第1 4 页 甲 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章t p m s 中轮速信号误差的分析及处理 在得到粗咚的轮速信号以詹，还不能直接到用它们，因为虽然已经滤掉了原始 信号中的高频分量，但是这些轮速信号当中还包括其它几种误藏，这些误差通过简 单的电路是滤不掉的，所以利用这些信号之翁需要对它们进行预处理，这些误差包 括：由于受限的处理器时钟频率引起的蹙化误差；由予齿轮制造工艺不理想弓 起的 系统误蔗；以及由于汽车行驶过程中多种原因引起的轮速异点。 本章将针对提翻豹几种误差分别进行分祈和处理，针对每种误差找到一稚跑较 合适的方法进行减小或剔除。 3 1 量化误差与最小速度 3 1 1 量化误差 在 5 | | 量过穗中从第个被测量信号脉冲计数开始翻最后一个被测量信号弥冲计 数结束它们之间没有同步关系，所以计数时就会产生1 的计数截断绝对谈差，这是一 秸愿理性误差，常稼为量子批误差。量佬误差产生的示意图如霪3 1 所示，由于t x 与t s 之间的时间关系是不相关的，所以它们在时间轴上的相对位置是随机的【4 1 下面 分两种情况进行讨论。 1 t x 与t s 不成整数倍关系 设被测周期t x 等于7 4 个计数脉冲周期，即t x = 7 4t s ，如图3 1 所示。 ( a ) 图：测量结果n 一8 ，n = 8 7 ，4 = + o 6 个脉冲周期。 ( b ) 图：测量结果n 一7 ，n = 7 7 4 一* o 4 个脉冲周期。 2 t x 与t s 成整数倍关系 设被测周期等于7 个计数脉冲周期，即t x = 7t s ，如图3 1 所示。 ( c ) 圈：可能由于被凋周期抖动或噪声影晌，蓠未脉冲皆计入计数值。溺量结粟n 一8 ，n = 8 7 = + 1 个脉冲周期。也可能首末脉冲都未计入计数值。测量结果n 一6 ， a n = 6 7 = 1 个脉冲瘸蒴。 ( d ) 图：测景结果n = 7 ，n = 7 7 = o ，无误差。综一b 所述，肖被测周期时间接近 甚至等予被测信号周期t x 的整数倍时，有最大计数误差，其最大值为n = 1 个 数。则： 第1 5 页 o 国防科学技术大学研究生院学位论文 坐土：上 f 3 1 1 nn i 在利用电子计数器进行测量周期的过程当中，量化误差是不可避免的，但是可以利 用一些方法姆其减小。 ( 1 ) 周期倍增 将输入的被测信号t x 再经过n 级十分频电路，周期相应扩大l o “ 倍，称为“周期倍增”。周期倍增法不仅珂以减小量化误差还可以减小转换误差1 6 】 ( 2 ) 时标减小将蒸准信号f s 再经过k 倍频，时标t s 值减小k 倍。称为“时 标减小”。以上两种方法可以单独采用，也可以同时采用。当同时采用时最化误差为： 亩迅而矗 。2 ) n l o o k t ， r 一7 3 1 2 最小速度 4 t s 匿3 - 1 量化误蔫产生的示意图 n 唧t s 在轮速测爨过程中，一个非常个重装的参数就是单片+ 机的时钟频率，t 。出 上一节知道，时钟频率越高计数周期越多，相_ 夔的量化误差也越小，但起由于时钟 频率不霹能无限大，嚣此总会有鳖化误差存在， 气= 耀+ g 女 滞数辩闰妇公式( 3 3 ) 新示： 其中表示计数器澈录豹嚷时刻，表示事馋发生冀实豹时刻， t s ，。) 的随机不相关序列。吼的统计特性满足： ( 3 3 ) 鲰是服从u ( 0 ， 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 鼬。) = 字 ( 3 4 ) 妇( q k ) = 警 ( 3 5 ) 轮速的大小可通过下面的公式( 3 6 ) 计算，其中，先假设齿轮为理想的情况，即两个 齿之间的角度口= 等，l 为齿轮的齿数： 貔。c 氆 嘁2 i 石。西i = 砭i 2 砭i i ( 3 6 ) 其中t ：一t ：一t 毛，利用阶泰勒展开，( 3 6 ) 式可近似为： 衅= 嫒志“霹睡一盟丢挚) ( 3 7 ) t ： 其中，霹表示没有量仡误差的真实角速度。的一阶和二阶统计特性为： e ( 罐) “趟( 3 8 ) 跏c 咖警簧= 等譬 ， 囱前砸的叙述知遵，t 。越小也就蹩单片枫的对钟频率越高，车轮转动的速度 越慢，蟹化误差就越小，同时误差的统计特性越好，但在选用了过高时钟频率的处 理器以及过低的车速 ；i 惹，就会遇到另外两个问题： 1 ) 过高的时钟频率会引起处理器计数器的摄多计数个数问题，设处理器计数器 的最多计数个数为q 。当计数器达到这个c m 。的时候，它就会从o 重新开始计数。 如果时钟频率过高，或者车速过低，计数器可能记录不戊一个计数周期，连续两个 齿之间的计数个数为： 咯一龟一l = + 片c m 。 ( 3 1 0 ) 其中，船：为当前计数其中的计数个数，n 为权系数。为了避免这种情况的发生限定 了最小速度为： 邮净丽与= ( 3 1 1 ) 例如：l = 1 0 0 ，c k = 2 “，t s d o c k = 6 0 0 1 0 s ，这时的最小速度约为2 r a d ，s 。 2 ) 由于受剜传感器测速霖璎豹羰割，当车速低于1 5 k 耐h 豹时候传感器输出的 正弦信号就会发生失真，这时t p m s 以及a b s 都会失效。 因此为了避免这两神情况的发生，限定最小的车速为5 r a d s 。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 齿轮引起的误差 3 2 1 齿轮误差产生的厥因 在公式( 3 6 ) 给出了计算轮速的公式，其中假设齿轮为理想的情况，即； 口= 警，但是在实际制造齿轮的时候，总会有误差存在，如图3 。2 所示。 。不理想的轮意 簧感器 图3 2 齿轮的误差 假设，第k 个齿的速度为q ，速度误差为e 。，则 酬螺：挚砷等 b 嘲 t t 2 t k t k - - ，一般情况下，芭是不知道的，如果利用公式( 3 6 ) 计算角速度，就会产 生一个周期性的误差 噬。q 一等 ( 3 1 3 ) 例如：q 2 5 6 t 诲轮的齿数为5 ，最大的误差点大约是真实角度口的4 。在图3 3 中 示出了蘸引起的周期性误差。 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 - 3蘸引起的周期性误差 在上图中，误差的幅度是放大显示的，目的是为了褥清周期性干扰的影响，在 实际中鼓然这臻误差很小，但是，它 】是不髓被忽略的，因此必须找到合适的方法 将它们减小甚至剔除。 3 2 2 翔除齿轮误差 在这些误差之间只知道它们的一种联系：它们豹和为0 ，即： l 战= o( 3 1 4 ) i = i 这可以瓣作这些误差之间的一种约束，因此可以利用带有线性约束的方法来进行剔 除。 3 2 2 1 拉格朗图乘子法7 l 令 y = x + 暑( 3 + 1 5 ) 其中x 是n p 矩阵，秩为p 。假设希望在相容的线性约束邶= c 之下求占1 占的极小值， 这墨a 是一个已知的q n 矩阵，秩为q ，e 是己知的唾l 向量。鳃决这个阔遂的方法 之一是用拉格朗嗣乘子。对每个线性约束a ：= c 。( i = 1 ，2 ，q ) ，用一个乘子，这里 的a ：是a 的第i 芎亍。于是关心的表达式是4 ( a ：c ，) = 五1 ( a 声一c ) 一( 声。a 。一c 璩，( 这 因为l l 矩阵转霪后还怒其本身不变) 。岛了应用拉格朗日乘予法，考虑表达式 第1 9 页 垦堕塾兰垫查奎兰登塞生堕兰堡篁墨 一2 x y + 2 x 邵+ a 五= o ( 3 1 7 ) 为了醴焉使用的方便，用忍和钿记这两个方程的解。刚由( 3 1 7 ) 式，有 声n = ( x x ) 。x + y 一妄( x 。x ) 。a + 磊 ：羹委x x ) 一，a 1 磊 = a 多一昙a ( x x ) 一1 a 南 因为( x x ) 。是一个正定矩阵的逆，故它是正定的，因此a ( x x ) _