（车辆工程专业论文）汽车运动状态信号采集系统的软硬件设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车状态信息的测量和采集是汽车操纵稳定性研究和设计的基 本问题，也是汽车电子控制及辅助驾驶系统实现的必要条件。汽车的 运动状态信息的准确显示，可以为驾驶员迅速准确地操控车辆提供必 要信息。 本课题针对汽车运动状态的特点，结合m e m s 惯性传感器、 f p g a 技术和u s b 技术，设计了汽车运动状态信号采集系统。在设 计中采用了先进的微惯性传感器取代传统的惯性传感器，使得利用惯 性传感器来测量车辆运动状态成为可能。系统采用f p g a + u s b 2 0 的 架构模式，既充分利用f p g a 的在线可编程特性简化了电路设计，又 有效的利用u s b 2 0 的高速传输模式提高了数据获取效率，增强了系 统的可靠性，并降低了整个系统的成本。论文从总体方案、硬件电路、 软件程序、性能测试等几个方面详细地阐述本系统。 首先介绍微惯性测量单元的组成、原理和设计方法，角速度陀螺 和加速度传感器的原理、应用、性能指标以及外围电路的设计。 然后从软硬件方面详细介绍本系统。硬件设计中，采用了现场可 编程门阵列实现了硬件电路的软件化，简化了电路设计减小了电路体 积，并且通过下载电缆实现了在线可编程便于今后的功能改进。完成 硬件平台的搭建工作。并应用p r o t e l2 0 0 4d x p 设计系统的原理图及 p c b 图。软件方面完成两个方面设计，一是f p g a 时序控制部分，以 江苏大学硕士学位论文 f p g a 做为控制的核心，采用模块化的设计方法。该部分选择c y c l o n e i i 系列芯片e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 作为主控制芯片，控s u a d 转换，乒乓缓存 及u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 读写的时序。采用硬件描述语言v e r i l o g h d l 设计各功能模块。二是u s b 相关的软件设计，包括u s b 固件程序、 u s b 设备驱动程序以及界面应用程序。固件程序在k e i lu v i s i o n 3 环境 下开发，负责处理p c 机发来的各种u s b 请求，以完成主机和外围电路 间的数据传输；设备驱动程序应用d r i v e r s t u d i o3 2 开发，驱动程序的 功能是使w i n 3 2 应用程序能正确访问本数据采集系统的硬件设备；应 用程序采用v c + + 6 0 开发，主要负责处理系统硬件所传输的数据采集 结果，实时显示波形，并完成数据的存储。 最后开展了实车道路试验来验证本系统，结果表明系统工作稳定 可靠，达到了技术指标要求。 关键词：汽车运动状态，信号采集，微电子机械系统，现场可编程 门阵列，通用串行总线 a b s t r a c t m e a s u r e m e n ta n da c q u i s t i o no fv e h i c l es t a t u si n f o r m a t i o na r en o t o n l yt h er e s e a r c ha n dd e s i g no f h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo nv e h i c l e ，b u ta l s o t h en e c e s s a r yc o n d i t i o n so fe l e c t r o n i cc o n t r o la n dr e a l i z a t i o no f d r i v i n g a s s i s t a n ts y s t e m s v e h i c l es t a t u si n f o r m a t i o na c c u r a t e l y , i t c a np r o v i d e n e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o rd r i v e rw h oc a nc o n t r o l t h ea u t o 珈l o b i l e p r o m p t l y i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l em o t i o n a h i g h - s p e e dv e h i c l em o t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e db a s e d o nm e m si n e r t i a ls e n s o r , f p g aa n du s b 2 0 i nt h e d e s i g n ，t r a d i t i o n a l i n e r t i a ls e n s o rw a s r e p l a c e db ya d v a n c e dm i c r oi n e r t i a ls e n s o li tc r e a t e d a no p p o r t u n i t yf o ri n e r t i as e n s o rw h i c hw a su s e dt om e a s u r em o v e m e n t s t a t u so fv e h i c l e t h es y s t e mu s e df p g a + u s b 2 0 加l o d e ，i tc a n t a k e a d v a n t a g eo ff p g aw h i c hc o u l dp r o g r a mo n l i n e i na d d i t i o n ，i tc a nu s e u s b 2 0w h i c hc a l lt r a n s m i ta tah i g hs p e e dt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f o b t a m i n gd a t a ，t os t r e n g t h e nr e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，a n dt or e d u c et h ec o s t o ft h ew h o l es y s t e m i t s p e c i f i e dt h es y s t e ma b o u to v e r a l lp r o 掣a m ， c l 姗i to fh a r d w a r e ，s o f t w a r ep r o c e d u r e ，p e r f o r m a n c e t e s t i n ga n ds oo n f i r s t l y , i ti n t r o d u c e dt h ec o n s t i t u t i o na n dt h e o r yo fm i c r oi n e r t i a l m e a s u r e m e n tu n i t i ta l s oi n t r o d u c e dt h e o r y , a p p l i c a t i o n a n dp e r f b m a n c e w h i c hw a sr e l a t e dt oa n g l es p e e dg y r o s c o p ea n da c c e l e r a t i o ns e n s o li n a d d l t i o n , s t r u c t u r ea n de l e c t r o n i cc i r c u i td e s i g no fm e a s u r e m e n tu n i to f i n e r t i as e n s o rw e r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h es y s t e mw e r ei n t r o d u c e d i nh a r d w a r ed e s i g n ，l o c a lp r o g r a mg a t e a r r a yw a su s e dt o 如l f t h e s o f t w a r eo fh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g no fc i r c u i tw a s f a c i l i t a t e d ，a sw e l la s 1 1 i 江苏大学硕士学位论文 f i n i s h i n gv o l u m eo fc i r c u i t m o r e o v e r , p r o g r a mo n l i n ec a nb eu s e f u lt o i m p r o v ef u n c t i o nb yd o w n l o a dc a b l e t h ec o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o li s e s t a b l i s h e d a n da p p l yt h ep r o t e l2 0 0 4d x ps c h e m a t i cd e s i g ns y s t e ma n d p c bl a y o u t t h es o f t w a r ec o n t a i n e dt w oa s p e c t s ：o n ew a sf p g a t i m i n g c o n t r o lp a r t ，t h ef p g ai st h ec o r eo ft h es y s t e m ，a n da p p l i c a t i o no f m o d u l a rd e s i g nm e t h o d t h i s p a r t c h o o s e c y c l o n ei i s e r i e s c h i p e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8a st h em a i nc o n t r o lc h i pi no r d e rt oc o n t r o la d c o n v e r s i o n ，p i n g p o n gb u f f e ra n d u s b 2 0i n t e r f a c ec h i pc y 7 c 6 8 0 1 3 a r e a d i n ga n dw r i t i n gt i m i n g e v e r yf u n c t i o n a lm o d u l ew a sd e s i g n e db y h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gh d l ，a n ds h o w e dp a r to ft h e p r o g r a mc o d ea n dt h es i m u l a t i o nw a v e f o r m t h eo t h e rw a sd e s i g no f s o f t w a r er e l a t e dt ou s b ，i n c l u d i n gu s bf i r m w a r ep r o c e d u r e s ，u s b d e v i c ed r i v e ra n di n t e r f a c ea p p l i c a t i o n f i r m w a r ew a sd e v e l o p e di nk e i l u v i s i o n 3t od e a lw i t hav a r i e t yo fu s br e q u e s t sf r o mp c ，w h i c hc o u l d c o m p l e t ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h eh o s ta n dp e r i p h e r a lc i r c u i t s ；u s b d e s c r i p t o rd r i v e rw a sd e v e l o p e di nd r i v e r s t u d i o3 2 ，w h i c hc a nm a k e a p p l i c a t i o n si nw i n 3 2a c c e s st ot h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a r d w a r e c o r r e c t l y ；a p p l i c a t i o nw a sm a i n l yt od e a lw i t hd a t aa c q u i s i t i o nr e s u l t s f r o mh a r d w a r e ，t or e v e a lt i m ew a v e f o r ma n dd a t as t o r a g e f i n a l l yt h er e a lv e h i c l et e s tc a r r i e do u tt ov e r i f yt h es y s t e m ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mw o r k e dw e l l i ta l s or e a c h e dt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s k e y w o rds ：v e h i c l em o t i o n ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，u n i v e r s a ls e r i a l b u s2 0 i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密商 学位论文作者签名：岳长莲 2 砌年月p 日 指导教师签名：泖 年易月r 汩 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：备长主 日期：z o o 年月拉e l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 社会的进步对汽车的舒适性、安全性以及节能环保提出了更高的要求。大力 研究开发汽车主动安全技术，为驾驶员及时提供车辆的运行状态、交通环境状态 等可靠信息，预先警示甚至辅助驾驶员对车辆采取正确有效的操控，对于提高道 路交通安全将起到十分重要作用。 导致汽车交通事故的原因十分复杂，既有车辆自身的技术因素，也有参与交 通的人的行为因素，还有公路、气象等环境因素。总而言之，人车环境是影响 汽车行驶安全性能的三大因素，这三者组成了相互制约的系统工程。例如，驾驶 员在驾驶汽车时要完成一个对环境和车的感知判断操作的闭环过程，在行驶中 要经过周而复始地循环才能完成对汽车的操纵和控制。对驾驶员而言，必须具备 相应的技能才能顺利完成安全驾驶工作；对车辆而言，必须为驾驶员提供一个能 够适应人的生理和心理特点的外部技术条件，以保证驾驶员能很好地完成上述循 环，这就是汽车主动安全的内涵。在目前的情况下，为提高汽车的主动安全性， 做到防患于未然，主要通过以下几个方面的技术加以实现。 1 1 视认特性 驾驶员在行车中所感觉到的道路、车辆等信息的准确性将直接影响汽车的主 动安全性。良好的视认特性是汽车主动安全性的重要组成部分。汽车在行驶过程 中，大约9 5 以上的外部环境信息是通过人的观察来进行收集的。视认特性包括： 视野性能、被视认性、防眩目性等。其中视认性能包括前方视野( 直接视野) 、后 方视野( 间接视野) 以及特殊环境下的视野性能( 包括寒冷、雨天及夜晚时的视野) ； 被视认性则通过车辆示宽、紧急闪烁、报警、反射等信号装置加以实现。在防眩 目性方面引入了诸如三光束前照灯等一些技术。 劲车辆底盘电子综合控制装置 该装置是汽车主动安全技术中非常引入注目的项目，也是各大汽车企业显示 自己技术实力、占据汽车技术有利制高点的重要方面，因此，发展中的汽车主动 江苏大学硕士学位论文 安全技术在此得以集中体现。驾驶员驾车的过程就是人、车和环境三者之间信息 交流的过程，构成人车环境信息流的闭环系统，车辆性能的完善取决于闭环系 统中的人、车和环境三者之间相互协调与各自特性的最佳匹配，即实现系统内驾 驶员行为特性、车辆机械特性以及道路设施和交通法规之间的最优协调，以追求 系统整体的最佳效益。这种先进的汽车主动安全技术的研究动向和成果，正体现 了人机一体化( a h m s ) 的系统工程学观点。 3 、信息传递技术 驾驶员在操纵和控制汽车时，必须不断地从各方面获得所需要的信息。信息 传递系统收集的人、车和环境三者的信息经过处理器处理后，除了服务于车辆底 盘电子综合控制装置外，还可以输出对驾驶员更加有用的深加工信息，甚至包括 驾驶员注意力状况，并用数据或图像显示，帮助驾驶员更加完整地获得信息，及 时处理各种情况。 由此可见为驾驶员提供汽车运动状态信息是必要的。汽车状态信息的测量和 采集是汽车操纵稳定性研究和设计的基本问题，也是汽车电子控制及辅助驾驶系 统实现的必要条件。汽车运动状态信息的准确测量和采集，可以为驾驶员迅速准 确地操控车辆提供必要信息。大量的研究表明：若驾驶员能在事故发生前提早一 秒钟意识到会有交通事故发生，并提前半秒作出反应、采取了相应的正确措施， 就可避免6 0 的追尾事故和约1 3 的车辆正面碰撞。因此为驾驶员及时准确的提 供车辆的状态信息，辅助驾驶员正确操控车辆。具有十分重要的意义。 在信号准确采集的前提下，结合先进的算法对汽车运动状态进行预估、预报， 将二者结合可进一步构建车载信息采集处理、预报与预警平台。为驾驶员做出正 确的操控提供准确的信息和必要的提示，特别是在汽车即将进入危险状况时，可 以节约宝贵的时间。目前汽车的控制系统，都是根据传感器的实时信息做出的判 断，并由控制系统发出控制信号控制车辆的运动。如果将准确预报的结果加入车 辆控制系统，当车辆即将进入危险状态时，就可以根据预测的车辆下一时刻的运 动状态，通过车上控制系统采取相应的控制，使车辆摆脱危险状态。 车辆运动状态参数测量常用惯性传感器，利用惯性原理来测量汽车行驶加速 度和角速度，并通过解算得到运动轨迹及运动姿态【1 】o 虽然传统的机械转子式陀 螺和加速度计仍然是首选对象，但这种技术的难度和代价是相当高的，要将它们 2 江苏大学硕士学位论文 在汽车上大批量得到应用是不现实的。m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高和易生产等特点，以及低能耗、 高功率、低成本、环保等优势，特别适合在汽车上使用。美国模拟器件公司o i ) 、 美新半导体公司( i c s e n s 0 0 、德尔福( d e l p h i ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 等公司都相继 从事m e m s 惯性传感器的研制和生产。a d i 公司推出的a d x l 2 0 3m e m s 加速 度传感器在汽车温度范围变化范围内具有1 6 m g 零g 偏置稳定性和0 3 的灵敏度 漂移。美国a d i 公司推出的a d x r s 系列角速度传感器( 角速度陀螺) ，利用科里 奥利( c o r i o l i s ) 力l l 速度来测量角速度，采用集成微电子机械系统( m e m s ) 专利工艺 和b i m o s 工艺的角速度传感器，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路， 静态累积误差小于7 0 。l l 。它们完全能满足汽车用惯性传感器的性能需要。 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) n - i 实现硬件电路的 软件化，既可以简化电路设计减小电路体积，而且可通过下载电缆实现在线可编 程。基于f p g a 的嵌入式系统技术日趋成熟，在高性能计算和高吞吐量i o 应用 方面，f p g a 已经取代了专用的d s p 芯片，成为最佳的实现方案。因其工作频 率高、设计周期短、开发成本低、并可重复擦写等优点，被广泛应用于数据采集、 处理与算法实现中【3 】。目前市场上f p g a 芯片主要来自a l t e r a 公司和x i l i n x 公司。 从低端产品到高端产品品种齐全功能强大，可以满足不同应用领域的需求。 u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 是一种应用于计算机领域的新型接口技术，具有高速、 可靠、热插拔、高带宽、易于扩展、即插即用等优点。u s b 2 0 协议中，数据的 最高传输速率可达4 8 0 m b p s ，这就使通过u s b 实现快速传递大批量数据成为现 实【2 】。采用f p g a + u s b 架构来构建数据采集系统有着单片机和数字信号处理 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 无法比拟的优点。 因此，本课题提出基于先进的m e m s 惯性传感器、f p g a 技术及u s b 技术 实现汽车运动状态信息的测量和采集。 1 2 相关技术简介 1 2 1 微电子机械系统 微电子机械系统( m e m s ) 是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来 3 江苏大学硕士学位论文 的一个新科学技术，m e m s 技术起源于微机械制造技术，通过进一步发展，加 入了用于微电力控制组件和微机械技术最终形成了如今的m e m s 技术。它的发 展推动了微惯性器件和微惯性测量单元技术的发展，从而促使新一代陀螺仪和加 速度传感器的产生。与传统的惯性仪器相比，微机械惯性传感器具有体积小、重 量轻、功耗低、易于数字化和智能化等特点【4 】。将微机械惯性传感器和嵌入式微 处理器相结合，构建所谓的嵌入式系统，在保证体积、实时性和可靠性的前提下， 完成汽车运动状态的准确测量。 1 2 2f p g a 技术 f p g a 起源于2 0 世纪7 0 年代，是在专有集成电路基础上发展起来的一种新 型逻辑器件，其主要特点是完全由用户通过软件的配置和编程，从而完成某种特 定的功能，可以反复的擦写。不需要改变现有的硬件电路。f p g a 是在p a l 、g a l 、 e p l d 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为一种半定制 电路而出现的【3 】。 f p g a 内部采用一种易于反复配置的查找表( l o o k - u p t a b l e ，简称l u t ) 结构， 通过改变烧写文件以改变查找表内容的方法实现对f p g a 的重复配置。基于l u t 的f p g a 具有很高的集成度，可以完成极其复杂的时序逻辑电路与组合逻辑电 路，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编 程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌s r a m 、丰富的布线资源、底层 嵌入功能单元和内嵌专用单元。f p g a 是通过存放在片内的r a m 来设置其工作 状态的，因此工作时需要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模 式，采用不同的编程方式【5 1 。 基于f p g a 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计理念将f p g a 可编程的优势带到了 s o c 领域，其系统包括嵌入式处理内核、d s p 单元、大容量处理器、吉比特收 发器、混合逻辑、口以及原有的部分组成【5 】。其优势在于可进行反复修改并对系 统架构实现进行验证。s o c 平台的核心部分是内嵌的处理内核，其硬件是固定 的，软件则是可编程的，外围电路由f p g a 的逻辑资源组成，大都已以口的形 式存在，用户根据其需要在内核总线上添加逻辑功能，并能自身定制相应的接口 口和外围设备。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3u s b 接口技术 u s b 是一种应用在计算机领域的新型接口技术，最早是由c o m p a q 、i n t e l 、 m i c r o s o f t 、n e c 等七家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出，于1 9 9 5 年1 1 月正式制定 了u s b 0 9 通用串行总线规范。u s b l 1 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外 设上普遍采用的标准，主要应用在中低速外部设备上，它支持的传输速率有低速 1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种。1 9 9 9 年初在i n t e l 的开发者论坛大会上，介绍了 u s b 2 0 规范。u s b 2 0 向下兼容u s b l 1 ，数据的传输率将达到4 8 0 m b p s ，已超 过了目前i e e e l 3 9 4 接口4 0 0 m b p s 的传输速率，可以支持宽带数字摄像设备及下 一代扫描仪、打印机及存储设纠6 】。 u s b 技术具备很多优点： - ku s b 支持热插拔和即插即用； 占用的系统资源少f 只占用一个i r e ) ，无总线竞争； 速度快：u s b l 1 支持1 5m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速率，而u s b 2 0 可 达4 8 0 m b p s ，比串口快了整整4 0 0 0 倍，比并口也快了4 0 0 多倍； - i - u s b 端口支持多个不同设备的串联，一个u s b 口理论上可连接1 2 7 个 u s b 设备； - a - u s b 事务处理包括错误检测机制，用以确保数据无错误的发送； 设备能够直接由u s b 总线进行供电； 支持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输。 1 3 数据采集系统的现状与发展趋势 数据采集系统是对传感器或所需测量或处理信号进行采集、数字化、存储、 分析和显示的一个完整信号处理链路川。数据采集是测量和计算机控制的主要工 具和手段，数据采集系统的设计也一直是生产实践和科学研究中的重点和难点。 随着科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用，数据采集系统对采样率、分辨 率、数字信号处理速度、抗干扰能力等技术指标的要求更加严格。不同的应用场 合对各项指标的要求也不尽一致，例如，雷达运动控制、爆炸检测、医疗设备( 如 c t 、核磁共振) 、快速生产过程( 如石油化工过程) 等领域，需要高速或超高速数 5 江苏大学硕士学位论文 据采集系统来完成；生物电信号检测、微小位移测量和厚度测量等工作需要数据 采集系统有很高的精度；而在某些工厂的自动化控制中，对数据采集系统的采样 速度和精度都要求严格【踟。 随着微电子制造工艺水平的不断提高和数据处理方法的进步完善和成熟， 数据采集系统的性能有了很大的提高。就数据采集系统中最重要的a d 芯片的 发展来说，a d 转换的精度、速度和通道数都在不断的提高。采样通道由以前的 单通道发展到双通道、多通道，分辨率由8 位、1 6 位提高到了2 4 位，采样速度 由原来的几m s p s 提高到上十g s p s 。而在数据分析的微处理器上，最初的数据采 集系统以8 位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新兴单片机的不断问 世，1 6 位、3 2 位单片机也为数据采集系统研制厂家所采用。随着f p g a 的技术 日趋成熟，使其在数据采集，接口领域及高性能信号处理方面具有很大的优势。 总之，伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高，数据采集系统 的性能将越来越高，功能也越来越完善。 数据采集系统的发展主要体现以下几个趋判9 l ： 1 1 基于计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。随着计算机的处理能 力不断提高，为了充分利用计算机的高处理能力和大存储容量，现代数据采集系 统采用了更高速的总线接口，如p c i 总线和u s b 2 0 总线，它们的理论传输速度 分别能达到2 6 6 m b p s 和4 8 0 m b p s ，使数据采集系统的性能得到进一步提升。计 算机的性能提升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新，正在使基于计算机 的测量仪器逐渐替代传统仪器。 劲在高速数据采集方面，f p g a 有单片机和d s p 无法比拟的优势。f p g a 时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高，适于大 数据量的高速传输控制，组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路。 3 1 数据采集系统的智能化程度将会越来越高。按照一定的算法可以方便地 消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差；实现量程自动转换、自 动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了系统的自 动化水平。 4 、以i n t e m e t 和无线网络为基础的分布式数据采集系统将会被广泛应用【1 0 l 。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 论文在论述系统组成、工作原理的基础上，详细阐述了硬件和软件的具体实 现。最后给出本采集系统测试的结果。具体内容包括以下几个方面t 1 、微惯性测量单元的设计，微惯性测量单元由两个双轴加速度传感器和三 个单轴角速度陀螺构成的组合体，分别采集汽车坐标系下x 、y 、z 轴三个方向的 加速度和角速度信号。 2 、硬件设计部分，包括芯片的选择及前端调理电路( 由惯性传感器输出的信 号经信号调理电路处理后送到多路开关a d g 7 0 8 ，然后送入a d 7 6 8 5 ) ，a d 转换 器电路，f p g a 芯片相关电路和u s b 接口芯片相关电路的设计。 3 、软件设计部分，包括两个方面，一是应用硬件描述语言( v e r i l o gh d l ) 设 计f p g a 内部各个模块( 包括a d 转换模块、数据采集通道选择模块、缓存模块、 u s b 接e l 控制模块等) ；二是u s b 相关软件设计( 包括固件程序、驱动程序和应 用程序1 。文中详细阐述了各程序的功能、实现方法和并给出部分仿真波形图。 4 、汽车运动状态测量测试部分，进行了实车信号采集验证，从中可以看出， 按照“u s b + f p g a 的架构模式开发的汽车运动状态信息采集系统，性能可靠， 满足技术要求。 1 5 本章小结 本章主要对课题提出的背景及意义，课题所涉及的相关技术和论文的主要内 容进行了阐述。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章微惯性测量单元的设计 微惯性测量单元是由正交配置的三个角速度陀螺和两个双向加速度传感器 组成。微惯性测量单元直接固联于运动载体上，测得的信号是沿载体坐标系各轴 相对于惯性空间的角速率和线加速度。微惯性传感器内带测量电路，其输出可直 接接入数据采集器。设计中选用三个a d x r s l 5 0 角速度陀螺分别测量横摆、侧倾 和俯仰的运动角速度和两个a d x l 2 0 3 双向加速度传感器测量纵向、侧向和垂向 的运动加速度。 2 1 微惯性测量单元的设计 本节从传感器的布置、六面体的设计2 个方面来对微惯性测量单元的总体设 计进行介绍。 2 1 1 传感器的布置 微惯性测量单元i 主t 2 a d x l 2 0 3 型双向加速度传感器和3 个a d x r s l 5 0 型角 速度陀螺组成，加速度传感器和角速度陀螺的布置如图2 1 左侧所示，立方块代 表双向加速度传感器，圆柱体代表角速度陀螺。要求3 个角速度陀螺安装在三个 正交平面上，它们敏感轴相互垂直，组成测量体的三维坐标系，如图2 1 右侧所 示。2 个双向加速度传感器安装在另外两个面上，为了保证加速度传感器的敏感 轴也组成三维测量坐标系，要求测量垂向加速度的两个传感器的敏感轴相互平行 ( 由于本微惯性测量单元在垂向上测量了两次，而实际在数据采集中选取其中之 一作为输出) ，剩下的一个底面作为微惯性测量单元的安装固定平面。 8 江苏大学硕士学位论文 4 2 1 加速度传感器和角速度陀螺的布置方案 f i g2 1t h el a y o u to fa e c e l e r o m e t e ra n dr a t eg y r o s c o p e 2 1 2 六面体的设计 加速度传感器和角速度陀螺安装于六面体上，如果六面体设计的不合理或加 工精度不够将直接影响到传感器的安装误差，从而最终导致测量出来的汽车3 轴 加速度及3 轴角速度大大偏离实际值。因此，在设计六面体时应达到如下要求： 1 ) 为使设计的微惯性测量单元结构紧凑，六面体的尺寸应根据实际加速度 传感器和角速度陀螺尺寸来定，根据所用的a d x l 2 0 3 型双向加速度传感器和 a d x r s l 5 0 型角速度陀螺可以将六面体的边长设计为2 0 m m ，上下偏差为 士0 1 5 m m 。 劲由于所设计的六面体有5 个面是传感器的安装平面，剩余的一个面为微 惯性测量单元的安装固定面。因此，为减少角速度陀螺与加速度传感器的安装误 差，要求六面体上5 个传感器安装面尽量与剩余的五个平面保持平行或垂直，故 在设计六面体时，相对于基准安装固定面，其余各个面的平行度或垂直度为0 0 2 m m ，表面粗糙度为3 2 um 。 3 ) 六面体的材料尽量选用铝等轻金属材料，从减小整个微惯性测量单元重 量的角度出发，可将六面体制成空心的( 参考图2 萄。 4 ) 由于实际是通过螺钉将2 个加速度传感器和3 个角速度陀螺固定到六面 体的五个面上，因此要保证各孔之间的尺寸及公差，以使最终安装到六面体上的 加速度传感器和角速度陀螺的敏感轴能够相互垂直，组成三维测量坐标系。 所设计的六面体的p r o e 结构图如图2 2 所示。微惯性测量单元如图2 3 所 示。 9 江苏大学项士学位论文 田2 0 自主开发的征惯性测量单元 啦”h i m m d e w l o p e d h 蜥d b o y 2 2 角速度陀螺 a d x r $ 系列陀螺仪是由美国模拟器件公司制造，采用集成微电子机械系统 卧重s ) 专利工艺和b b , i o s 工艺的角速度传感嚣，内部同时集成有角速率传感 器和信号处理电路。与任何同类功能的陀螺仪相比，a d 】系列陀螺仪具有尺 寸小、功耗低、抗冲击和振动性好等优点。 2 21 角速度陀螺的工作原理 a d 噶系列角速度陀螺是利用科里奥利( c o h o l 曲加速度来测量角速度的， 科里奥利效应原理如图2 a 所示。假设某人站在一个旋转平台的中心附近，他相 对地面的速度用图2 4 箭头的长度所示。如果移动到平台外缘的某一点，他相对 地面的速度会增加，如图2 a 较长的箭头所示。由径向速度引起的切向速度的速 率增加，这就是科里奥利加速度。设角速度为o ，平台半径为r ，则切向速度为 m r ，如果以速度v 沿径向r 移动，将产生一个切向加速度u v ，这仅是科里奥利 江苏大学硕士学位论文 加速度的一半，另一般来自径向速度的改变，二者总和为2 , o v 。如果人的质量为 m ，该旋转平台必须施加一个大小为2 mc o v 的力来产生科里奥利加速度，并且该 人将受到大小相等的反作用力。角速度陀螺通过使用一种类似于人在一个旋转平 台移出或移入的谐振质量元件，利用科里奥利效应来测量角速度。图2 5 示出了 a d x r s 系列角速度陀螺完整的微机械结构，角速度陀螺通过附着在谐振体上的 电容检测元件测量谐振质量元件及其框架由于科里奥利效应产生的位移。这些电 容检测元件都是由硅材料制成的横梁，它们与两组附着在基片上的静止硅横梁互 相交叉，因而形成两个标称值相等的电容器。由角速度引起的位移在该系统内产 生一个差分电容。如果弹簧的弹性系数为k ，那么反作用力造成的位移为2 0 v m k 。如果总电容为c ，硅横梁的间距为g ，则差分电容为2 , o v m c g k ，它直接 与该角速度成比例。这种关系的逼真度在实际应用中非常好，其线性误差小于 0 1 t 1 1 】【1 2 1 1 3 1 。 图2 4 科里奥利效应 f i g2 4c o r i o l i se f f e c t 2 2 2 角速度陀螺的性能特点 图2 5a d x r s 角速度陀螺的微机械结构 f i g2 5m i c r o m e c h a n i c a lo fa d x r sg y r o s c o p e a d x r s l 5 0 是种角速度陀螺，用模拟器件的表面微机械工艺制成。在一 个单片上集成所需要的全部电路。该角速度陀螺能用一个外部电阻减小刻度系 数，用一个外部电容设置带宽。精密基准电压和一个温度输出信号都用于补偿。 2 个数字测试信号输入激励传感器，使测试传感器和信号调节电路正常工作。 a d x r s l 5 0 采用7 m m 7 r a m 3 m mb g a 3 2 帖片封装。具有宽频范围内可进行 高震动抑制、可耐2 0 0 0 9 震动冲击、自测试数字控制、精密电压基准输出、5 v 江苏大学硕士学位论文 单电源工作等特点【1 4 1 1 5 1 。 2 2 3 角速度陀螺的电路实现 a d x r s l 5 0 的电路如图2 6 所示，包括2 个多晶硅检测结构，每个检测结构 包含一个高频振荡帧，在静电驱动时振荡帧产生谐振。移动指针放置在两个固定 敏感元件指针之间，构成一个电容敏感元件，用于检测复合向心运动。最后信号 馈给增益级和解调级，产生一个速率电信号输出【1 4 】【1 5 】。 该电路采用双传感器设计，可抑制外部加速度力和震动。用信号调节电路制 造的传感器可在噪声环境中保持信号的完整性。静电谐振工作电压为1 4 1 6 v 。 由于在大多数应用中只有5 v 电压可用，所以芯片上有一个电荷泵。如果有一个 外部电源1 4 1 6 v 可用，c p l 与c p 2 、c p 3 与c p 4 之间的两个电容可省掉，并 且该电源通过一个1 0 0 n f 去耦电容( 代替4 7 n f 电容) 与c p 5 ( 脚7 0 ) 相连。解调级 后有一个单级低通滤波器，滤波器由一个9 k q 的内部电阻和一个用户可选择的外 部电容( c m i d ) 组成。1 0 0 n f 的c m i d 电容设置了一个4 0 0x ( 1 士3 5 ) h z 的低通 滤波器，信号在最后放大前用低通滤波器滤出高频成分。带宽限制电容c o u t 用 于设置通带宽度( 见图2 6 ) 。图2 7 中a v c c 和p d d 有独立的去耦电容。他们的 相关脚通过电荷泵用p d d 电源将噪声抑制到最d d l 4 1 1 5 1 。 a n m f 图2 6a d x r s l 5 0 功能框图 f i g2 6a d x r s l 5 0f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 图2 7 是a d x r s l 5 0 外围硬件电路图，其中s t l 、s t 2 为传感自测试端， t e m p 为温度电压输出信号。c m r d 为耶滤波电容( 1 0 0 1 1 d ，2 5 v 为精密基准， 江苏大学硕士学位论文 c p l 、c p 2 ，c p 3 、c p 4 为电荷泵电容( 2 2 n f ) ，p d d 为正电荷泵电源。引脚a v c c 接5 v 电源电压。测得的角速度以电压形式在引脚r a t e o u t 输出，0 。s 时输 出电压为2 5 v ，r a t e o u t 与引脚s u m j 之间并联一个电阻r o u t 和电容c o u t 从而组成低通滤波器用于限制a d x r s l 5 0 的角速度响应带宽，3 d b 频率由下式 决定： l o u t = 1 ( 2 n r o u t 。c o a t )( 2 1 ) 内部电路的r o u t 为1 8 0 k o ，可以从外部给r o u t 并联一个电阻r e x t ，使得， r o u t = ( 1 8 0 k f 2 x r e x t ) ( 1 8 0 k q + r e x t )( 2 - 2 ) 从而调整角速率响应带宽。a d x r s l 5 0 的量程为士1 5 0 。s ，可以在r a t e o u t 和 s u m j 引脚之间给r o u t 并联一个电阻来增大量程，例如并联一个3 0 kq 的电阻可以 使量程增大5 0 ，但是这需要对电路重新调零，调零时在s u m j 引脚处外接一个 电阻黜m l l 到地或电源正极，对称角运动情况下r a t e o u t 的零点是2 5 v ，但角运 动范围不对称时，按下式计算： ：黑( 2 - 3 ) w 删。一