汽车碰撞实验车载测试系统中数据采集板的设计

1、计算机应用汽车碰撞实验车载测试系统中数据采集板的设计北京清华大学汽车安全与节能国家重点实验室L)*?(! 陈亚东 张金换 黄世霖摘要M一种在自行研制的车载测试系统中使用的数据采集板 !阐述了其硬件结 构 和 软 件 设 计 "该 数 据 采 集 板 采 用 单 独 的 "2/ 控 制 ! 采 集 电 路 以 一 片 ). 位 高 速 0 1 $ 芯 片 "0N).* 为 核 心 ! 数 据 采用了循环存储的思想 !数据采集实现了多通道的同步 # 高速 ! 并实现了冲击条件下 的 大 容 量 数 据 的 可靠保存 " 实验证明了这种采集板的可靠性 &quo

2、t;关键词 ! 碰撞数据采集数据存储同步可靠性在汽车被动安全性研究中 ! 碰撞实验是一项关键性的实验 ! 而通过合适的测量技术取得整车或零部件和模型假人的实验数据才能保证实验的成功 " 汽车碰撞实验中的电测量技术主要有两大类 #一类是拖长线测 量 方 式 $一类是车载数据采集 " 随着研究的深入和对测量技术要存储单元"!/控制逻辑).求的提高 !对后一种测量方式的需求更加迫切 "汽车碰撞实验作为一项高速大冲击的实验 ! 车载测试系统需要具备能承受大冲击 % 通道数多 % 大容量数据可靠存储及触发准确的特点 " 国外的碰撞实验车载测试系统已形成比

3、较成熟的产品 ! 但价格相当昂贵 " 而国内的测试设备也都是在各自领域研制 ! 不适合在碰撞实验通道 )通道 .通道 (调理调理调理采样 1 保持采样 1 保持采样 1 保持多路开关"/N位01O转换器的恶劣环境条件下使用 "数据采集板是这种车载测试设备的核心 ! 本文比较图 )数据采集板的结构图缓冲器深入研究了一种用于该车载设备中的数据采集板 " 按照正 面 碰 撞 乘 员 保 护 的 设 计 规 则 &!"#$%&( 中 对 测 试仪器的规定 ! 将本车载 测 试 系 统 中 的 数 据 采 集 板 每 个 通道 采 样 频

4、 率 设 计 为 )*+,- ! 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 量 采 用). 位 的 数 字 长 度 " 考 虑 到 信 号 后 续 分 析 处 理 的 需 要 ! 在系统设计上使各通道信号采集完全同步 "! 数据采集板的设计原理车载测试系统采用多块数据采集板并行工作的方式 ! 由单独主模块负责触发判断 " 每个数据采集板作为整 个 测 试 系 统 中 的 一 个 独 立 子 模 块 ! 使 用 单 独 的 "!/完成采集板的控制工作 " 同类采集板中大多是用一块01$ 芯片负责一路通道信号采集来满足同时性的要求 ! 但这样使大数目通道

5、扩展很困难 ! 并且使整个系统很庞杂 ! 降低了碰撞时 的 可 靠 性 " 在 本 板 设 计 中 每 块 数据采集板使用一块 0 1 $ 芯片实现四个通道信号的同步采集 " 这样通过减少芯片数量使采集板的可靠性得到提高 " 采集板结构示意图如图 ) "在测试系统工作时 ! 数据采集板不断把传感器信号转换为数字量 ! 循环存 储 在 数 据 采 集 板 的 存 储 器 中 " 当数据采集板接收到控制模块产生的碰撞结束信号时会产生中断 ! 停止数据采集 ! 等待与地面微机的通信 "!"" 硬件组成"#! $

6、%& 和 地 址 空 间数据采集板的 "2/ 采用 "343%350 公司的 高 档 6 位 单片 机 " ! 7 6 , 2 89):; <=>! 这 种 单 片 机 在 汽 车 的 复 杂 工况下有着广泛的应用 ! 并且在某安全气袋控制器中也得到了实际应用 ! 实践证明它的耐冲击性符合本数据采集板 的 要 求 " 它 在 扩 展 模 式 下 有 ? 根 数 据 线 和 ) 根 地 址线 ! 可 以 寻 址 (AB 的 空 间 " 这 种 "!/ 对 数 据 存 储 器 和程 序 存 储 器 的 寻 址 是 统

7、一 的 ! 都 在 这 7CAB 空 间 内 ! 通过 设 置 相 关 寄 存 器 重 新 安 排 单 片 机 的 %0" 区 和 寄 存 器区 ! 使 在 配 置 后 的 地 址 空 间 中 D*ED2FFF 是 连 续 的 数据存储器区 "但 是 受 单 片 机 最 大 寻 址 (AB 的 限 制 ! 数 据 存 储 器的空间很小 " 由于每块数据采集板要存储四个通道模拟量的转换结果 ! 数据存储器的容量必须有足够大才能保证 存 储 较 长 时 间 的 信 号 " 为 此 使 用 了 两 片 G).AB 的H%0" 芯 片 .?G). 作

8、为 外 扩 数 据 存 储 器 " "!/ 只 有 )根地址线 ! 所以采用分页扩展存储器技术 ! 用 ( 根I3%4 0 的输出端口线!使每片 .?G). 形成 ? 个 (AB 的页面" 在每个页面上D*ED!FFF 可以用来存储数据" 从而系统可用的数据存储空间是 )JG.K?=.AB ! 即 每 个 通 道(计算机应用的 数 据 存 储 器 容 量 是 !"#$% ! 若 采 样 速 率 以 &"() 计!"#$ % & 转换电路算 " 而 每 个 转 换 结 果 为 &!*+, &q

9、uot; 最 大 占 用 ! 个 字 节 空 间 "所 以 系 统 可 以 保 存 的 每 个 通 道 数 据 时 间 是 !"#-.&"/!01&"234 " 满 足 系 统 要 求 !"! 信 号 调 理 电 路汽 车 碰 撞 实 验 中 采 用 5676 公 司 的 压 阻 式 传 感 器 "它内部集成了稳压装置 " 还具有温度补偿功能 " 自带放大 " 使 传 感 器 的 输 出 范 围 变 成 了 8!9 ! 本 信 号 调 理 电 路首先对传感器的信号放大 ! 倍 &

10、quot; 这样传感器的信号输出范 围 可 与 一 般 的 : ; < 模 拟 端 输 入 范 围 8=9 相 匹 配 " 提高 了 系 统 的 转 换 精 度 ! 此 放 大 电 路 部 分 采 用 了 :< 公 司的 仪 表 放 大 用 芯 片 :<>!" " 并 且 硬 件 上 使 放 大 倍 数 可 以在 档 位 & #! #= #&" 间 调 节 " 这 样 在 不 同 冲 击 强 度 的 实 验中都可使信号转换的分辨率较高 ! 放大后的信号还被?:!A& 构 成 的 程 控 滤 波 器

11、 滤 波 后 送 入 : ; < 转 换 电 路 !按 碰 撞 法 规 要 求 " 滤 波 频 率 设 定 为 !() !: ; < 转换器是数据采集板的核心 " 此板设计中选择了 ?:B? 公 司 的 &! 位 高 速 : ; < 转 换 芯 片 ?:&!" C!D "它 具 有 双 极 性8=9 的 电 压 输 入 范 围 " 完 成 一 次 转 换 的 时间 为 &2> 微 秒 " 内 部 具 有 采 样 保 持 电 路 和 低 漂 移 的 电 压基 准 " 具 有 标

12、准 的 微 处 理 器 $!E % 接 口 ! 利 用 这 种 芯 片 组成的 : ; < 转换电路如图 ! !图 ! 中 的 ?:F"# C !D 是 ?:B? 公 司 的 多 路 开 关 G 它具 有 低 导 通 电 阻 $ 小 于 &""" % # 低 泄 漏 电 流 的 特 点 " 典 型开 关 切 换 速 度 为 #= 纳 纱 !?:&!" 的 输 入 阻 抗 为 >"G 如 果 : ; < 芯 片 与 多 路开关直接连接 " 输入信号在多路开关上的分压将会引起的 误 差

13、 近 似 为 &"" 1&2>HI ! 这 个 误 差 超 出 了 要 求 的 精>"""度范围 " 为此在 : ; < 芯片前加上输入缓冲器 ! 在此选用?:B? 公 司 的 高 速 缓 冲 放 大 器 ?:3"= C !D" 它 的 输 入 阻图 ! ?:&!" 的 : ; < 转 换 电 路!计算机应用图 5 系统控制时序图抗 为 !"#$!% 输 出 阻 抗 为 &"&! ! 这 样 信 号 在 多 路 开 关系统

14、工作时 ! 切换通道和启动 - . / 转换器使用同上引起的压降误差只有&&!"#(& )*&"&&+, " 缓 冲 器 本 身一条指令 67-8/99& !:;-<=>近于零内阻 ! 保证了信号在传输到 - . / 芯片的输入端不会引起大的失真 " 实际设计中采用这一方式大大提高了系统的精度 "由于数据采集板只用了一块 - . / 芯片 ! 为了保证各路信号的转换都同步 ! 设计中在多路开关之前给每路信 号 都 加 上 采 样 保 持 电 路 #-/01 $ 23 % 采 集

15、 板 工 作 时 ! 每次采样循环中 ! 首先发出采样 . 保持信号使各通道信号被同时采样后进入保持状态 ! 随后多路开关逐步选通每一路模拟信号进入 - . / 转换器 "采 集 电 路 采 用 $-4!& 的 全 控 制 方 式 & 方 式 $ % 在这种方式下形成的系统工作时序如图 5 所示 %!"当 这 条 指 令 执 行 时 ! 译 码 形 成 的 >-= 与 = 时 钟 信 号的 逻 辑 组 合 使 >= 呈 高 电 平 ! 选 通 0+;:505 ! 数 据 总 线 上的 通 道 号 :;-<=> & 对 应 数

16、据 总 线 的 -/! (-/ (-/& $和 多 路 开 关 控 制 信 号 $=< 通 过 0+;:505 分 别 出 现 在$-45&1 的 地 址 选 择 端 和 控 制 端 ! 对 应 通 道 的 模 拟 信 号经 过 $-45&1 输 出 到 缓 冲 器 $-4+&# % 在 下 个 = 时 钟 !>= 变 成 低 电 平 !0+;:505 锁 存 通 道 号 和 控 制 信 号 $=< !选 中 通 道 的 模 拟 信 号 始 终 保 持 在 $-45&1 输 出 端 ! 直 到下次通道选择指令被执行 %$-45&

17、1 的 一 路 被 选 通 的 同 时 ! >-= 信 号 还 与 写 信号 !?! 进 行 逻 辑 组 合 作 为 - . / 转 换 器 $-4!& 的 启 动计算机应用信 号 ! 考 虑 到 被 选 中 通 道 的 模 拟 信 号 出 现 在 !"#$%& 输出端需要一定的建立时间才能达到合适精度 " 同时工作在 方 式 下 的 !"#()% 其 内 部 采 样 保 持 器 也 需 要 一 定的 采 样 时 间 #$*+ 纳 秒 $ 来 捕 捉 输 入 模 拟 信 号 " 因 此 在!"#$%& 的 通 道

18、切 换 和 启 动 !"#()% 之 间 需 要 一 定 的 时间间隔才能保证转换结果的精度 % 为此设计中选择了使,"- 与 ).) 信 号 相 或 " 再 通 过 两 片 !#/(+ 延 迟 芯 片延 时 0+ 纳 秒 作 为 " 1 / 转 换 器 的 启 动 信 号 234 ! 转 换启 动 后 "!25 通 过 与 6"+ 管 脚 相 连 的 748 1 95:. 信 号 判断转换完成 ! 在读数据指令执行的同时 " 转换结果被读系统上电系统初始化系统自检设置采样参数四通道循环采样存储一次信 号 ).$ 控 制 &

19、quot; 通 过 总 线 缓 冲 器 ;0<2)0* 送 入 !25 的数 据 总 线 " 被 读 入 !25 后 再 写 入 存 储 器 单 元 !采样结束 )4!"# 存 储 单 元设 计 中 的 数 据 存 储 单 元 选 用 了 两 片 ="! 芯 片>)&*() ! 考 虑 到 实 际 实 验 是 大 强 度 撞 击 " 使 用 时 用 非 易失 性 :="! 来 代 替 ! <?()* 是 与 >)&*() 完 全 兼 容 的 非易 失 性 :="! 芯 片 " 可 以

20、直 接 代 替 >)&*() 使 用 " 并 且 其内置锂电池 " 在无外部供电的情况下数据能保存相当长的时间 ! 这样就保证了即使实验中遇到大冲击强度使系统电源断掉的情况 " 也可以把实验中采集的数据保存下来 " 大大增强了系统的可靠性 !$ 采集板软件设计数据采集板软件主要实现两个功能 & 完成对模拟量的 采 样 和 存 储 与 62 机 联 机 通 讯 % 主 程 序 流 程 如 图 0 所示 % 在设置采样参数后 " 数据采集板对 0 路模拟信号进行一次循环采样 " 存储结束后根据采样结束标志判断是否已完

21、成数据采集工作 % 其中采样结束标志是在主模块判 断 触 发 后 ( 数 据 采 集 板 中 的 外 中 断 #7= $ 响 应 时 " 执行中断子程序时设置的 % 在采集过程中 " 程序把采集到的数据连续存储 " 每当所设地址指针到达数据存储区底部时 " 设定其重新指向存储区顶部 " 用重新存储的数据刷新原来的数据 % 采样结束后在数据存储器区最后一次的 采 样 数 据 之 后 存 储 连 续A+B 个ABBC 作 为 采 样 结 束 的 标.存储采样结束标志 等待通讯图 0 数据采集板主程序流程图度 地 利 用 了 存 储 空 间 % 与 其 它 模 块 一 起 可 以 构 成 更 多通道数的采集系统 %在整个板卡设计中没有采用任何可调节的元器件 "在系统固定上采用了很好的固化与缓冲 " 这些措施也大大提高了系统的耐冲击性和可靠性 % 在与原有测量系统的 对 比 实 验 中 "对 于 相 同 输 入 信 号 " 使 用 该 数 据 采 集 板 的车载测试系统与原有系统的采集结果体现了很高的一致性 " 满 量 程 的 误 差 小 于 +D&E " 符 合 系 统 的 精 度 要 求 " 取 得了较好的效果 % 同时这一数据采集板还