汽车驾驶模拟器数据采集系统设计

××理工学院毕业设计（论文）正文PAGE PAGE32摘要汽车驾驶模拟器是一种集合了传感器技术、计算机技术、三维实时动画技术、计算机接口技术、人工智能技术、数据通信技术、网络技术、多媒体技术等先进技术的仿真系统。借助汽车驾驶模拟器，利用先进的计算机仿真技术对驾驶人员进行有效的训练，不仅能有效缓解目前我国汽车驾驶培训系统面临的压力，而且可以避免环境污染，减少能源消耗，降低培训成本，因而具有十分重要的意义。课题设计的单片机数据采集实物主要針对汽车模拟驾驶器的采集模块进行设计和研究，在该模块中数模信号的转换，单片机与PC机通讯等环节很关键。其中，单片机数据采集模块在整个数据采集系统中是核心部分，同时对模拟信号的转换也在该系统中完成，在论文之中对模块的工作原理，方案设计，具体的电路和软件开发进行了简单的论述和设计。关键词：汽车模拟驾驶器；数据采集；单片机；PC通讯

AbstractTheVehicleDrivingSimulatorisanadvancedsimulationsystemrelatedwithmanyscienceandtechnologyfieldssuchasSensor，3DReal-timeAnimation、ComputerInterface、ArtificialIntelligence、DataTraffic、Network、Multimedia、andsoon.DependingonDrivingSimulator,thedriverscangeteffectivetrainingwithadvancedsimulationtechnology,whichisveryimportantbecausethepressureofdrivingtrainingsysteminourcountrycanberelieved.Andatthesametime,itcanalsohelptoavoidenvironmentpollution，decreaseenergyconsumingandlessentrainingcost.ThetopicofthisdissertationmainlyaboutdesignandresearchthataboutmoldpieceofVehicleDrivingSimulatorcollectsystem.Thelinkssuchasconversion,asinglechipsystemandthePCcommunicationetc.ofthefewmoldsignalisverythekeyinthemold'spiece.Amongthem,thechipdatacollecttionstytemisthecorepartinthewholepieceaccordingtocollectsystem,Theconversionofthesignalalsointhatsystematthesametime.inthethesistotheworkprincipleofthemoldpiece,theprojectdesign,theconcreteelectriccircuitandthesoftwaredevelopmentscarriedonthesimpletreatiseanddesigns.Keyword:vehiclesimulator;datacollection;singlechipsystem;PCcommunication

目录第一章绪论 11.1选题的目的、意义 11.2国内外发展状况 1第二章汽车模拟驾驶的理念、相关模块介绍 42.1基本原理 42.2相关模块介绍 42.2.1模拟器 42.2.2车辆模型 62.2.3道路交通虚拟实景 6第三章数据采集基础知识 83.1数据采集的相关元件 83.1.1传感器 83.1.2A/D转换器 103.1.3D/A转换器 113.1.4单片机 113.2数据采集 133.2.1数据采样过程 133.2.2量化 153.3数据处理 153.4被测参数分析 15第四章汽车驾驶模拟器数据采集特点分析 174.1数据采集概念 174.2汽车驾驶模拟器数据采集系统的功能及特点 184.2.1汽车驾驶模拟器数据采集系统的功能 184.2.2汽车驾驶模拟器数据采集系统的特点 184.3汽车驾驶模拟器数据采集系统的构成 19第五章数据采集系统设计要点分析 205.1系统的工作原理 205.2驾驶操作与车辆运行状态信息采集系统硬件 215.3模数转换接口的硬件实现 225.4通讯电路 225.5软件系统的设计 22第六章数据采集系统设计 246.1硬件分析 246.2硬件电路设计 266.2.1单片机的基本电路 266.2.2A/D转换 286.2.3串行通讯电路 296.3单片机的软件系统设计 306.4设计总结 31参考文献 32致谢 34附录一 35附录二 36附录三 37××理工学院毕业设计（论文）正文第一章绪论1.1选题的目的、意义汽车驾驶模拟器(VehicleDrivingSimulator,VDS)是一种能正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真设备，而其数据采集系统又是驾驶模拟器的关键系统之一。因为它是我们能否获取路面信息、道路交通环境数据和驾驶舱信息，进行相关数据传递和处理，最终构建一个产生“沉浸感”、“交互感”和“身临其境”的汽车驾驶模拟器的关键。借助于驾驶模拟器，我们能对汽车-驾驶员-道路环境相互作用关系进行研究，也能对驾驶人员进行训练。随着我国经济的持续快速发展，汽车行业近年来发展迅猛，我国的汽车保有量迅速递增，汽车开始走入家庭，驾驶人员的成分更加多样化，同时汽车性能的逐步改善，各种新技术在汽车上的应用，道路条件的改善，这就要求人们使用现代化的手段对驾驶人员进行培训。相比于传统汽车驾驶培训方式，使用驾驶模拟器进行培训具有以下优点：1对各种可能遇到的驾驶场景的体验；2通过设置不同参数，获得不同类型车辆的驾驶培训经验；3降低培训成本，节省时间，学习时安全高效等。因此对汽车驾驶模拟器数据采集系统的研究具有重要的现实意义。本课题来自××理工学院校级重点项目“汽车驾驶模拟器数据采集系统的设计与研究”。在该课题之中，包含对大学四年的主干专业课程的主要内容，着重在应用和检验学生结合理论知识的设计能力和动手能力。对专业的实践有着很重要的意义，同时也有助与了解专业的发展现状和动态。1.2国内外发展状况1、国外研究驾驶模拟最早出现在航空驾驶训练中，随着仿真技术的发展，特别是计算机成像技术的成熟，驾驶模拟才逐渐应用在汽车训练中。20世纪80年代以前，国外开发的汽车驾驶模拟器主要为静态训练型，可分为主动式和被动式。比较早的如捷克的点光源平板投影式汽车驾驶模拟器，应用比较广泛的是日本新泻通讯机株式会社开发的NT-491系列和多轮公司的L-300型汽车驾驶模拟器。20世纪80年代以后，利用开发型模拟器进行人—车—环境系统的主动安全性分析，改善汽车运动性能，已成为提高驾驶安全性的主要研究方向之一。德国、日本、美国的各大汽车厂家都分别投巨资研制出开发型汽车动态模拟装置。1985年，奔驰公司首先研制出世界上规模最大的六自由度汽车动态模拟器，并成功地用于系列化高速轿车的产品开发中。1989年，大众公司投资改进了其原有的模拟器，更新了计算机运算能力和视景生成系统，并用于新产品研制中。1991年，马自达公司投资研制了跑车型模拟器。1993年初，福特公司投资研制开发模拟器。1995年，日本汽车研究所建成了带有体感模拟系统的模拟器。通用公司的最初研制计划始于1989年，至今已开发出第二代产品，其性能指标居世界领先水平。美国IOWA大学1993年就启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟器，1996年又进一步增加投资3000万美元由TRW公司进行改进，其产品被称为“国家高级汽车驾驶模拟器”。今天，德国、瑞典、日本、美国的各大汽车厂家和研究室都相应更新了自己的开发型驾驶模拟器，不断完善车辆的动力学模型，运动系统都可模拟六个自由度的运动情况，视景系统采用计算机成像系统(CIG)，可以提供逼真的车辆环境。2、国内发展20世纪80年代以后，汽车驾驶模拟器在我国发展较快，清华大学、吉林工业大学、空军第二航校、装甲兵工程学院、南京瑞林模拟器实业公司等单位都积极地开展研究工作，并开发出一些初级产品。20世纪90年代以来，我国已经开始自己研制和生产开发型汽车驾驶模拟器。1996年吉林工业大学建立了汽车动态模拟国家重点实验室，研制出了汽车动态模拟器，由模拟舱与运动模拟、计算机实时模拟与控制、视景模拟、数据采集与触感模拟、声响模拟和中央控制台等6大子系统组成[6]。中国人轿车拥有量的逐渐提高，造成汽车培训驾驶资源短期内紧缺，导致对汽车模拟驾驶器的需求急剧上升。。我国自行研制的训练型主动式汽车驾驶模拟器技术已日趋成熟并进入商品化阶段；开发型汽车驾驶模拟器也有了长足发展，但与国际先进水平相比，仍有一定差距。总的来说，还存在技术含量低，汽车视景与操纵动作脱节、滞后，“沉浸感”、“交互性”与“实时性”不强，价格偏高的不足。到目前为止，还没有一种真正意义上的大众化的、容易普及的汽车驾驶模拟器产品。本文主要是对汽车模拟驾驶器的数据采集系统中的数据采集卡进行设计，由于市场上已有比较成熟的数据采集卡的模块，由于现阶段的能力有限，故本文重点在与对现阶段的知识整合，然后设计出造价低廉，实用的数据采集硬件系统和软件。

第二章汽车模拟驾驶的理念、相关模块介绍2.1基本原理驾驶模拟器一般有硬件和软件两大部分组成，以计算机成像的大型模拟器其硬件部分包括驾驶舱，计算机，投影仪，显示屏，运动液压部件系统等；软件包括道路环境的计算机实时动画生成、汽车行驶动态仿真、声音模拟、网络控制、操作平台等。其基本原理是在模拟汽车运动时，传感器采集驾驶员的操纵数据，通过接口电路对这些信号进行放大和滤波，并对其中的模拟信号进行A/D转换，最后单片机系统将控制信号通过RS-232接口传送给主控计算机。在仿真程序中，计算机根据控制信号、汽车的运动状态、驾驶操作规则等来控制视景系统、音响系统、仪表系统、评价系统。利用单片机系统驱动程序中相应的功能函数，可以将单片机系统采集的信号转换为控制汽车运动状态和位置的参数。当驾驶员进行模拟驾驶时，单片机系统采集的数据会根据驾驶员的驾驶操作实时地发生变化，从而实现对驾驶模拟器视景系统中汽车运动状态和位置的控制，控制系统的精度由仿真程序内部的算法保证。由主控计算机中的汽车模型软件计算出汽车的瞬时速度和姿态，在将汽车的实时数据不断的传送到图形计算机中，由图形计算机处理数据连续的生成道路视景图，再由投影仪将图像投射到驾驶舱前方的显示屏上。同时，由主控计算机控制运动液压系统，使驾驶舱产生一定的运动，并模拟声音，给驾驶员一个真实的驾车感。2.2相关模块介绍汽车模拟驾驶系统是一个有机的整体，整个系统由三个主要模块组成：从驾驶的模拟，采集当前的驾驶要素的状态，生成相应的车辆模型以及道路交通虚拟实景。各个模块形成一个整体。2.2.1模拟器模拟器由驾驶舱，计算机控制系统，声响系统和视景系统组成。其中驾驶舱采用一辆真车，在操纵系统上安装传感器。主计算机采用一台高档微机，用于信号处理，车辆模型计算，生成操作平台，网络控制等。视景系统包括图形处理计算机和投影仪,用于实现交通道路虚拟视实景图像；声响系统包括声响模拟计算机和声响设备，能够模拟汽车声音和交通噪声。声响模拟系统的模型如图2.1示：声响计算机声响数据库主控计算机声响计算机声响数据库主控计算机车辆模型控制平台图形计算机组虚拟图象功放音箱投影屏D/AA/D驾驶舱传感器投影仪组音箱驾驶舱操纵信号采集，信号处理是模拟器最重要的环节之一。系统所要采集的信号有：方向盘的转角油门踏板，制动踏板，离合踏板，手制动的位移等模拟信号，以及电门，左右转换灯，变速箱的各档位，启动灯开关系信号。其中模拟信号要通过调整电路整形和滤波处理，在经过A/D板进入计算机，而开关信号直接通过A/D板的I/O口进入计算机；另一方面，汽车模型计算得到的发动机转速，车速等参数通过D/A板口控制仪表盘如图2.2：整型和滤波电路整型和滤波电路A/DI/O方向盘转角油门踏板离合器踏板制动踏板手制动档位转向灯电门启动计算机汽车模型控制器发动机转速车速表图2.2驾驶舱电传感器系统2.2.2车辆模型车辆模型的计算是控制计算机的核心软件，车辆模型计算的结果是生成汽车模拟驾驶道路环境，汽车噪声的主要依据。考虑到模拟器能全面的反应出汽车的操纵状态汽车模拟器能全面的反映出汽车的操纵和运动状态，车辆模型的动力学模型：包括发动机的转动、离合器的工作过程、车辆的纵向位移，横向位移，车身的倾侧、横摆、四个车轮的转动、方向盘的转角等运动。此外，还应确定模拟车辆的发动机的扭矩特性、车轮的滑移特性和侧偏特性以保证模拟器在加速、制动和转向时的真实性、在模型计算中。采用了面向对象的方法，把与车辆相关的运动总成独立出来、建立运动子模型，其相互的关系如图2.3：制动踏板制动踏板制动系车轮悬架系车体传动系档位离合器踏板离合器油门踏板发动机方向盘转向系图2.3面对对象的车辆模型2.2.3道路交通虚拟实景虚拟实景是体现模拟器真实感最关键的部分，也是产生道路交通的唯一手段。实际上，出主车以外的交通环境，包括其他车辆和行人的模拟都是通过性能环境来实现的。但要把现实中道路交通场景如实的搬到实景中是比较困难的，也比较浪费资源，所以应根据需求选取少量景物。系统的虚拟实景应包括以下几个部分：（1）主车行驶的道路，包括弯道、坡道、桥梁等；（2）交通标志回和标线、即在道路上设置各种交通标线和标志牌；（3）视景包括道路两旁的隔离带实物(包括树木、建筑)，天空远景等。在上述的模块中在生产虚拟实景。生成虚拟实景的方法是应用计算机实体造型的方法根据道路景物一步步建造的。以上内容对汽车模拟驾驶系统有了一个比较简洁的介绍，下面就要对课题的主要内容，数据采集系统进行相关的介绍。

第三章数据采集基础知识3.1数据采集的相关元件在汽车模拟驾驶器之中，各种数据的采集，传输处理是对汽车模拟驾驶的关键。对驾驶模拟的实景生成，驾驶员的信息反馈等都需要实时的汽车各种数据在这些数据的采集。而在本课题中，我们的主要元件就包括传感器，A/D转换芯片等。下面就介绍有关数据采集的基础知识：3.1.1传感器1传感器的组成传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换成与之有确定对应关系的有用电信号输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。传感器一般有敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电路作为传感器的组成部分，如图3.1敏感元件信号调节转换电路敏感元件信号调节转换电路输出辅助电源传感元件图3.1传感器的组成部分传感元件2传感器的分类在测试中传感器的种类繁多。有的传感器可以测量多种参数，而有时候对于一个物理量可以用不同种类的传感器测量。因此对于传感器的分类有多种方法。传感器的常用分类方法可按被测非电量分类和按工作原理分类。（1）按输入非电量分类传感器的的输入非电量大致可以分为热工量、机械量、物性和成分量以及状态量四大类。其具体分类见表3.1：表3.1被测非电量的分类输入非电量测量参数热工量热量、温度、比热容、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、风速、物位、液位、界面机械量位移（角位移）、长度（尺寸、厚度、角度等）、力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、角速度、振动、加速度、噪声物性和成分量气体化学成分、液体化学成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、湿度、密度状态量颜色、透明度、颗粒度、硬度、磨损度、裂纹、缺陷、泄露、表面质量（2）按工作原理分类该种分类方法是以传感器的工作原理为依据如电阻式、电感式、回绕压电式等。值得提出的是:从表面看，被测量五花八门，但从本质看，有不少量是从最基本量派生出来的。若知道了基本量和派生量之间的关系，在选用传感器时将会带来很大方便。表3.2列出了仪器传感器的若干输入基本量和派生量的关系。表3.2传感器的若干基本量与派生量的关系基本量派生量线位移长度、厚度、位移、平面度、磨损、表面质量、应变量角位移角度、转角、入射角、角振动、角偏移等线速度速度、流速、动量、振动速度角速度角速率、旋转速率、角动量、扭矩、角冲击线、角加速度振动、加速度、力冲击、质量、角振动、扭矩、角冲击力重量、推力、拉力、张力、密度、应力、压力、高度、加速度温度热流量、气压、物体流量、气体速度等光长度、应变、力、力矩、频率计数等时间频率、计数、统计分布等有时还将传感器分为有源和无源传感器两大类。为了明确表示传感器的用途又反应其工作原理，还可以将用途和原理结合在一起称谓。如电感式加速度传感器、压电式加速度传感器等。现代测试技术的一个明显的特点是采用电测法，即电测非电量法。采用电测法首先是将输入物理量转化成电量，然后在进行必要的调节、转换和运算，最后以适当的形式输出。如一般系统中，对模拟汽车驾驶系统中的几个关键量：油门，方向盘，手刹，制动等非电量的测量，传输和处理。一个完整的测试系统图包括以下几部分（如图3.2）：传感器、信号变换与测量电量、显示器、记录仪、数据处理器和打印机等外围设备。显示器显示器记录器数据处理器打印机信号变换与测量电路传感器图3.2测试系统结构图3.1.2A/D转换器A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流转换为与其成正比的数字电路的芯片，也是数据采集（简称DAQ）核心硬件。就工作原理而言，A/D转换有3种方法：逐次逼近法A/D、双积分法A/D和并行比较法A/D。在DAQ产品中应用较多的方法是逐次逼近法,。衡量A/D转换器性能好坏主要有两个指标：一是采样分辨率，分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示，即A/D转换器位数，如果把数据采集设备的分辨率看作尺子上的刻线，尺子上的刻线越多，测量就越精确；同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模拟信号划分的就越细，可以检测到的信号变化量也就越小。通常A/D转换器的位数至少要比综合精度要求的分辨率要高一位，而与其他环节所能达到的精度相适应。二是A/D转换速度。用不同原理实现的转换器其转化速率是不一样的，计算机广泛采用逐次逼近式A/D转换器，为中速转换器，常用于工业多通道单片机测控系统。这二者都与A/D转换器的工作原理有关。A/D转换器是把输入模拟量转换为输出数字量的必须的器件，是DAQ硬件的核心。常用的A/D转换器有ADC0838,ADC0809等。3.1.3D/A转换器D/A转换器是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件。计算机是数字设备，其内部只能以数字形式存储、传递和处理，而外部被被控对象的控制系统和调整需要D/A转换器进行转换，是对外部被控对象调整的主要芯片。为把数字量转换成模拟量，在D/A转换芯片中要有解码网络。常用的主要为二进制电阻解码网络和T型电阻解码网络。转换过程是先将各位数码按其权的大小转换为相应的模拟分量，在以叠加的方法把各模拟分量相加，其和就是D/A转换的结果。根据D/A转换器的输出形式有电压和电流两种形式。在实际运用中，如需要电压模拟量，对于电流输出的D/A转换器，可以在其输出端加运算放大器，通过运算放大器构成电流-电压转换电路，将转换器的电流输出变为电压输出。同时，由于实现模拟量转换是需要一段时间的，在这段时间内D/A转换器输入端的数字量应保持稳定，为此应当在数模转换器数字输入端的前面设置锁存器，以提供数据所存功能。通常内部有锁存器的D/A转换器内部还包括地址译码电路，有时还有双重的数据或多重的数据缓冲电路。D/A转换器有DAC0831,DAC0832等。它们多是8位以上的D/A转换器。3.1.4单片机单片机就是把中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)、存储器(Memory)、定时器、I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路上的微型计算机。集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗；具有优异的性能价格比。单片机发展至今已在智能仪器仪表、机电一体化、实时过程控制、等领域中广泛应用。此外，它还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信、计算机外部设备、模糊控制等各领域中。它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。单片机一般有复位、程序执行、单步执行、掉电保护、低功耗以及程序编写及校验6种工作方式。图3.3为单片机的正常工作的基本条件：图3.3单片机的工作条件单片机在工作时要进行数据的传送，常用的单片机一般有40个引脚，对于不同的引脚组，有不同的功能。如图3.4所示是51系列单片机的引脚图：图3.451单片机的引脚图单片机40条引脚包括32条I/O接口、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。一、I/O接口引脚1、P0口（p0.0-p0.7），p0.0是最低位，有两种功能：（1）通用I/O接口：无片外存储器时，p0口可作通用I/O接口使用。（2）地址、数据口：在访问外部存储器时，分时提供ROM/RAM低8位地址，并用做B位双向数据总线，即访问片外扩展存储器时，先传送外部RAM/ROM低8位地址，再传送8位数据（读外部ROM数据或读/写外部RAM数据）。2、P1（P1.0~P1.7），其中P1.0是最低位，是一个内部带上拉电阻的8位准双向通用I/O接口，用于数据传送。3、P2口（P2.0~P2.7），其中P2.0是最低位，是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O接口，有两种功能：（1）通用I/O接口：无片外存储器时，P2口可作通用I/O接口使用。（2）地址口：在访问外部存储器时，传送ROM/RAM高8位地址。4、P3口（P3.0~P3.7），其中P3.0是最低位双向I/O接口，是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O借口，有两种功能：（1）第一功能：通用I/O接口。（2）第二种功能：用于串行口，中断源输入，计数器，片外RAM选用。二、特殊引脚其中有两条常用特殊的控制引脚：ALE它是地址锁存允许脉冲输入信号线。配合P0口引角的第二功能使用。EA/VPP：允许访问片外程序存储器/编程电源输入引脚，可以控制单片机使用片内还是片外ROM。三、时钟引脚单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，因脚XTAL1,XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。当使用内部振荡电路时，XTAL1,XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容。四，电源引脚单片机要进行正常的工作必需要引入外部电源才能工作。在单片机中，Vcc为单片机工作电源的输入引脚，接＋5V电源。Vss引脚（20号引脚）接地。3.2数据采集3.2.1数据采样过程数据采集是首先把连续的模拟信号x(t)经定时采样后，成为时间离散信号，再量化以后得到取值也离散化的数字信号，而使模拟量转换为数字量的过程。采样过程如图3.5所示。采样开关每个人每隔周期闭合一次，接通连续函数x(t)实现一次采样。假设每次采样的开关闭合时间是ε，则采样器输出的脉宽为ε，周期为的脉冲序列。该组脉冲序列的幅度被连续时间信号x(t)所调制，即每一脉冲信号的幅值等于该脉冲所在时刻相应的连续时间信号的幅度。称该信号为采样信号，记为X(t)可表示为：X(t)=x(t)·s(t)式中s(t)—周期为、脉冲宽度为ε、幅值为1的采样序列。s(t)及X(t)的图形如图3.6(a),3.6(b)所示。因为脉冲宽度ε远小于采样周期，故可认为ε→0，采用单位脉冲序列函数来描述。可表示为=式中（t-n）为t=n处的单位脉冲。图3.5采样开关及采样输入图3.6（a)采样脉冲因此采样信号为：X(t)=x(t)•θ(t)=x(t)∑θ（t–nTs）图3.6（b）采样函数、采样信号3.2.2量化采样是对模拟信号在时间轴上的离散化，而量化（如图3.7）则是把采样点的幅值在一组有限个离散电平中取其中之一来近似取代信号的实际电平。这些离散电平称之为量化电平。每个量化电平用一个二进制数码来表示，从而模拟信号经采样、量化之后，就转化为数字信号。图3.7数据量化3.3数据处理计算机能对数据进行更进一步的分析处理。用软件可以实现各种数据处理功能，如数字滤波函数拟合快速傅立叶变换以及各种屏谱功率谱和相关的分析。通过分析、变换和处理以获得测量数据所代表的物理过程的真实规律和本质特征。计算机测试系统随着应用目的的不同，具有不同的结构行式。但是从本质上看，其工作过程都可以归结为以下三步：（1）数据采集将与被测的参数对应的信号采入计算机。在采集的过程之中，包含计算机对数据采集过程的控制。（2）数据处理由计算机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数的对应的测量结果，或者形成相应的决策与判断。（3）数据输出将数据处理的结果送显示装置或有打印机输出。通过两个基本环节：一是采样，由连续的模拟信号变成离散的模拟信号；二是通过模∕数转换变为数字信号。这样连续的模拟信号就转换成计算机能处理的离散信号了。3.4被测参数分析在组建测量系统时，首先要对待测信号幅值和频域特性作一个初步的估计。当然，可以根据经验，参考前人对信号的相关研究。通常的机械装置，待测参量的量值和频域特性都可以大致估计。由于机械装置的惯性较大，大多数机械参量的频域都在10kHz以下的范围。有了上述的选择和估计，对传感器选型、信号调理模块的选择才有正确的依据。工业现场的有用信号一般都与干扰信号混杂在一起，例如：利用气体流量传感器测量管道的气体体积流量时，测量电路的温度稳定性极易受到环境温度、IC器件温漂、变送回路的共模干扰等因素的影响,干扰信号的数量级有时往往与有用信号处于同样的数量级。干扰因素会严重地影响信号的质量，影响测量的正确性。为了实现测量，抗干扰问题是一个必须解决的问题。当干扰无法完全消除时，应对待测信号及其环境干扰信号作客观准确的分析与估计。

第四章汽车驾驶模拟器数据采集特点分析4.1数据采集概念数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。随着科学技术的发展，高性能计算机的日益普及，越来越多的测量、试验工作应用计算机来协助完成，形成了现代的数据采集方法。现代数据采集装置是一种以计算机为基础的检测系统，它把从传感器或其他方式得到的各种信号经过处理后变成计算机能接收的数字信号，利用计算机进行存储、传输、显示、处理。数据采集系统是计算机硬件、软件结合的综合技术，是当代传感器技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术的综合应用。现在的数据采集系统不仅用来测量，多数情况还用于进行闭环控制，因此，通常都具有控制功能，故常称其为测量控制系统，它的应用是很广泛的。当今的数据采集是在测量过程中，无须人工进行数据记录或使用旧式的纸带、磁带记录仪记录数据，它能自动进行数据采集、分析和处理，并能自动记录和显示结果。现代科学实验和生产过程中的测量，要求测点多、精度高、速度快，结果处理多样化，这是人工无法应付的，只能靠自动测量系统来完成。在数据采集中我们把被测量看成是信号，随时间而变化的力、压力、温度、流量、位移、速度、加速度等，均属非电信号。而随时间变化的电流、电压、电感、电阻、电容、磁通量等，则属于电信号。这两类不同物理性质的信号可借助一定的转换装置相互变换。在电测过程中，是将被测的非电信号转换为电信号，以便于传输、放大、分析处理和显示记录等。随着计算机应用的普及，计算机技术在信号处理中已被广泛应用，计算机可直接处理的是数字化的电信号，因此，电信号在进入计算机之前还要把模拟信号转换成数字信号，通常称模/数转换（ADC）。静态量的数据很容易由人工读取，但动态量的测量数据随时间不断在变化，是无法用人工方法记录，数据的采集就是用其他方法进行记录，如声音、振动等以往是用磁带记录方式，几何形貌的测量可用纸带记录仪画曲线作纪录。这些记录还是采用模拟量的记录方式。现在计算机运算速度已非常高，储存功能也很强大，动态量的数据采集都可以借助计算机来实现。所以，我们当今所说的实验数据采集通常便是指计算机辅助的数据采集，它使得瞬变信号的实时记录、分析变得越来越容易了。4.2汽车驾驶模拟器数据采集系统的功能及特点4.2.1汽车驾驶模拟器数据采集系统的功能一般汽车驾驶模拟器数据采集系统具有下列功能：（l）自动测量对于通用测量，程序运行后，操作人员只要按键盘上所规定的功能键、数据采集器就能按预先编制的程序自动测量。对于特定的测量，操作人员可以临时编制程序，按新的程序工作。（2）多选择功能可按要求选择测量项目、信号通道、信号增益、采样率、测量范围和处理方法等。（3）自动校正可进行自动调零，按预先给定的标准进行自校，消除温度、噪声及干扰等因素，把系统误差存储起来，便于以后从测试结果中修正，提高测试精度。（4）数据记录和处理能自动记录和显示测试数据，把测量的数据进行分类处理、数学运算、误差修正、工程单位转换、判断结果的正确性等。（5）自动控制和故障报警对被测对象进行实时控制和分时控制。能进行自身的故障诊断，有故障则报警。（6）外部通讯一般计算机的外设，如打印机、显示器、绘图机等，可通过标准接口与系统进行通讯，通过标准接口，还能与另外的数据采集和控制系统进行联网通信。4.2.2汽车驾驶模拟器数据采集系统的特点随着计算机、传感技术日新月异的发展以及高速度、高精度A/D转换器的涌现，检测领域已走上一个崭新新时代。利用计算机来辅助测量，使数据采集、处理及控制融为一体，具有许多优异的特点：使测量自动化、提高测量精度、功能更强大且可多路测量；速度高、成本低；提高了系统的可靠性、技术更新容易。4.3汽车驾驶模拟器数据采集系统的构成汽车驾驶模拟器数据采集系统种类很多，但其基本构成是相似的。如图4.1所示为一个典型的汽车驾驶模拟器数据采集系统。由图可见，计算机通过标准接口与本身的外部设备连接，如打印机、显示器等。再通过测控接口与模拟或数字输入通道、模拟或数字控制通道、智能仪器仪表等连接起来。所以接口和总线是数据采集系统的重要组成部分。本系统带有D/A转换及模拟信号输出，因此具有控制功能。图4.1中，被测信号由传感器转换成相应的电信号，再通过信号调节。不同被测信号所用传感器是不同的。例如，若第1路被测信号是温度，其传感器可以是热电偶；第2路是力，传感器可以是应变式力传感器等。传感器输出的信号不能直接送到输出设备进行显示或记录，需要进一步处理。信号的处理由两部分完成，即模拟信号处理和数字信号处理。在以单片机为核心的数据采集系统中模数转换是很关键环节，A/D换器以前的全部信号都是模拟信号，在此以后的全部信号都是数字信号。数字信号的处理由计算机承担。此外，有些数字信号可以直接送入计算机接口。当然，为了恢复原始信号波形或反馈控制的需要，还可以将数字量再转换为模拟量。图4.1汽车驾驶模拟器数据采集与控制系统的构成第五章数据采集系统设计要点分析5.1系统的工作原理传感器和接口电路汽车驾驶过程的基本操纵部件是方向盘、油门、离合器、刹车和档位，另外还有点火开关、转向指示灯等辅助性操纵部件。与实车驾驶相同，这些操纵部件的协同工作可以对虚拟视景中的汽车模型进行控制，驾驶训练者与视景的变化是实时的、交互的。驾驶训练者对操纵部件的操作通过传感器被系统感知后，系统经过处理和运算得到汽车模型的控制参数，最后根据这些参数控制视景系统的渲染输出，驾驶训练者就在虚拟视景中实时地观察到所驾驶车辆的运行情况。系统的工作流程如图5.1所示。传感器和接口电路视景输出主控计算机单片机系统方向盘视景输出主控计算机单片机系统方向盘油门油门离合器离合器刹车刹车档位档位辅助部件辅助部件图5.1系统的工作流程传感器将被测信号的物理量转换成电信号、经过信号调节（滤波）、抑制干扰噪声信号的高频分量，经过采样器，将信号的采样值转化为数字信号，再通过接口电路将数据送到单片机中进行处理。在整个操作系统中，我们需要进行的数据采集的过程：（1）系统输入数据，包括驾驶员信息、车辆数据、道路数据和交通数据；（2）系统采集数据，包括驾驶操作数据，如转向、离合器、油门、制动、换挡等操作以及汽车的运行状态数据如车速、启停时间；（3）系统输出数据，包括驾驶操作数据统计分析报表。对于操作系统的各个过程，我们在下图5.2可以看出数据采集系统的数据采集流程。对此，选择本设计的部分模块进行设计。图5.2驶操作信息采集处理数据流图5.2驾驶操作与车辆运行状态信息采集系统硬件汽车驾驶操作信息主要包括踏油门、制动、换挡、踏离合器、转向等动作以及车辆运行状态信息（主要包括车速信息）。根据上述驾驶操作信息采集要求，设计的车载驾驶操作信息采集系统的组成如图5.3所示。本系统的驾驶操作系统设计时直接从各个操纵机构安装的传感器接出信号，并通过数据采集卡进行A/D转换后，采集到计算机中从而得到数据。为检测离合器制动和换挡的操作信息在离合器踏板制动踏板表面安装位移传感器，在换挡手柄上安装了开关传感器。这些传感器信号经过放大电路以及转换后采集到计算机中。图5.3信息采集系统的组成5.3模数转换接口的硬件实现首先由传感器采集被测信息，并将其转化为模拟量形式的电信号。然后由信号调整电路对信号进行幅值的线性变换性变换，使该信号的幅值转换到A/D芯片允许的输人范围之内，并且转换后信号的最大值与最小值之差应尽可能大，以获得最高的模数转换精度。调整后的信号送入A/D芯片，完成从模拟量到数字量的转化。模拟量的转换主要用到A/D转换芯片进行，ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，分辨率为8位,片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，精度为0.01。在本系统中,由于我们采集的模拟量电压范围为0-5V,而对于数据采集的速度也要求不是很高,精度也能达到技术要求.而且经济实惠。A/D转换芯片在采集到模拟量后,应与单片机进行数据传输.电路连接主要涉及两个问题：（1）八路模拟信号通道选择：A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入AT89C51中的地址锁存器就实现了模拟通道选择；（2）A/D转换完成后转换数据的传送：A／D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传送给单片机进行处理。5.4通讯电路该系统没有设计数据的显示系统，所以把采集到的数据发送到上位PC机上，与PC进行通讯。因为单片机与PC机的电平是不一样的，因此两者要进行数据交换，必须采用相应的电平转换电路。用得最多的就是RS232通讯方式，采用MAX232芯片即可完成.同时单片机是在整个系统的核心，主要完成计算机送来的命令选择工作方式、系统初始化和在主程序中完成对A/D采样器和串行接口的控制。本系统采用AT89C51单片机。5.5软件系统的设计汽车驾驶模拟器单片机软件系统需要完成模拟量和开关量的采集和处理、串行数据的发送与接收、控制信号的输出与显示、故障的监控与保护等功能。软件采用模块化设计思想，通过汇编语言编制而成，主要由主程序、定时器中断服务程序、串行口中断服务程序、数据采集和处理程序、信号的输出与显示程序等几部分构成。NN端口初始化设置定时器中断设置串行口中断等待中断中断方式看门狗程序返回接收定时器中断串行口中断信号输出显示数据采集处理开始Y图5.4软件系统的程序流程图主程序主要完成系统的初始化工作；定时器中断服务程序主要完成看门狗功能，在单片机发生异常情况时，能使程序及时复位，保证单片机系统能够正常工作；串行口中断服务程序主要实现单片机与主控计算机之间的通讯；数据采集和处理程序主要完成模拟量和开关量的采集，获取驾驶员的操控数据；信号的输出与显示程序将主控计算机的控制信息传送给单片机，用于控制指示灯和仪表的显示输出。图5.4为汽车驾驶模拟器单片机软件系统的程序流程图。

第六章数据采集系统设计6.1硬件分析1.传感器汽车驾驶模拟器主要的控制信号如表1所示：表6.1汽车驾驶模拟器的主要控制信号名称模拟/开关量传感器点火1个开关量开关传感器转向1路模拟量角度传感器离合器1路模拟量位移传感器制动1路模拟量位移传感器手刹1个开关量开关传感器换档6个开关量开关传感器油门1路模拟量位移传感器汽车驾驶模拟器主要有方向盘、离合器、制动器、油门、6个挡位、手刹等信号需要采集，使用的传感器包括开关传感器、位移传感器、角位移传感器三类。方向盘采用角位移传感器；离合器、刹车、油门采用位移传感器；点火、手刹、换档等采用开关传感器。根据实际的要求，本系统在设计中只对方向盘转弯量进行采集和处理。其中采集方向盘的转弯量的传感器为QXJ-BZ-V型角位移传感器的，其分辨率为0.01。2主要硬件选择汽车驾驶模拟器传感控制系统需要完成开关量和模拟量的采集与处理，指示灯与仪表的显示控制，以及与主控计算机之间进行数据传输等功能。根据以上要求，主控芯AT89C51片已经可以满足本系统程序设计的需要，因此不需要进行外部程序存储器和数据存储器的扩展。由于本系统中需要处理的开关量和模拟量较多，因此选用A/D转换芯片对输入输出接口进行了扩展。将AT89C51的P0口作为模拟量的输入，A/D转换芯片选用ADC0809,片选信号由高位地址线P2.0口提供。A/D转换通过74H573N地址锁存器进行地址锁存，AT89C51的特殊引脚通过HD74LS00逻辑元件控制。另外，AT89C51还提供了一个具有多级通讯功能的全双工串行接口，可以用作与主控计算机之间进行通讯。由于RS-232串行通信端口是PC机的标准接口，而且RS-232用作双向数据通信时接线十分简洁，因此选用RS-232作为通讯接口。但是，RS-232的输出信号不但有正电压，还有负电压，所以选用半导体公司的RS-232接口芯片MAX232实现信号转换。通过以上对系统的功能研究以及对元件功能的研究，同时考虑到元件和芯片的可行性以及成本，选定以下的芯片和元件作为本系统的硬件进行开发，见表6.2：表6.2芯片列表芯片名称芯片功能AT89C51主控芯片ADC0809模数转换HD74LS00P逻辑控制74HC573N地址锁存MAX232串行通讯在对模拟驾驶器中数据采集系统的作用进行分析。数据采集系统在对安装在模拟驾驶器各个操控部件上的传感器采集的各种信号进行采集，然后在ADC0809(A/D转换器）把模拟量转换为单片机能接收和处理的数字量，再通过接口芯片MAX232将信号传输到计算机当中进行分析和处理，并根据分析结果控制声响设备产生虚拟的驾驶实景。并对系统进行反馈。数据采集过程中，在上位机命令下，数据采集系统将当前检测结果传送给上位机并根据上位机下传的各种输出信号执行相应输出操作及开始下一次检测，检测结果暂存于数据采集系统的数据存储器中，等待上位机的下一次数据传送指令。两次数据采集时间间隔为50ms，保证在计算机实时图形生成系统每秒生成20帧图形情况下，每帧图形生成时均使用最新检测数据。系统中数据及指令的传送通过232通讯接口进行。而本系统的设计，根据实际需要，只对该系统中的下位机进行硬件和软件的设计，然后在上位机进行通讯。在本系统的通讯之中，也只对设计对象选取转弯部分的数据采集进行研究。6.2硬件电路设计6.2.1单片机的基本电路1、电源电路在本系统中，对于所有的芯片电源都不设计单独的扩展电源，有统一的电源总线引入电源。，对该系统设计了一系列电源电路，下面以AT89C51的电源电路为例进行说明。(1)转换由于AT89C51的一般编程电压在+12V，而其在掉电情况下的VCC的电压也在+2V，故在2~12V的电压下，我们要把220V的交流电转换到这个区间。选用+5V的电源。(2)滤波几乎所有的数据采集系统都会不同程度的受到来自电源线或机械设备的干扰，因此大多数信号调理电路包含低通滤波器，最大限度的剔除设备的干扰。交流信号（如振动）则往往需要防混淆滤波器，防混淆滤波器是一种低通滤波器，具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于采集板输入信号带宽的信号全部剔除；若不除去，这些信号将会错误的显示为数据采集系统输入带宽内的信号。为了滤除更多的杂波，而使电源处信号的影响低，我们对电源电路进行了设计，即在VDD1与VSS1,VDD2与VSS2分别接两个滤波电容，容量分别为0.1uF和0.01uF。对I/O驱动供电端供电电路时，由于它有较大的电量吞吐量，尤其是I/O驱动供电端工作时往往需要很大的吞吐电流，所以我们在连接去藕电容的同时，再并联上一个大容量的电容，用来保证供电端电流的平稳，选用330uF。同样，这些电容也一定要尽量靠近AT89C51的对应引脚处。具体的电路如下图6.1:图6.1AT89C51的电源电路2、复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H开始执行。除了进入系统的正常初始花外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。例如把ALE和PSEN信号变为无效状，即ALE=0，PSEN=1。在单片机应用系统中，除了单片机自身需要复位之外，外部扩展I/O接口电路等也需要复位。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。而按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中按键电平复位是通过使复位端电阻与VCC电源接通而实现的。而在此系统中，我们也是采用这种复位方式，其电路如图6.2：图6.2AT89C51的复位电路3.振荡电路AT89C51内含片内振荡器和时钟电路。因此，仅需在18、19脚之间接一个石英振荡器，并各接一个电容接地。如图6.3示，常用的石英振荡器有3.58MHz,6MHz、11.0592MHz、12MHz等，在本系统之中，我们选择11.0592MHz石英振荡器。电容以图6.3AT89C51的时钟电路20P-30P比较合适，选用20PF。在完成了对单片机的基本电路的设计后，我们从本系统的下位机的功能方面对整体的电路进行设计。6.2.2A/D转换在整个下位机中，对与传感器的模拟信号进行接受后由ADC0809进行信号的模数转换，然后将数字信号传递给单片机，由单片机与PC机进行通讯，完成信号处理和传递。待上位机处理信号完毕之后，再与下位机进行通讯，将处理的结果或错误的信息由DAC0832进行传输到外接设备。就完成了驾驶信号的采集。在对传感器模拟信号的采集过程中，要用ADC0809对模拟信号进行模数转换，在这里选ADC0809的D0~D3为数据输出线，经过74HC573N地址锁存器后，与单片机进行数据通讯。其中单片机（AT89C51）的P0口作为数据输入口与74HC573N的数据输出端口直接相连。AD转换的过程之中要涉及到AD芯片的工作频率和AT89C51的振荡电路的频率，由于ADC0809的工作频率一般在500MHZ，而AT89C51的工作频率一般在，故在不选用分频器的情况下，选择晶振时既要满足单片机能正常工作，而AD转换器又不超频，故选用11.0592MHZ的晶振。图6.4单片机与A/D转换芯片的连接原理图其中，ADC0809模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以作写选通信号。内部的三态缓冲器由OE控制,当OE为高电平时,三态缓冲器打开,将转换结果送出；当OE为低电平时，三态缓冲器处于阻断状态，内部数据对外部的数据总线没有影响实际应用中。如果转换结束，要读取转换结果，则只要在OE引脚上加一个正脉冲，ADC0809就会将转换结果送到数据总线上。START为“启动脉冲”输入线，上升沿清零，下降沿启动ADC0809工作。EOC为转换结束输出线，该线高电平表示AD转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。D0-D7为数字量输出线，D7为最高位。把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换具体见原理图6.4。6.2.3串行通讯电路通讯即是不同的设备通过线路互相交换数据，其主要目的在于将数据从某端传送到另一端，实现数据的交换。在单片机对AD芯片的转换信号进行处理后，要与上位机进行通讯。在这里选择半导体公司的RS-232接口芯片MAX232作为串行通讯芯片。RS-232接口连接器一般使用型号为DB-9的9芯插头座,只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”即可传输数据。对于MAX232的外围连接一般是这样：MAX232是一个可以支持两路串口驱动的芯片。本系统中只用一组即可。将T1IN，R1OUT接到AT89C51的RXD，TXD上，将另外的与之对应的两项接到DB9头上的2，3两脚，再将DB9的5脚接到电路板的地。然后用3条线将DB9头的2，3，5脚分别对应地与PC的串口的3，2，5脚相连。也就是将MCU的DB9的2连到PC的3上；MCU的DB9的3连到PC的2上；MCU的DB9的5连到PC的5上。就可以实现数据的串行通讯了.具体电路如下图6.5：图6.5串行通信电具体电路图见附录一。6.