方向盤轉向角傳感器的數據采集系統設計

摘 要：通過對方向盤轉向角傳感器的分析，設計了轉向角傳感器的數據采集系統，并且設計了相應的外圍輔助電路，通過ARM讀取傳感器中的數據，對方向盤轉向角，方向盤轉向角速度以及轉動方向這三個參數進行數據采集。這些參數為汽車自適應前照燈控制，以及助力轉向系統提供了方向盤轉向角相關信息，為了便于對采集到的數據進行分析，方向盤轉向角傳感器采集到的數據通過串口送到上位機上，并且利用Matlab對采集的數據進行分析處理。

關鍵詞：方向盤轉向角傳感器; 數據采集; ARM; Matlab

中圖分類號：

TN919-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

-0116

-03

Data Acquisition System of Steering Wheel Angle Sensor

HE Run-dong1， PAN Sheng-hui1， HAN Jun-feng2， MENG De-liang1

(1. Department of Electronic Information and Control Engineering， Guangxi University of Technology， Liuzhou 545006， China;

2. Department of Electrical Engineering， Guangxi College of Vocational and Technical， Nanning 530007， China)

Abstract： Through the analysis of steering wheel angle sensor， data acquisition system of steering angle sensor and the corresponding external auxiliary circuit were designed. Through reading the data from sensor with ARM， the data acquisition was performed with parameters of steering wheel， steering wheel angular velocity and rotation direction. These parameters provided related information of steering wheel angle for the control of automotive adaptive headlamps and the power steering system. In order to analyze the collected data， the data of steering wheel angle sensor was sent to the host computer through the serial port， and the collected data were processed through Matlab.

Keywords： steering wheel angle sensor; data acquisition; ARM; Matlab

自適應前照明系統(AFS)，是一種能適應各種不同環境條件的智能前照燈系統［1-2］，獲得汽車在轉彎處的參數，如：轉向角，角速度以及轉向，是汽車前向燈自適應控制的前提條件 ［3］。為了獲得這些參數，采用了方向盤轉向角傳感器，它能測試出方向盤的轉向角，轉向角速度以及轉向三個參數，這幾個參數在一定程度上能反映汽車在轉彎處的行駛狀態，準確地獲取這些參數具有重要意義。因而設計了基于ARM的數據采集系統。在這個采集系統中方向盤轉向角傳感器采集到的數據通過CAN總線傳送到ARM中，并對其進行相應數據處理。

1 方向盤轉向角傳感器數據采集系統的結構框圖

方向盤轉向角傳感器數據采集系統包括轉向角傳感器，CAN總線和ARM 微控制器三個部分。方向盤轉向角傳感器是通過CAN總線的方式傳送采集到的信號，控制器采用的是ARM微處理器［4］，系統具體的結構框圖如圖1所示。

圖1 AFS數據采集系統的結構框圖

2 系統的硬件設計

2.1 ARM簡介

ARM是指精簡指令集的微處理器，具有高性能、廉價、耗能低的特點，在各個領域得到了廣泛的應用。該系統采用的是ARM7系列的LPC2119微控制器，LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有128 KB嵌入的高速FLASH存儲器。指令支持32位的ARM模式與16位的Thumb模式。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼的ARM方式能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小，LPC2119非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷使它們特別適用于汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器以及其他各種類型的應用。

2.2 方向盤轉向角傳感器介紹

方向盤轉向角傳感器前期安裝在轉向盤軸上，轉向軸帶動編碼盤的轉動，在發光二極管照射下，形成或明或暗的圖案，通過感光元件轉換成相應的電信號，經過整形濾波后得到一系列的脈沖信號，通過單片機轉換為相對應的數字信號，并通過CAN控制器發送出去，能提供方向盤轉向角的絕對位置。工作電壓是12 V，數據是通過CAN發送出去的，輸出信號為方向盤轉角，方向盤的轉動方向以及方向盤轉的轉動角速度。

2.3 控制器的電源電路與CAN收發器電路的設計

數據采集系統的硬件設計包括電源的設計，轉向角傳感器需要12 V電源供電，這部分由電源直接提供，LPC2119的控制器需要的5 V電源通過7805穩壓芯片把12 V轉化為5 V，7805穩壓芯片能夠把12 V的電壓變為5 V，電容C1，C2，C3起到濾波的作用。具體電路如圖2所示。

圖2 7805硬件接線圖

由于LPC2219集成了CAN控制器，在此基礎上還必須接上一個CAN的收發器［5-6］，才能正常的收發數據，它實現的是一個電平轉換與信號差分傳送的轉換的功能。收發器采用的是PCA82C250控制器，具有差分的形式傳送數據，寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾強等特點。具體電路如圖3所示。

圖3 PCA82C250控制器的硬件接線圖

3 系統的軟件設計及調試

系統的軟件設計包括對轉向角傳感器接收程序的設計，即CAN總線的接收程序的設計（轉向角傳感器是通過CAN接口把數據傳送出來的），以及在上位機上利用Matlab對接收來的數據進行處理的相關程序設計。

3.1 CAN總線的接收程序設計

CAN總線是目前在汽車上應用得最廣泛的現場總線之一，是目前發展比較成熟的總線［7-8］。在各個領域已經得到了廣泛的應用，特別是在汽車領域，它能夠實現點到點以及一點到多點的通信，能夠實現系統數據的共享。轉向角傳感器數據輸出接口為CAN接口。LPC2219控制器中具有CAN的控制器，在這個系統中CAN的程序設計包括：CAN的初始化程序設計，CAN接收程序的設計［9］。CAN接收方式有查詢式接收和中斷式接收，查詢式接收方式總是不停地查詢接收標志位，對控制器來說這是種浪費，中斷式接收方式是當接收到數據時，控制器進行中斷，沒有接收數據的時候ARM可以執行其他的任務，該系統采用的是中斷式接收方式。具體流程圖如圖4所示。

圖4 CAN接收程序流程圖

ARM微控制器接收到的數據通過串口來顯示，并將其保存在txt的文檔里，便于在Matlab中處理。具體部分數據如下所示：

CAN:00

FIF:08

FID:00000236

Dat:11521028AC0F3EAB

CAN:00

FIF:08

FID:00000236

Dat:11521014BC0F3E0E

接收到的信息包括：其中CAN:00表示接收的CAN通道為CAN控制器1；FIF:08表示接收的是具有8個字節的數據擴展幀；FID表示幀的ID號；Dat表示接收到的數據，如果是遠程幀的話，則為0。

3.2 在上位機上對方向盤轉向角傳感器接收的數據進行處理

ARM通過CAN總線把從轉向角傳感器接收的數據通過串口送到上位機上，并且以txt的格式存儲在上位機上，由于Matlab具有強大的數據處理及可視化功能，所以在上位機上利用Matlab對接收來的數據進行處理［10］。由于方向盤轉向角傳感器的數據是通過CAN總線以幀的形式進行發送的，是一串十六進制數字，分別代表的是轉向角傳感器采集到的方向盤轉角，轉角方向以及角速度，在實際應用中需要對這些數據進行分割，從中提取出方向盤的轉角，轉角方向以及角速度。其相應的轉向角方向以及轉向角顯示結果如圖5所示。

圖5 方向盤轉向角傳感器轉角的轉角及方向

圖5中橫坐標N是采集的數據量，取了4 000個數據點。以采集第一個數據的時間為0時刻，以后每個數據點之間的時間間隔是10.3 ms，由于數據點比較多，橫坐標只取了具有代表性的數據點。圖中縱坐標分別代表的是方向盤轉向角傳感器轉角的方向和大小，用藍色的點表示轉角的大小(采用弧度制)，紅色的曲線表示轉角的方向。方向盤轉向角的方向，順時針方向用1來表示，逆時針方向用0來表示，在Matlab中通過繪圖的方式把這些數據形象的顯示出來。

4 結 論

本文通過對轉向角傳感器數據采集系統的設計，采集到了方向盤轉向角傳感器的轉向角，轉向角速度和方向三個參數，并對采集到的數據進行了相應處理。經分析表明，方向盤轉向角傳感器的數據采集系統設計是有效的、可行的，能為汽車前向燈自適應控制提供準確的方向盤轉向角相關參數信息。

參 考 文 獻

［1］于曉良.汽車自適應照明控制系統的研究［D］.大連:大連理工大學，2009.

［2］錢向明.車用自適應前照燈系統設計與研究［J］.機電工程，2010(7)：105-106.

［3］方英蘭，朱向冰.自適應前照燈的功能及實現［J］.中國照明電器，2010(7):14-15.

［4］周立功.ARM微控制器基礎與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［5］張堯.基于CAN總線的汽車車燈控制系統的研究與設計［D］.大連:大連交通大學，2009.

［6］吳立松.CAN總線智能節點設計［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2009.

［7］余新良.CAN總線在工業用嵌入式控制系統中的應用研究［D］.廈門:廈門大學，2008.

［8］王金寧.基于CAN總線的嵌入式數據采集系統設計［D］.北京：北京化工大學，2009.

［9］羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統原理設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［10］劉保柱，蘇彥華，張宏.Matlab 7.0從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2010.