基于IMEMS傳感器的汽車行駛姿態檢測系統設計*

鄧建鋒，韓峻峰，潘盛輝，董勝利，楊 敘

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林541004;2.廣西機電職業技術學院，廣西南寧530007;3廣西工學院電子信息與控制工程系，廣西柳州545006)

0 引言

近年來，國外各大汽車廠商都研發出了各自的汽車安全控制系統，并在高檔車上成為標準配置，具有明顯的安全效果。而國內目前發展還比較滯后，沒有具備自主產權的產品問世，大多停留在理論仿真階段。這些安全控制系統大多是針對汽車行駛姿態的關鍵參數進行控制，所以，參數獲取的準確性和實時性就決定了控制的效果和算法的復雜度［1］。

目前，汽車行駛姿態參數一般是通過陀螺儀進行采集，但陀螺儀的機械結構容易產生系統誤差并很難消除［2］。也有通過多個加速度傳感器捷聯解算出汽車的姿態參數，這樣存在系統復雜、成本高的缺點［3］。本文采用一種IMEMS慣性傳感器來采集汽行駛姿態參數，它集成度高，結構簡單，可降低系統設計的復雜性。

1 系統構成與工作原理

圖1所示為美國汽車工程師協會(society of automotive engineers，SAE)描述的車身運動標準坐標系，汽車上的各種運動是以一個右手正交坐標系為參照定義的，坐標系的原點位于汽車的質心，并隨汽車一起運動。按照SAE的約定，車輛坐標系的x軸平行于地面指向車輛的前進方向，并位于汽車的縱向對稱面內;y軸平行于地面并指向車輛的右側;z軸垂直于地面指向車輛的下方。在車輛坐標系中定義了車身運動的六個自由度(包括3個平動和3個轉動)，并規定了運動變量的符號(包括位移、速度、角位移和角速度)［4，5］，這6個數據是汽車行駛的集中體現，也是汽車安全控制系統所需的重要參數。

圖1 SAE車輛坐標系Fig 1 SAE vehicle coordinate system

圖2是汽車行駛姿態檢測系統的結構框圖，采用IMEMS慣性傳感器采集汽車的運動姿態參數，將輸出的SPI格式數據輸入帶有USB控制器的CY7C68013單片機，再通過USB數據總線將數據傳至PC上位機，最后利用虛擬儀器強大的數據處理功能對數據進行分析，為后續的安全控制策略研究提供數據依據。

圖2 系統結構框圖Fig 2 Structure block diagram of system

2 系統硬件設計

2.1 硬件選型

MEMS慣性傳感器選用的是 Analog Device公司的ADIS16355三軸慣性傳感器，其內置一個±300°/s動態范圍內的三軸陀螺儀和一個±10 gn的三軸加速度計。帶寬達350 Hz，最高達819.2SPS的可配置采樣率，內部集成溫度傳感器，每個傳感器都有動態補償公式，可在－40～+85℃的溫度范圍內提供精確的傳感器測量。標準SPI格式輸出，不需要額外的測試和校準，就可提供精確的數據。

USB微控制器選擇的是 CYPRESS公司的CY7C68103A，其內部集成USB2.0收發器、智能串行接口(SIE)和增強型8051微處理器。它是EZ—USB FX2系列的一個低功耗版本，數據傳輸速率達到53 MB以上，在相同外部晶振作用下，平均處理速度是標準8051單片機的2.5倍，能較好地滿足汽車行駛姿態檢測的速度需求。

2.2 電路設計

慣性傳感器ADIS16355是以標準SPI格式數據輸出，CY7C68013A沒有SPI接口，所以，采用PB口4條通用IO作為數據聯絡線，具體連接入圖3所示，通過軟件編程來實現SPI時序，進行數據的傳輸和控制。

3 系統軟件設計

圖4為USB設備數據采集程序和LabVIEW主機程序之間進行數據通信的數據流圖，USB主機與USB設備進行雙向數據傳輸時都要依次經過以上各個環節，缺一不可。

圖3 傳感器連接圖Fig 3 Diagram of sensor connection

下面對各個環節的具體設計方法進行介紹［6］。

圖4 USB設備主機數據流圖Fig 4 Data flow of USB device and host

3.1 數據采集程序設計

ADIS16355慣性傳感器的所有輸出和用戶編程功能都是通過寄存器結構實現的，每一個寄存器都是16位且具有唯一的地址。如圖5所示，每一個數據幀需要16個時鐘，而一個完整的數據讀寫周期需要2個數據幀。CY7C68013A單片機沒有SPI接口，需要通過通用I/O口模擬實現，用循環指令使作為時鐘的I/O口可在每一個時鐘變為低電平后向傳感器寫入一位，在每一個時鐘變為高電平之后從傳感器讀入一位。這樣，經過兩個時鐘周期，數據即可完整的讀入CY7C68103A單片機內，然后將數據存至其內部USB控制器的端點0即可。

將數據采集程序作為自定義請求的處理函數，當對應的請求號通過主機發送至USB設備時，USB設備將完成數據的采集并發送至主機。

圖5 SPI時序圖Fig 5 SPI timing chart

3.2 USB 固件程序

USB固件是USB設備的核心，主要完成USB協議的處理、與主機進行數據通信、USB設備的識別、設備請求等功能。

方案采用在CYPRESS公司提供的固件架構的基礎上進行設計，主要完成自定義請求號和自定義請求處理函數的設計，自定義請求號是一個自定義的16位16進制數字，不能和USB標準設備請求重復;自定義請求處理函數是USB設備各種功能實現的實體，包括數據采集程序。

3.3 USB驅動程序設計

在Windows操作環境下，一般不能直接對硬件接口進行操作，而必須采用驅動程序作為橋梁。傳統使用Microsoft的DDK開發驅動程序比較復雜，對于電子設計工程師來說周期長、難度大;WinDriver和DriverStdio簡化了驅動程序的開發，但仍有相當大的難度。

NI-VISA是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應用程序接口(API)，它不受平臺、總線和環境的限制，用它來設計USB驅動程序可降低開發難度并且通用性好。通過VISA提供的Driver Development Wizard進行配置可定制自己設計的USB設備的驅動，在定制的過程中需要知道USB控制器的供應商ID和產品ID，當自制USB設備被計算機探測到時，選擇 Driver Development Wizard生成的INF文件，即完成了設備驅動的安裝。這樣就可以在LabVIEW開發環境中查看自制的USB設備，并進行操作。

3.4 主機LabVIEW程序

采用LabVIEW開發USB主機程序，可采用控制傳輸方式進行。通過調用LabVIEW提供的“VISA USB控制輸入”和“VISA USB控制輸出”2個函數就可以進行USB設備的讀寫。

整個應用程序采用生產者/消費者設計模式結構，生產者循環(USB讀取控制)負責數據的采集，保證高的采樣速率，利用隊列消息結構將數據傳遞給3個消費者，即顯示、分析和存儲3個功能線程，隊列保證了數據的完整性。

LabVIEW提供了調用外部DLL的功能，在程序設計的過程中，一些LabVIEW不容易操作或實現的模塊，在VC++6.0中以DLL的方式進行了封裝然后供LabVIEW調用。

4 系統測試過程與數據分析

系統測試是將傳檢測系統的傳感器固定在汽車的質心處，通過USB總線連接置手提電腦進行的。分為靜態和動態2個過程，靜態即汽車怠速過程(發動機空轉);動態是在一段水泥路面的道路上進行加速、減速等多種在汽車行駛過程中常見的工況進行測試。由于采集的數據成分比較多，但又是同一個傳感器輸出的數據，所以，數據的特點具有一致性，以下就選擇側傾角速度數據進行介紹。

怠速過程的側傾角速度一共采集了6組，每組10 000個點，其均值方差如表1所示;動態過程是15 min的一段路況數據，采集了兩組側傾角速度，如表2所示。

表1 怠速過程均值方差Tab 1 Mean-variance of idle process

表2 行駛過程均值方差Tab 2 Mean-variance of moving process

圖6 側傾角速度自相關函數Fig 6 Autocorrelation function of roll angular velocity

由以上給出的數據可以得出:汽車在怠速狀態下采集到的6組側傾角速度均值和方差都比較一致，并且其自相函數分布和在0點的值的特點基本符合白噪聲的規律，如圖6。本系統采用卡爾曼濾波器對這一噪聲進行濾除，圖7和圖8為汽車動態過程中采集到的一組數據，并對濾波前后的數據進行了對比，從中可以看出濾波效果明顯，數據更加準確可信。

圖7 側傾角速度濾波前數據Fig 7 Roll angular velocity data before filtering

圖8 側傾角速度濾波后數據Fig 8 Roll angular velocity after filtering

5 結束語

系統利用IMEMS傳感器技術、USB串行總線技術、虛擬儀器技術等搭建了一種汽車行駛姿態檢測系統，充分利用了USB高速數據傳輸性和虛擬儀器強大數據處理功能，不僅能夠準確、實時地獲取參數，也可以在PC機上進行顯示和保存。實驗證明:設計的檢測系統獲取的數據基本達到預期目標，能夠為汽車安全控制系統設計提供一定的依據，并且具有運行穩定，實時性高和擴展性好的特點，具有很好的參考價值。

［1］陸 丹.基于卡爾曼濾波的汽車行駛姿態的研究［D］.鎮江:江蘇大學，2005:1－3.

［2］劉 軍，何國國，岳興連，等.基于IMEMS傳感器的汽車運動姿態測量系統研究［J］.傳感器與微系統，2009，28(11):12－15.

［3］吳黎明，張力鍇，李怡凡.基于ANN和單個三軸加速度傳感器的汽車運動姿態測量［J］.傳感技術學報，2011，24(6):923－927.

［4］丁能跟，余貴珍.汽車動力學及其控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2009:5.

［5］Hac A，Nichols D.Estimation of vehicle roll angle and side slip for crash sensing［C］∥SAE International，2010:529.

［6］薛圓圓，趙建領.USB應用開發實例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2009:4.