基于加速度计的汽车动力学参数采集平台设计

引言
随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高。安全、便捷、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取。
汽车在行驶过程中的各种路况信息是非常复杂的。在行驶过程中可作为刚性特征体来考虑，将三轴加速度计放在被测车体的某个特征点上，就可准确地采集到该特征点运动过程中在x轴，y轴，z轴的三个加速度分量。结合车体总质量可以计算出车辆的瞬时受力情况；结合车辆即时速度，可以计算出瞬时功率。采集和计算出的运动参数等信息可以进行本地的控制处理。同时，本系统支持CAN总线接口，利用该接口，可以将得到的数据发送到汽车计算机控制系统进行综合分析处理。从而使本系统可以广泛应用于汽车自动变速器，汽车安全气囊(Airbag)、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序(ESP)、电控悬挂系统等方面。

1 方案总体设计
该采集平台需要解决数据采集、计算及通信的问题，而且由于应用环境的复杂性，需要保证系统的抗干扰性及可靠性。系统硬件结构框图如图1所示。主控制器通过ADXL330采集三个坐标轴上的加速度分量，经过分析计算后提供给本系统直接应用或通过CAN总线提供给别的应用者。

2 建立汽车运动模型
汽车在路面上的运行环境是非常复杂的，受到的振动频率分布很宽，一般情况下车辆的振动频率范围可分为如下几种情况：
刚体运动：0～15 Hz；
结构振动，板件共振：15～150 Hz；
噪声及啸鸣：150 Hz以上。
汽车典型的共振频率范围通常为：
车身共振频率：1～1．5 Hz；
车轮跳动：10～12 Hz；
座椅上的乘客：4～6 Hz；
悬置的动力总成：10～20 Hz；
结构共振频率：大于20 Hz；
轮胎共振频率：30～50 Hz和80～100 Hz。
在研究车辆的运动时，主要研究的对象一般包括车辆的运动速度、运动位移、瞬时加速度、瞬时功率、瞬时驱动力等。而以上各项参数，均可通过对被测点的加速度计算得出。车体在空间位置的加速度如图2所示。

车辆瞬时驱动力F=ma。其中，F为车辆的瞬时驱动力；m为车体总质量；a为运动加速度。
速度。其中，v为运动速度；v0为初始速度；为加速度对时间的积分。
瞬时功率P=Fv。
ADXL330是一个三轴(x轴，y轴和z轴)模拟输出的加速度传感器，通过ADXL330能够测量出任意时刻三个方向的加速度分量。通过测量得到的加速度分量可以计算出车辆的运行状态，动力学参数等信息。

3 硬件设计
3．1 电源设计
汽车的用电设备所需电能有两个来源：发电机和蓄电池，输出的额定电压为12 V。本设计中采用LM2575开关稳压器和LM1117低压差线性稳压器将12 V输入电压转换为5 V和3．3 V的供电电源。电源设计原理图如图3所示。

LM2575是美国国家半导体公司生产的1 A集成稳压电路，电压输入范围宽为7～40 V，电流输出最大可达1 A；同时内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。
LM1117为低压差线性稳压器，其压差典型值仅为1．2 V，输出电压精度高达±1％。输出的3．3 V电源提供给主控制器使用，为保证电源系统的稳定性，输出端需要添加一个10μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。