汽车二自由度数据采集系统设计

引言
汽车的二自由度横摆角速度与侧向加速度这两个参数对汽车的稳定性分析具有重要作用，是汽车主动安全的重要组成部分，可以通过预测与实测两种方式获得。为了得到更真实的数据，本文设计了基于ARM微控制器和ADIS16355传感器的数据采集系统，通过实车测试得到了汽车的横摆角速度与侧向加速度的数据，分析了干扰源，并且对数据采用卡尔曼滤波方法进行处理。

1 系统工作原理
ADIS16355传感器装在接近汽车的中心位置上(接近汽车的质心位置)，建立汽车的三维坐标系如图1所示。

汽车X、Y、Z三个方向的旋 图1 汽车三维坐标系转角速度与加速度可通过ADIS16355传感器测得，测得的数据通过ADC转换成数字信号，然后通过SPI串行通信协议把采集到的数据传送到控制器中，这里只取侧向加速度与横摆角速度这两个信息量。采用的控制器是Philips公司生产的ARM7处理器LPC2119。数据采集系统工作原理如图2所示。

2 系统模块介绍
2．1 LPC2119简介
ARM是指精简指令集的微处理器，具有高性能、廉价、低耗能的特点，在各个领域得到了广泛的应用。该系统采用的是ARM7系列的LPC21 19微控制器。LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-S内核的微控制器，并带有128 KB的高速Flash存储器；指令支持32位的ARM模式与16位的Thumb模式：128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码的ARM方式能够在最大时钟速率下运行；对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。LPC2119具有非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、2路CAN总线、PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断，功耗低，性能强大，特别适用丁汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。由于内置了宽范围的串行通信接口，也非常适合于通信网关、协议转换器以及其他各种类型的应用。
2．2 ADIS16355简介
ADIS1635传感器集成了三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，具有体积小、功能强、功耗低等特性。它主要由以下模块组成：陀螺仪、加速度传感器、A／D转换器、数字校准以及SPI协议转换模块。在三维直角坐标系X、Y、Z中，陀螺仪与加速度传感器首先感应到物体的运动，分刖测得运动物体X、Y、Z三个方向的旋转角速度与加速度，三个方向旋转角速度的测量范用分别为±75°／s、±150°／s、±300°／ s，加速度的测量范围都为±10g，有效数据位都为14位。它具有很高的分辨率，其中旋转角速度的最低分辨率为0．073 26，三个方向的加速度的分辨率为2．255mg，基本能满足用户的需求。它的工作电压为5 V，直接输出16位的数字信号，通过SPI通信协议传送。ADIS16355的结构框图如图3所示。

2．3 SPI协议简介
SPI协议是Motorola公司制定的全双工串行通信协议，具有传送速度快、协议简单的特点。通信只需要四根线，即SCK(时钟)、SSEL(从机选择)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)；最高传送速率可以达到系统工作频率的1／8，并且已经得到了广泛的应用。ADIS16355也是通过SPI协议来传送。首先把LPC2119中集成的SIP控制器设置为主机，把传感器的SPI接口设置为从机，把它们的接线对应连接起来，即相当于从控制器的从机选择端，在通信过程中要使它一直保持低电平，处于有效状态；然后，通过主控制器把需要采集信号的地址发送到从控制器中。SPI时序图如图4所示。