基于LPC2129定時(shí)器捕獲功能的車速信號(hào)采集系統(tǒng)

摘要：介紹了LPC2129單片機(jī)定時(shí)器的捕獲功能，以及在車速信號(hào)采集中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)了車速信號(hào)采集系統(tǒng)的軟硬件，應(yīng)用一種基于周期法的車速采集算法計(jì)算車速。提出的車速采集方法，無(wú)論在低速測(cè)量還是高速測(cè)量，都可較好地兼顧測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，為進(jìn)一步研究整車動(dòng)態(tài)性能提供保證。通過(guò)對(duì)上車實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)與車速表讀數(shù)比較，結(jié)果證明了硬件設(shè)計(jì)和軟件算法的正確性。
關(guān)鍵詞：LPC2129；車速；周期；捕獲

引言
    汽車傳感器是汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置，它把汽車運(yùn)行中各種工況信息，如車速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，以便汽車運(yùn)行處于最佳工作狀態(tài)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，傳感器在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，它們?cè)谄囯娮臃€(wěn)定性控制系統(tǒng)(包括輪速傳感器、陀螺儀以及剎車處理器)、車道偏離警告系統(tǒng)和盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)(包括雷達(dá)、紅外線或者光學(xué)傳感器)各個(gè)方面都得到了應(yīng)用。
    車速傳感器是汽車傳感器中基礎(chǔ)而且重要的一部分。車速是汽車道路實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)，它與車輪力、踏板力和車輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)相結(jié)合，對(duì)整車動(dòng)態(tài)性能的分析、制動(dòng)系統(tǒng)的性能匹配和ABS防抱死系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以及操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有著重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。
    為了獲取車速參數(shù)，本文作者設(shè)計(jì)了車速信號(hào)采集的軟硬件，提出的車速采集方法無(wú)論在低速測(cè)量還是高速測(cè)量，都可較好地兼顧測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，為進(jìn)一步研究整車動(dòng)態(tài)性能提供保證。

1 信號(hào)采集硬件電路
1．1 車速信號(hào)處理硬件電路
    車速傳感器安裝于變速器的輸出端外殼上，其轉(zhuǎn)軸外端為蝸桿，與變速器輸出軸得渦輪嚙合，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)車速傳感器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。車速傳感器主要用于測(cè)定車輛的行駛速度，向ECU傳送車速電信號(hào)，用于汽車整車動(dòng)態(tài)性能的控制。采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。

1．2 LPC2129的捕獲功能介紹
    LPC2129微控制器是NXP公司32位單片機(jī)中的一種，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)包括：中央處理器單元(CPU)、2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400 kHz)和2個(gè)SPI接口、8通道輸入捕捉／輸出比較定時(shí)器、8通道脈寬調(diào)制模塊以及46個(gè)獨(dú)立數(shù)字I／O接口。在片內(nèi)還擁有256 KB的Fl-ash ROM、16 KB的RAM。LPC2129具有2個(gè)功能強(qiáng)大的定時(shí)器、32位可編程預(yù)分頻器、4路捕獲通道、4個(gè)匹配寄存器、4個(gè)匹配輸出通道。捕獲通道如圖2所示。

1．3 計(jì)算方法
    常用的速度計(jì)算方法有3種：頻率法、周期法、多倍周期法。頻率法是通過(guò)測(cè)量給定時(shí)間內(nèi)的輪速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算輪速，周期法通過(guò)測(cè)量被測(cè)脈沖寬度來(lái)計(jì)算車速。本文所采用的速度采集算法類似于周期法。設(shè)置一個(gè)時(shí)間閘門Ts，通過(guò)PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)。CAP的第一個(gè)通道在時(shí)間Ts內(nèi)可以記下每次中斷的當(dāng)前時(shí)間，并放在寄存器CAP_DATA中。記錄下來(lái)的值是內(nèi)部定時(shí)器1的當(dāng)前值，當(dāng)晶振頻率為11．059 2 MHz時(shí)，定時(shí)器1的內(nèi)容每90 ns增1個(gè)。用最后一次中斷的實(shí)時(shí)時(shí)間減去第一次中斷的實(shí)時(shí)時(shí)間即為實(shí)際的采樣時(shí)間Td。
    采用周期法計(jì)算車速N的公式：
   
    式中：N的單位為r／rain，n為采樣時(shí)間內(nèi)獲得的脈沖總數(shù)，Td為實(shí)際采樣時(shí)間，單位為ms。
    本文采用的車速計(jì)算公式：
   
    式中：V的單位為km／h，i為主減速比3．6，CR為車輪每轉(zhuǎn)一圈所走過(guò)的距離，單位為km／h。

2 軟件設(shè)計(jì)
    車速傳感器的工作原理是把變速器蝸桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生4次脈沖信號(hào)。為了檢測(cè)脈沖信號(hào)，同時(shí)也能對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，可采用查詢法或中斷法。查詢法即通過(guò)查詢，確認(rèn)定時(shí)器已記錄有效事件后再行讀取。中斷法即利用程序控制的方法，在FIFO溢出或保持寄存器已加載時(shí)產(chǎn)生中斷，在服務(wù)程序中讀取定時(shí)器中已記錄的信息并進(jìn)行處理，以得到車速并輸出到顯示器。
    本系統(tǒng)采用的是中斷法，輸入引腳的事件方式采用正負(fù)跳變?cè)诓煌ǖ啦杉?。由于篇幅有限，只給出車速信號(hào)采集代碼。



3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    從圖3可得出，采集的車速與儀表指示車速存在一定的誤差。

    根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：汽車用車速表GB15080-19999，指示車速與實(shí)際車速誤差關(guān)系式：
   
    式中：V1是指示車速，V2是實(shí)際車速。所采集的數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)，如表1所列。

結(jié)語(yǔ)
   整車動(dòng)態(tài)性能研究是一個(gè)綜合性的課題，車速信號(hào)的采集和計(jì)算是必不可少的工作。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，本文設(shè)計(jì)的基于LPC2129的車速信號(hào)采集系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)正確，采用的算法合理，滿足科研要求。