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

    自適應前照明系統(AFS)，是一種能適應各種不同環(huán)境條件的智能前照燈系統，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。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(tài)，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，系統具體的結構框圖如圖1所示。

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LPC21 19微控制器，LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU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(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)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(yè)控制應用以及醫(yī)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(wěn)壓芯片把12 V轉化為5 V，7805穩(wěn)壓芯片能夠把12 V的電壓變?yōu)? V，電容C1，C2，C3起到濾波的作用。具體電路如圖2所示。

    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(fā)器，才能正常的收發(fā)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(fā)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。

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(fā)展比較成熟的總線。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。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(zhí)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。

    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：
   
    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(jié)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。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(fā)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。