HybridⅢ模型人内置式数据采集器的设计 - 文章

HybridⅢ模型人内置式数据采集器的设计

作者：清华大学顾光张金换黄世霖

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[摘要] HybridⅢ假人是汽车正面碰撞试验使用的标准假人，也应用于航空航天领域的冲击试验中。通常，在试验测量中，传感器安装于假人内部，采集器则置于假人体外。本文介绍了一种安装于假人体内的多通道采集器的设计实现，采集器拥有16 个采集通道，采用CAN 总线通讯。使用这种采集器，假人无须拖线测量，减少了试验中断线的可能，提高了测量可靠性。
关键词：数据采集单片机 CAN HybridⅢ假人汽车碰撞

The Design of Data Acquisition Instrument Installed in
HybridⅢ Dummy Applied to Impact Test
Gu Guang, Zhang Jinhuan, Huang Shilin
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] HybridⅢ dummy is a standard instrument in automotive crash test, applied to the impact test in aeronautic and astronautic area. Sensors are installed in dummy, but data acquisition instrument is installed out of dummy in usual test. A kind of data acquisition instrument installed in dummy is introduced in this paper, which has 16 acquisition channels and CAN communications. Dummy has no more wires in tow with this instrument so that wires broken in test was decreased and measure reliability is improved.
Key words: data acquisition MCU CAN hybridⅢ dummy vehicle crash

1 前言

HybridⅢ假人是国际上汽车正面碰撞试验使用的标准假人，其中50 百分位男性假人应用最为广泛，除了应用于汽车碰撞试验外，还用于其它冲击试验中，比如航空工业的飞机座椅弹射试验，以及载人航天的回收舱落地冲击试验等。

HybridⅢ假人的头部、颈部、胸腔、骨盆、四肢的骨骼和关节处都经专门设计，不仅其冲击响应与真人相似，而且这些部位均可安装相应的传感器。

在汽车碰撞试验中，通常这些传感器的导线从假人身体引出，然后连接到数据采集设备上。这样做，带来的问题是，拖着的导线会因为运动和剧烈的撞击造成信号干扰或者断线；而汽车碰撞是破坏性试验，试验成本非常高，因此为了提高试验可靠性，最好是把数据采集系统完全内置于HybridⅢ假人内部。

但是假人内部空间狭小，现有采集系统很难安装进假人内部，因此必须充分利用假人内部的空间，设计一个体积小，多通道，耐冲击的采集器。

2 采集系统设计要求和总体结构

汽车碰撞法规对假人不同部位测量通道的频率响应作出了规定，根据我国的汽车碰撞法规《关于正面碰撞乘员保护的设计规则CMVDR294》的要求，测量通道最高频率等级的要求是CFC1000，即：采样频率>8kHz，最低通过频率<0.1Hz，最高通过频率＝1650 Hz。此外，法规还对滤波器的相位滞后，以及采样同步性作出了要求。

图1 显示了HybridⅢ假人身上的部分传感器的安装位置，传感器总的测量通道数可超过200 个，常用的有20 多个。可见，假人胸腔中脊柱两侧的有两个空间，可以利用这两个空间，各安装一个内置式数据采集器。

图1 HybridⅢ模型人和部分传感器

采集系统的总体结构如图2 所示，系统分为地面部分和安装于假人内的部分两块。从假人各部位传感器来的信号送入信号调节电路板，经信号调节电路转换成电压信号，输出至采集电路板，经过低通滤波，然后转换为数字量存储在采集电路板的非易失性存储器中。采集电路板采用了2 个14 位的A/D 转换器，拥有16 个独立的采集通道，每通道采样频率为10kHz。

图2 采集系统的总体结构

试验后可以通过CAN总线把采集到的数据读出至PC机进行分析处理。之所以采用CAN总线，首先，除了它的数据传输速度(最大1Mbps)比较快以外，更主要的是极易扩展测量通道。试验中可以通过CAN 总线把多个试验假人连接起来，也可以再与车载的采集器连接起来，构成一个分布式的采集系统。利用CAN总线的实时性和可靠性好[3]的特点实现不同假人之间以及假人与车载采集器之间所有通道的同步采集。根据以前的试验数据，假人一般在汽车碰撞发生后20ms 才开始移动，这段时间已经足够实现同步信号的发送和接收了，此后既使发生断线，也不会影响采集；此外，CAN 的各个节点地位相同，为无主式结构，便于接上一台PC 机与多个采集器通信,试验时,去掉PC 机也不会影响其它节点；最后，可设置其中一个节点为触发节点,通过CAN 总线来触发其它采集节点或安全气袋控制器节点。

3 采集器硬件设计

由于安装空间的限制，简化硬件设计，并满足多通道、高采样频率是硬件设计关键。

3.1 微控制单元和数据存储

为了缩减采集电路板的尺寸，就要采用功能强的控制器，控制器功能强，外围电路设计就可以简化。本文选用MOTROLA公司的MC68HC812A4 单片机作为控制器。这种单片机属于MC68HC12 系列，是一种新型的16 位单片机，速度快而时钟频率低，因而具有较强的抗干扰能力和可靠性。

图3 MC68HC812A4 单片机寻址空间

因为通道数比较多，采样频率也较高，因此采集电路板要有足够的数据存储空间。MC68HC812A4 单片机有比一般16 位单片机大的多的寻址空间（大于5M）。MC68HC812A4 单片机内部虽然也是16 位地址总线，但外部有22 条地址线。其内部的16 位地址总线决定内部只有64K 的地址空间，但当其工作在宽扩展模式时，内部的64K 的地址空间分别划出16K、4K 和1K 三块，分别称为程序窗口、数据窗口和E 窗口，通过窗口和该窗口的页面地址寄存器（8 位），把实际的存储器空间分为256 页，分别称为程序页面、数据页面和E 页面。这样，当单片机工作在宽扩展模式时，有大于256（16K+4K+1K）=5376K 的寻址空间，可以很好满足大容量数据存储的要求。

试验过程中采集到的数据，必须可靠保存起来，数据存储器采用NVRAM，是普通SRAM 加锂电池构成，具有掉电后依然保持数据的功能，以增强数据存储的可靠性。

图4 MC68HC812A4 与MAX125 的接口电路

3.2 信号采样和模/数转换

选择采样和模/数转换芯片,考虑的主要指标是模/数转换速率和芯片集成程度。经过比较，本文选择了模/数转换器MAX125。它的优点是拥有8 个采集通道，这8 个采集通道分为A 和B 两组，两组公用4 个采样保持器。这样可不再使用单独的采样保持器，大大减少了元件数量。但它的最大转换速率只有250kHz，需要精心设计转换方式才能满足同步和每个通道达到10 kHz 采样频率的要求。为此，采用了双MAX125 分步操作同步转换的方式。图4 中给出了两个MAX125 与MC68HC812A4的接口电路。两个MAX125 都连接在数据总线上，它们分别占据不同的地址空间，单片机对其中一个空间的地址进行读写操作时，单片机片选管脚CS1 或CS2 会选通相应的MAX125，并读出或写入数据。为了同步时序，两个MAX125 与MC68HC812A4 单片机使用同一个时钟源。

向MAX125 写入控制字能控制它对A 组还是B 组进行转换，也能控制是只转换该组一个通道还是四个通道都转换。比如写入0011 是对A 组四个通道进行转换。两个MAX125 的A 组8 个通道实现了完全同步采集，B 组8 个通道也是完全同步采集。A 组B 组之间有约25us 的时差，但满足同步时差小于100us的设计要求。

图5 是MC68HC812A4 与MAX125 的接口时序，其中E clock 为MC68HC812A4 单片机的总线时钟，时序图只画到单片机第一次读取转换结果为止。

图5 MC68HC812A4 与MAX125 的接口时序

可以计算出，A/D 转换是整个采集周期中最耗时的时间段，向两个MAX125 写控制字和读取存储转换结果的时间加起来也不及A/D 转换时间，所以采用同步启动转换的方式，两个MAX125 的A/D 转换时间是并行的，因此，采用分步操作同步转换的方式大大提高了系统的采样频率。

3.3 信号适配电路

假人身上传感器类型不同，输出的信号也各异，要有相应的信号适配电路把它转换成一定幅值的电压信号，然后经过抗混滤波器滤波，才能进行A/D 转换。这里，抗混滤波器采用了固定频率低通滤波，而在数据后处理中用数字滤波的办法来满足不同通道的不同频率等级的滤波要求。

这里重点介绍一下力传感器适配电路的设计。力传感器的实际上是四个接成全桥的应变片。测量前一般要对传感器的电桥进行调零，否则电桥输出的不平衡电压，经放大后会造成很大的零飘。通常的动态应变仪结构复杂，体积庞大，不能安装到假人内部，因此要设计一个可程控调节的动态应变仪。

本文采用了集成调节芯片MAX1457 作为信号适配芯片。MAX1457 内部有一个可程控调节增益的放大器，另有5 个数模转换器，输出的模拟量，与放大器的输出叠加，可以对传感器的零飘、输出幅值、温飘以及非线形进行调节补偿。试验前，先要针对某个力传感器在不同温度下进行补偿设置。MAX1457 通过SPI 接口外接一个EEPROM 来存储补偿因子。单片机也通过SPI 接口来读写EEPROM。

3.4 通讯电路

数据通讯采用了CAN 总线通讯方式。本文采用了PHILIPS 公司的独立CAN 控制器SJA1000。这种控制器既可以与INTEL 模式的单片机接口，又可以与MOTOROLA 模式的单片机接口。但SJA1000 的8 位地址和数据线采用了复用的方式，而MC68HC812A4 单片机的地址线和数据线是完全分开的，这样就要设计一个接口电路，把单片机并行的地址信号和数据信号转换成串行的地址数据信号以满足SJA1000 的读写要求。

接口电路见图6，使用了两片74AC245 总线收发器，用来控制单片机的地址线和数据线在不同时间段与SJA1000 的地址数据复用线导通。SJA1000 的输出信号经82C250 收发器连接到CAN 总线上。74AC245 的导通和SJA1000 所需的控制信号由另外的时序控制电路产生。

图6 MC68HC812A4 与SJA1000 的接口电路

4 采集器软件设计

MC68HC812A4 单片机内部有4K的EEPROM，充分利用这块空间，可以不用片外的EEPROM，从而减少元件数量。为此，单片机复位时，令其工作在单片模式，此时4K 的EEPROM 位于64K 内部地址空间的最顶部，程序、复位向量、中断向量都可以写在这里；然后更改单片机模式寄存器内容，使单片机工作于宽扩展模式，此时外部的地址数据线可用，而内部4K 的EEPROM 仍保持在原来的地址空间不变。

程序按功能分为主程序、采集子程序和通讯子程序三块。采集器上电复位后，进入主程序，主程序先初始化、自检，然后进入相应工作状态，流程图如图7 所示。

图7 主程序流程图

其中，初始化包括设置单片机的工作模式，设置外部总线状态，设置存储窗口，设置看门狗状态，设置各I/O 口状态以及设置SJA1000 寄存器等。自检主要检查NVRAM 内容并保存自检状态码。系统根据状态码决定进入何种工作状态。一是进入等待通讯状态，当CAN 总线上发来的命令码，SJA1000 产生接受中断，系统进入通讯子程序解释并执行命令码；二是进入等待数据采集状态，设置采集中断的发生时间间隔，并等待采集中断。采集中断子程序每隔设定的时间间隔执行，采集16 个通道的信号一次。这种状态下，也可响应通讯中断。

5 上位机软硬件设计

上位机部分采用了HK-CAN20C 通讯卡，这种通讯卡插在PC 机的ISA 插槽上，使用CAN2.0A 协议，最高数据传输率为1Mbps，其Win98 下驱动程序提供了7 个函数接口。本文用VC++6.0开发环境，编写了Win98下的通讯程序THDAS。通讯时，先调用InstallCANDriver()函数初始化通讯卡，初始化成功返回0，然后可调用SendCANFrame()/ReadCANFrame()发送/接收一帧，通讯结束，则调用UninstallCANDriver()函数释放驱动程序占用的系统资源。

6 结束语

本文介绍的安装于假人内部的数据采集器是汽车碰撞试验分布式数据采集系统的一部分。在碰撞试验中采用分布式采集方式，不会因为一台采集器失灵而导致试验完全失败，降低了试验风险，同时又能保证所有采集通道的同步性，因此，美、德等汽车工业发达国家均把采用现场总线技术的分布式数据采集作为碰撞试验电测量技术的发展方向。

参考文献
1 MC68HC812A4 advance information. MOTOROLA, INC., 2001
2 CPU12 Reference Manual. MOTOROLA, INC., 2000
3 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1996
4 Data Sheet SJA1000. Philips Semiconductors, 2000(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/29/2005)


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