便携式车辆加速度信号采集系统设计

2012-10-22朱玉田

传感器与微系统 2012年6期

谢波，刘钊，朱玉田，李根

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

0 引言

车辆安全性正越来越受到人们的关注。目前，国内外的车辆运行状态监测记录设备大多只重视车辆的速度、位置等信息的采集，具有加速度信号的采集、记录、分析功能的设备较少［1］。然而，加速度是研究车辆安全性最为重要的参数之一［2］。

传统的车辆加速度记录仪大多搭载基于压电效应的加速度传感器，由此组成的测试系统结构复杂，制造成本高，可靠性低，使用不方便［3］。近年来，基于微机电系统（MEMS）传感器的新型车辆加速度采集、监测系统的研究逐渐增多，但其普遍采用单片机做主控制器，采用SD卡等介质存储数据［4］，其开发周期长，可靠性低，能连续采集记录的信息量较有限。

本文针对车辆运行工况的特点，开发出一种便携式、大存储量的加速度采集系统，辅以外接输入、显示设备。该系统可快速、大量地采集、记录、显示车辆横、轴、竖3个方向的低频运动加速度和高频振动加速度。

1 系统组成与工作原理

如图1所示，该系统主要由MEMS三轴加速度传感器、自主开发的信号调理板和电源管理板、NI采集卡、嵌入式E-Box，12 V锂电池以及外接辅助输入和显示设备组成。

高频和低频用加速度传感器均选用飞思卡尔MMA7361，经信号调理板后，输出低频的横、轴、竖三向加速度X1，Y1，Z1和高频的横、轴、竖三向加速度X2，Y2，Z2至NI—6009采集卡。主控制器采用小型嵌入式工控机E-Box-2300，通过USB总线驱动采集卡，并通过自主开发的上位机LabVIEW软件控制整个采集过程，数据记录至E-Box扩展硬盘中。系统采用12 V工业用锂电池供电，经电源管理板后分别为E-Box、信号调理板和传感器供电。系统外扩USB接口用于连接鼠标、键盘等无线输入设备，VGA接口用于连接小型显示器、投影仪等输出设备，备用电源接口可实现系统充电。

图1 系统原理Fig 1 Principle of system

系统可准确采集、记录车辆运行过程中的0～10 Hz三向低频运动加速度信号和400 Hz以下三向振动加速度信号，且实现了车辆加速度状态的实时监测和对数据回放分析等功能。

2 硬件设计

2．1 加速度传感器

该系统的传感单元由飞思卡尔公司MMA7361型三轴小量程微机械传感器和外围元件组成。MMA7361内部集成了重力G感测单元、电容/电压转换器、积分放大电路、低通滤波器、时钟振荡器、温度补偿电路和微调电路，其量程和灵敏度可选，选择±1．5gn量程时，灵敏度高达800 mV/gn，选择±6gn量程时，灵敏度自动调整为206 mV/gn;其X，Y方向和Z方向的带宽响应频率分别为400 Hz和300 Hz。该传感器采用3．3 V，400 μA低功耗设计，3 mm ×5 mm ×1．0 mm LGA—14 微小封装。

该传感器使用时直接固定安装于信号调理板上，所测得的加速度信号以模拟电压形式输出至信号调理电路。该系统选用2只MMA7361传感器，配合后续信号调理电路，分别实现对低频加速度和高频加速度的测量。

2．2 信号调理板

图2所示为自主开发的信号调理板，主要由振荡器、分频器、档位选择器、滤波电路、跟随器、运算放大器等组成。来自传感器的加速度信号经运放进行幅值变换后输入至滤波电路，滤波电路按高、低2种截止频率对信号滤波处理，最后经多路跟随器进行隔离和阻抗变换后输入至NI采集卡。整个调理板在5，2．5 V双电源下工作。

2．2．1 分频电路

该调理板采用TI公司14阶带振荡器的高速二进制计数器CDHC4060和外接晶振构成时钟发生源，可将晶振频率f0在1/24～1/214间的多阶分频，并经档位选择器后输出高低2种频率，分别作为高频用和低频用巴特沃斯滤波器的控制时钟。

2．2．2 巴特沃斯滤波

图2 信号调理板示意图Fig 2 Schematic diagram of signal conditioning board

常用的模拟低通滤波器由切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和巴特沃斯滤波器，根据3种滤波器的特性和谐波测量要求，选用高阶巴特沃斯滤波器作为抗混叠滤波器［5］。本系统采用MAX291作为主滤波芯片，MAX291是MAXIM公司开发的一种八阶低通巴特沃斯开关电容滤波器，其角频率在0．1Hz－25kHz间可调，选择驱动时钟的频率来设定滤波器的角频率，其时钟与角频率之比为100∶1［6］。考虑传感器的带宽响应频率，并结合分频器和档位选择器的匹配结果，最终配置驱动高频时钟频率为32 kHz，低频驱动时钟频率为1 kHz。

2．2．3 二阶低通滤波

本系统利用MAX291内部集成的无限增益多路负反馈二阶低通滤波器实现后置滤波，将八阶巴特沃斯滤波器处理时掺杂的时钟信号过滤，如图3所示，通过匹配二阶滤波器的外围元件参数值设定滤波截止频率，其传递函数为

通带内的电压放大倍数

滤波器的截止角频率

图3 MAX291二阶低通滤波电路Fig 3 Second order low pass filtering circuit of MAX291

2．3 电源管理

电源管理板采用12 V大容量锂电供电，并输出5，3．3，2．5 V等多种电压至系统用电设备。如图4所示，12 V经滤波、稳压后得到5 V。该调理板设计了5 V转2．5 V精准稳压电路，2．5 V精准电压用于MAX291后置二阶滤波器的地端参考电压，所选用的低压精密分流器内部集成有精密参考电压源，其输出电压通过参考极的2个电阻关系来决定。调理板同时设计了5 V转3．3 V稳压电路，3．3 V电压用于传感器模块的工作电压。

图4 电源管理示意图Fig 4 Schematic diagram of power management

2．4 主控制器

主控制器选用DMP公司生产的E-Box-2300型嵌入式工控机，其主板搭载了1 GHz SoC主处理器和512 M DDR2内存，并集成了 VGA，USB，CF，TF，PS/2，RS—232，1 标准以太网，无线网，标准音频等常用接口，适用于Windows XP，Linux，Windows CE等操作系统。E-Box采用单端5 V供电，外形尺寸115 mm×115 mm×35 mm，体积小，安装方便。系统运行时，支持LabVIEW的Windows XP或Windows Vista操作系统安装于大容量CF卡中，采集所得数据可自由存储至CF卡剩余空间、TF卡或其他USB外扩硬盘中，可扩展性强，存储量大。

2．5 采集卡

根据系统设计要求，该系统至少应采集6通道加速度，每通道采样率在5 kHz以下，具有在单端输入模式下13位分辨率ADC，8通道模拟量输入，且最大采样频率为48 kHz的NI—6009型采集卡适合符合要求。

3 软件设计

3．1 软件功能

上位机软件使用LabVIEW［7］编写，实现图形化用户界面，并通过USB接口与采集卡通信。如图5所示，该软件可实现传感器标定、采样率设定、实时采集显示、数据存储、数据回放等功能。

图5 上位机软件功能Fig 5 Functions of upper computer software

3．1．1 传感器标定

系统使用前，在传感器标定平台下对三轴加速度传感器进行参数标定，并将标定好的参数保存为ini格式文件，系统执行采集任务时，调用ini文件对传感器进行曲线拟合。该系统中，MMA7361具有较好的线性特性，故高低频共六路加速度信号均进行线性拟合，得到加速度—电压拟合方程，即，a=kaua+ba，其中，ka，ba分别为标定平台下测得的拟合方程一次项系数和常数项。

3．1．2 采样率设定

系统使用前，还需对采样率进行设定，根据香农采样定理［8］，采样频率应大于信号最高频率的2倍。结合传感器信号的频率范围，设置系统采样频率，保证采样时不丢失原始信号的信息。软件对采样频率范围进行了0．1～5000 Hz的设定，输入数值超出该范围会被自动限制。采样频率高则采集的数据流量大，长时间采集时，数据存储文件较大，会占用较多的硬盘空间。

3．1．3 实时采集显示

系统执行采集任务时，数据实时动态地显示于上位机面板，可选择单窗口模式进行全局观察，也可切换至双窗口模式将高低频信号分离观察或六窗口模式对各信号单独观察。各模式下，窗口纵坐标范围能自动适应被测信号幅值，也可给定坐标上下限，各路信号的实时数值显示于文本框内。

3．1．4 数据存储

采集任务结束后，数据能以bat，xls或txt格式存储至系统硬盘，存储路径可自由指定。所存储的数据用于信号历史分析，可在软件数据回放窗口调入，也可利用PC机的Excel，Matlab等软件进行查看、分析、后处理等操作。

3．1．5 数据回放

软件可回调保存在硬盘中的历史数据，便于观测信号总体走势和具体时刻的幅值。可选择X轴、Y轴缩放、平移、对焦等工具对波形局部分析，可选择游标工具进行特定点的数值分析。

3．2 程序实现

软件主程序流程如图6所示，打开软件后，用户可选择为下一次采集标定参数，或直接进入采集模式，也可回放历史数据。参数标定时，需分别设定传感器一次项系数、常数项以及采样率，设置完后系统自动更新ini文件。数据采集时，上位机软件不断读取采集卡数据，拟合加速度曲线后显示于动态窗口，直至系统停止采集，采集所得数据可按指定存储路径、文件名、文件格式保存至系统硬盘。数据回放时，由用户选定历史数据文件进行回调、分析。

程序设计时综合应用了循环、Case、顺序、移位寄存器、定时等多种数据结构以及数组、簇、错误错等复合数据形式，并采用了属性节点、状态机、消息和同步、Queue等多项LabVIEW先进技术。主采集程序应用NI-DAQmx任务处理方法，实现连续多通道模拟电压采集。

4 实验结果

利用此车辆加速度采集系统，在同济大学专用汽车试验线进行了多次实车实验。图7为一组的典型实验结果，其中高频Y轴曲线表明车辆前进方向加速度最大约0．61gn，刹车时最大加速度约为－0．72gn，最大振动加速度大于±1．50gn，低频X轴曲线显示车辆横向加速度变化趋势，其急转弯时最大加速度约为0．39gn，从低频Z轴曲线可知，车辆竖向受到多次减速带振动冲击，其幅值约为0．45gn。