基于加速度传感器AIS226DS的制动性能测试仪的研制

宋学青

（云南省计量测试技术研究院 云南 昆明 650228）

汽车制动性能的优劣是影响汽车安全行驶的重要因素之一，重大交通事故往往与制动距离太长，紧急制动时发生侧滑等情况有关，所以对在用车进行定期的制动性能检测非常必要[1]。根据新修订的GB7258—2012（《机动车运行安全技术条件》）中规定，对于超重、多轴、半挂等不能上线检测的车辆，以及当车辆经上线检测后对其制动性能有质疑时，应采用路试的方式进行检测[2]。由此我们设计了可进行路试测量的便携式机动车制动性能测试仪。

1 工作原理

根据GB7258—2012（《机动车运行安全技术条件》）中规定，机动车制动性能的测试过程为：在符合要求的路面上，将被测车辆车速提高到规定的初速度下，急踩刹车到底，直到车停止不动。制动性能由制动距离、充分发出的平均减速度（MFDD）、制动协调时间及制动稳定性来衡量。充分发出的平均减速度（MFDD）的计算公式如下：

若制动初速为V0，式中，Vb为0.8 V0（km/h）；Ve为0.1 V0（km/h）；Sb为试验车速从V0到Vb的行驶距离（m）；Se为试验车速从V0到Ve的行驶距离（m）。

本测试仪以加速度传感器为主要测试元件，对汽车在行驶过程中的加速度进行测量，通过单片机对传感器输出数据进行一次和两次积分，得到速度和距离，并通过进一步计算得出MFDD和制动协调时间，实现制动性能的检测。

2 硬件设计

2.1 硬件结构

测试仪主要由加速度传感器、主机和微型打印机3部分组成。硬件结构框图如图1所示。传感器部分完成数据的采集；主机部分主要功能是通过按键完成参数的设置，数据的分析和处理，与外设（如打印机和计算机等）的数据传输，以及数据的存储。在兼顾仪器自身测试精度和功能的基础上，整机的硬件设计中充分考虑到便携式仪器对电池续航能力的需求，通过合理的芯片选型和电路结构优化，尽可能的降低整机功耗，延长使用时间。传感器选用高精度低功耗的数字式加速度传感器AIS226DS；单片机选用C8051系列单片机的C8051f585，它不仅功耗低，而且带有96 kB可再编程的片内Flash存储器，可不用额外增加存储芯片；电源芯片选用低压差线性稳压器CAT6219。

图1 硬件结构框图Fi g.1 Hardware structure diagram

2.2 主机部分

2.2.1 单片机

单片机选用美国Silicon Labs公司汽车级MCU系列C8051F58x-59x的C8051f585。它将一个高速的8051 CPU，Flash存储器，同类最佳性能的模拟外设和数字信号处理器集成在一个超小封装内，并在整个汽车级电压和温度范围内全功能工作，而无需牺牲其他性能指标。拥有灵活的时钟硬件，使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式间进行转换，智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换，从而降低整个系统的能量损耗，当工作频率低于10kHz时，时钟丢失检测器（MCD）能够引发系统产生复位，确保系统工作的安全可靠。 C8051f585有8448字节的内部RAM，96kB的片内Flash存储器，40个I/O口，两个串口，一个SMBUS接口，12位AD转换器，支持CAN2.0、LIN2.1和SPI接口。其中96 kB的片内Flash存储器为可再编程的Flash存储器，可用于非易失性数据的存储，因此测试仪将测得的数据直接存于C8051f585的Flash中。

2.2.2 电 源

电源选用的可重复充电的聚合物锂电池，电池的标准输出是3.7 V，在充满状态下为4.2 V，容量为1 800 mAh，低内阻，充电快。自带保护板，有过充电保护、过放电保护、过流保护及正负极短路保护功能。通过单片机自带AD模数转换接口测量电池电压，供用户随时查看电池当前剩余电量。

由于所选芯片的供电电压都为3.3 V，所以选用安森美的低压差线性稳压器CAT6219将电池的输出的电压降至3.3 V。CAT6219的静态电流较低，在负载为500 mA时典型的压差只有300 mV。此外，额外的旁路电容能降低总输出噪声，这使得CAT6219非常适用于低噪声的应用。许多低压差稳压器搭配旁路电容会导致启动变慢，而Catalyst的稳压器设计有快速启动特性，确保启动时间低于150μs并且使CAT6219更适用于在低功率上的应用。CAT6219有“零”电流停机模式，是专门用来防止电池过放电情况。此外，CAT6219的典型静态电流为55μA，具备短路保护和超载过热保护[3]。

2.2.3 时 钟

时钟芯片选用美国DALLAS公司的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DS1302。它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，工作电压为2.5～5.5 V。DS1302与单片机通过I2C总线连接[4]。在主机断电后，通过内部自带纽扣电池作为备用电源为其供电，以保持时钟的连续运行，相关原理图如图2所示。

图2 DS1302电路原理图Fig.2 DS1302 circuit diagram

2.2.4 红外接口

由于单片机C8051f585不支持无线红外通讯的IrDA标准，所以选用MCP2120作为红外收发芯片。MCP2120为低成本而高性能的全静态红外编码/解码器，与单片机C8051f585通过串口（UART）连接。该器件从标准UART接收的数据被编码（调制），以电脉冲的形式输出到IR收发器。 IR收发器接收到的数据同样也是以电脉冲的形式输出的。 MCP2120解码（解调）这些电脉冲，并通过MCP2120的UART进行传送。这种调制和解调方式遵照IrDA标准进行[5]。MCP2120相关部分的电路原理图如图3所示。将MCP2120的波特率设计为通过硬件进行配置，选用的晶振为7.372 8 MHz，所以将BAUD0-BAUD2 3个引脚接地，MCP2120的波特率就被设置为9 600。

图3 MCP2120应用电路原理图Fig.3 Application of MCP2120 circuit diagram

2.3 传感器

传感器选用的加速度芯片是意法半导体的数字加速度传感器AIS226DS，它是一款为汽车电子系统精确地测量汽车运动的全新传感器。AIS226DS为双轴共面加速度传感器，测量精度高，功耗低，线性数字输出。其高检测精度部分归功于电子接口芯片的低本征噪声特性。接口芯片含有高精度16位模数转换器，低噪声可在大带宽内实现14位的有效转换分辨率，对应一个0.25 mg的分辨率（在2 g全量程内）。在-40℃到+105℃温度范围内，传感器能够保持高稳定性和高精度（±70 mg），提供每度0.2 mg的补偿偏离。它的低功耗对于电池供电的测试仪也是至关重要的[6]。

AIS226DS支持SPI/I2C标准数字接口，有两个可供用户选择的量程：±2 g或±6 g，具备可调带宽和方向检测功能，带宽可调功能可以优化不同带宽的性能，通过消除不相关频带的干扰可以提高分辨率。根据测试仪的实际需要，我们选择量程±2 g，带宽160 Hz，I2C总线接口方式。为方便操作，加速度传感器及其外围相关电路单独集成在传感器板上，并置于铝盒中。传感器板电路原理图如图4所示。将CS脚置高，则芯片数据的输出方式为I2C。将AIS226DS的RDY（dataready signal）与单片机的一个外部中断口连接，使单片机的数据接收与传感器的数据输出保持同步。

图4 传感器板电路原理图Fig.4 Sensor board circuit diagram

2.4 微型打印机

为方便使用，测试仪选用便携式红外热敏打印机VMP02。该打印机采用32位ARM作为中央处理器及先进的富士通打印机芯，打印速度快，外形轻巧，便于携带。可通过串口及配置软件配置所需的红外模式和传输的波特率。

3 软件设计

软件采用模块化设计，主要包括数据采集与处理模块，按键模块，显示模块，存储模块和打印模块。软件结构框图如图5所示。程序初始化主要包括IO口初始化，液晶屏初始化，按键初始化，I2C初始化，加速度传感器初始化，时钟初始化，以及两个串口的初始化。加速度传感器AIS226DS的初始化程序如下：

图5 软件结构框图Fig.5 Software architecture

4 结 论

通过静态校准，测试仪在-9.8～9.8 m/s2的规定测试范围内精度达到±0.04 m/s2，高于校准规范中的±0.10 m/s2，且在整个测试范围内线性度好。在实车路试中，检测精度可达到±1.0%。整机待机时间超过60小时，持续工作时间大于48小时，完全满足现场工作需要。由于整机采用分立结构，在使用中安装简单、方便，便于携带。仪器已对外供应一年多，得到广大客户的认可和好评。

[1]潘叶辉，袁中凡，杨春生，等.新型便携式汽车动态参数检测系统[J].中国测试技术，2007（6）：48-51.PAN Ye-hui，YUAN Zhong-fan，YANG Chun-sheng.Advanced portable and dynamic parameter test system for vehicles[J].China Measurement Technology，2007（6）：48-51.

[2]公安部道路交通管理标准化技术委员会，GB7258-2012，机动车运行安全技术条件[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3]余俊芳.低压差稳压器CAT6219简介[N].电子报，2008（13）：03-09.

[4]许果，殷海波.基于DS1302的智能停车收费系统[J].自动化技术与应用，2010，29（5）：63-65.XU Guo，YIN Hai-bo.An intelligent parking system based on DS1302[J].Techniques of Automation and Applications，2010，29（5）：63-65.

[5]史丽萍，陈志杰，侯运生，等.基于红外传输的无线测温系统的设计[J].工矿自动化，2010（8）：23-25.SHI Li-ping，CHEN Zhi-jie，HOU Yun-sheng，et al.Based on infrared transmission of wireless temperature measurement system design[J].Industry and Mine Automation，2010（8）：23-25.

[6]廖惠如.MEMS微机电感测技术擅场时代[J].电子与电脑，2009（12）：33-36.LIAO Hui-ru.MEMS measurement technology outshine all those present age[J].Compotech China，2009（12）：33-36.