汽车驾驶模拟器数据采集控制系统的设计

张 燚，邵建龙，陈 广，赵建平，罗 茜

（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500）

汽车驾驶模拟器数据采集控制系统的设计

张 燚，邵建龙，陈 广，赵建平，罗 茜

（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500）

数据采集控制系统的性能对汽车驾驶模拟系统的交互性和真实感有重要影响。根据模拟器数据采集与控制的多输入输出接口和快速响应要求，设计了一套实时数据采集控制系统。该系统基于STM32单片机实现了对4路格雷码编码器、1路SSI编码器、24路数字量输入和8路数字量输出的数据采集处理与控制，通过USB以及RS232与上位机通讯，系统软件采用C语言模块化编程技术。实验结果表明所设计的数据采集控制系统实时性好，可靠性高，能满足实际需求。

汽车驾驶模拟器；数据采集处理；STM32单片机；系统；编码器；通信

1 引言

汽车驾驶模拟器是一种能模拟汽车的驾驶操作动作，获得真实驾车感受的仿真系统。目前的汽车驾驶模拟器集合了传感器、计算机三维实时动画、计算机接口、人工智能、数据通信、网络、多媒体等多种先进技术，主要用于驾驶员培训，也可以对微观交通进行仿真，对汽车的控制特性进行研究[1]。汽车驾驶模拟器具有安全性高、再现性好的特点。利用驾驶模拟器来进行研究和训练，可以方便地模拟各种道路环境、天气状况，分析汽车的技术性能指标，从而可以节省大量资源，具有很高的经济价值[2]。

目前，很多汽车驾驶模拟器都采用数据采集卡实现操作数据的采集，这种基于数据采集卡的数据采集处理系统成本相对较高，采集模拟量时不是很稳定，接口数量也很有限，这给后续开发带来了一些困难。基于单片机的数据采集系统虽然开发周期较长，但成本相对较低，接口的可扩展性好，同时，模拟量和开关量的预处理工作也可以由单片机来完成，完全可以满足模拟器的交互性和实时性要求[3-4]。

2 数据采集控制系统开发要求

汽车驾驶模拟器数据采集控制系统须满足以下要求：①提供绝对式旋转编码器高分辨率输入信号接口1路，要求分辨率为1024P/R(1024个脉冲每转)；②提供绝对式旋转编码器输入信号接口3路，要求分辨率为360P/R(360个脉冲每转)；③提供开关量输入接口24路，要求接地有效；④提供8路开关量输出接口；⑤同时支持USB2.0接口和RS232接口与上位机通信；⑥所有接口用专门的接线端子引出，系统电源采用外接专用适配器供电。

3 数据采集控制系统方案选择

以下方案均可实现数据的采集与控制，方案①选用单片机；方案②选用PLC；方案③采用数据采集卡。通过比较发现，方案②的成本相对较高，体积较大；方案③成本高，接口数量有限；而方案①成本低，接口数量多且可扩展性好，控制较为灵活，因此论文选用第一种方案。

根据以上数据采集控制系统多输入输出接口和快速响应的要求，单片机需要的管脚数较多，还要支持USB接口和RS232接口与上位机通信，同时考虑到资源的合理利用，论文选取 100脚的STM32F103VBT6作为系统主控芯片，其最高工作频率可达72MHz。数据采集控制系统结构框图如图1所示，系统由上位机和下位机两部分构成，以STM32微处理器为核心的数据采集控制器作为下位机；以PC机作为系统上位机，结合相应的上位机驱动程序和应用软件，实现数据传输[5]。

图1 数据采集控制系统结构框图

4 数据采集控制系统硬件设计

4.1 硬件总体设计

系统硬件由核心控制器、数据采集电路、OC输出电路、RS232串口电路、USB接口电路、电源电路、时钟和复位电路、SWD下载电路等部分组成，其硬件总框图如图2所示。STM32VBT6通过串口和USB接口与上位机进行通讯，根据上位机的指令做出应答。系统整体硬件设计图如图3所示。

图2 硬件总框图

4.2 数据采集电路

综合考虑编码器的精度和成本，系统选用欧姆龙绝对式旋转编码器OMRON E6C3-A，其输出方式为格雷二进制码[6]。编码器的电路如图4所示，4路格雷码编码器的接口都设计成10位数据线，这样设计的优点是可以兼容1024分辨率和360分辨率的编码器。同时还预留了1路SSI编码器接口以支持使用高精度的SSI编码器。

24路开关量输入及编码器输入电路的设计如图5所示，输入管脚均采用上下拉二极管的方式对管脚进行保护，防止电压过高或过低损坏单片机管脚。当输入电压过高时，上拉二极管导通，电流通过上拉二极管流入VCC3.3V电源，单片机管脚电压被钳制；当输入电压过低时，下拉二极管导通，输入电压被钳制到负0.7V，从而保护单片机的管脚。

4.3 OC输出电路

输出部分的设计如图6所示，8路输出均采用OC输出，采用OC输出的优点是输出电压可以根据负载选择为5V、24V或外接电源等，驱动能力强。

4.4 其它电路

整个系统电源采用外接专用12～24V 2A直流适配器供电。系统电源进来后直接为欧姆龙旋转编码器供电，同时通过开关电源中LM2596T-5.0芯片转为5V，再通过SPX1117M3-3.3芯片转为3.3V为STM32供电。利用MAX232芯片完成单片机的TTL信号和RS232信号的相互转换，通过RS232串口电路与PC机通信，也可用USB接口电路和PC机通信[7]；时钟电路为单片机输入时钟信号；SWD下载电路用于单片机程序调试和烧写。

为了减少电磁干扰，PCB布局时，晶振应尽可能靠近单片机，所有元器件均采用贴片元件。PCB制板时采用沉金工艺，以防止氧化，CPU板和接口板分开，采用软电缆线连接，提高系统的稳定性和可靠性。

图3 系统整体硬件设计图

图4 编码器电路

图5 输入管脚保护电路

图6 输出部分电路

5 数据采集控制系统软件设计

数据采集控制系统软件主要完成多路信号的采集与处理，下位机接到上位机指令时按照通信协议将数据发送给上位机，并根据输出指令执行相应的操作。软件采用C语言模块化编程，主要由主程序、数据采集处理程序、USB通信中断服务程序、RS232通信中断服务程序、输出控制程序等构成。其主程序工作流程图和中断服务程序流程图分别如图7、图8、图9所示。主程序主要完成系统的初始化工作，包括系统时钟初始化、中断向量初始化、GPIO端口初始化、串口初始化、USB初始化等；USB通信和RS232通信程序实现单片机和上位机之间的通讯，根据数据采集的速率和实时性需求，USB模块采用虚拟串口的传输方式[8]；数据采集处理程序主要完成编码器信号和24路开关量输入信号的采集与处理；输出控制程序根据上位机命令对8路开关量输出进行控制。

图7 主程序工作流程图

图8 RS232中断服务程序流程图

图9 USB中断服务程序流程图

上位机与下位机之间的数据通讯采用“呼叫—应答”处理模式，通讯数据帧结构如表1所示，每帧都由包头、包长、数据域、校验和4个部分构成。每包数据以0x7f开头标识，包长为数据字段长度和检验字段长度之和，检验方式为包头、包长以及数据字段的求和。数据字段中包含地址码和功能码，下位机根据地址码和功能码对上位机的请求做出响应。

表1 通讯数据帧结构

格雷码编码器的输出信号是格雷二进制码，单片机采集到数据后需转换为二进制，转换程序如下：

STM32F103VBT6上电复位后，PA13/14/15和PB3/4默认配置为JTAG功能。本系统中这5个引脚需要用作普通I/O口，故必须对这几个引脚的功能复用，通过以下程序把PA13/14/15和PB3/4引脚配置为普通I/O口：

6 结束语

设计了一种基于STM32单片机的驾驶模拟器实时数据采集控制系统。测试结果表明系统响应速度在10ms以内，完全能够满足数据采集控制系统在性能和实时性上的要求。并且该系统可靠性高，稳定性好，能满足实际需求。

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[2]李国峰，吴振华，冯磊.虚拟现实建模技术研究及其在汽车模拟驾驶器中的应用[J].武汉理工大学学报，2005（6）：41-42. Li Guofeng,Wu Zhenhua,Feng Lei.Virtual Reality Modeling Technology Research and It’s Application in Automobile Driving Simulation Device[J].Journal of Wuhan University of Technology,2005(6):41-42.

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[6]欧姆龙自动化中国统辖集团.欧姆龙E6B2/E6CP型旋转编码器[J].纺织机械，2007（2）：21-23. Omron automation China governance group.Omron E6B2/E6CP type rotary encoder[J].TEXTILE MACHINERY,2007(2):21-23.

[7]潘琢金，李冰，罗振，杨华等.基于STM32的UART-WiFi模块的设计与实现[J]制造业自动化，2015（7）：127-130. Pan Zhuojin,Li Bing,Luo Zhen etal.Design and implemention of UART-Wifi module based on STM32[J].Manufacturing Automation,2015(7):127-130.

[8]王太晓，林晓焕，周静雷.基于STM32处理器的USB通信设计[J].微处理机，2015（1）：25-28. Wang Taixiao，Lin Xiaohuan，Zhou Jinlei.Design ofUSB Communication Based on the STM32 Processor[J].MICROPROCESSORS,2015(1)：25-28.

Design of Vehicle Driving Simulator Data Acquisition and Control System

Zhang Yi，Shao Jianlong，Chen Guang，Zhao Jianping，Luo Qian
（Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China）

The performance of data acquisition and control system has a significant effect on the vehicle driving simulation system,especially on interaction and reality.According to the requirement of multiple input-output interface and fast response on the data acquisition and control simulator,a set of real-time data acquisition control system based on STM32 microcontroller,using C language modular programming technology,is designed to realize the data collection processing and control with fourroad gray code encoder,a SSI encoder,24 digital signal input and 8 digital signal output,and communicate with PC by USB/RS232.The experimental results show that the designed control system of data acquisition reveals with good real-time performance and high reliability,and meets the actual requrements.

Vehicle driving simulator；Data acquisition and processing；STM32 microcontroller；System；Encoder；Communication

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.023

TN919.5

A

1002-2279-（2017）01-0091-05

张燚（1991-），男，陕西省安康市人，硕士研究生在读，主研方向：智能化信息处理系统。

2016-09-06