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【摘要】針對fsae賽事中賽車的調(diào)教，我們設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過單片機傳輸采集輪速，陀螺儀，線位移等傳感器采集，經(jīng)由數(shù)傳電臺發(fā)送與接受并通過上位機系統(tǒng)顯示，最后使用MATLAB建立數(shù)據(jù)庫進行分析。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集；傳感器；MATLAB

大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱FSAE）是一項由世界上高等院校在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行賽車行駛過程的整車實時監(jiān)控，通過試驗反饋改進設(shè)計，不斷優(yōu)化賽車設(shè)計參數(shù)，可提升賽車性能。本項目提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對動態(tài)的賽車進行數(shù)據(jù)的實時采集、顯示、記錄與分析，并計算處理獲得的數(shù)據(jù)曲線，研究賽車在制動、加速等極限工況下的荷載情況，以指導(dǎo)賽車整車性能優(yōu)化

1整體架構(gòu)

1.1整體架構(gòu)分析

傳感器部分包括三維陀螺儀（用于賽車側(cè)傾角，俯仰角等檢測）、減震器線位移傳感器（用于對減震器行程檢查）、踏板線位移傳感器（用于踏板深度檢查）、輪速傳感器（利用霍爾效應(yīng)原理測量輪速）、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器（用于AFS，ESP等系統(tǒng)）及電機控制器、電池管理系統(tǒng)(BMS)內(nèi)部的傳感器等，可以通過對模擬量的采集、方波脈沖的捕捉、CAN報文的解讀等，采集減震器的壓縮/回彈速度、踏板的深度、輪速、方向盤轉(zhuǎn)向角度，電池總電壓、電流、溫度、SOC等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過單片機傳輸?shù)綌?shù)傳電臺，再由電臺接收數(shù)據(jù)在上位機整合顯示，最后通過MATLAB分析建立數(shù)據(jù)庫。

1.2整體架構(gòu)優(yōu)點

（1）由于采用了異步傳輸?shù)姆绞剑∠随溌返牟铄e控制和流量控制等，這些措施提高了傳輸效率。（2）由于是由傳感器直接傳輸，降低了其他干擾源干擾的可能性，從而增加了數(shù)據(jù)的真實性。（3）采用數(shù)據(jù)集成的方式，通過應(yīng)用間的數(shù)據(jù)交換從而達到集成，主要解決數(shù)據(jù)的分布性和異構(gòu)性的問題。

2硬件系統(tǒng)選型與設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要檢測的傳感器明細如表1所示。脈沖信號通過單片機直接采集，電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片得到數(shù)字信號，單片機通過巡檢的方式定時檢測上述數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理打包，發(fā)送至無線電臺模塊。數(shù)傳電臺采用全雙工2.4GHz無線電臺，有效傳輸距離2100米，符合ModbusRTU協(xié)議，可實現(xiàn)對所需數(shù)據(jù)的傳輸。

3軟件系統(tǒng)開發(fā)與分析

3.1單片機設(shè)計

為實現(xiàn)項目預(yù)期功能，主要調(diào)用了單片機的ADC模塊、ECT模塊、PIT模塊、MSCAN模塊及SCI模塊。（1）ADC模塊設(shè)置7通道12bit精度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換序列的掃描周期為8us?？紤]到賽車在行駛過程中，受到路面激勵復(fù)雜且高頻，讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的頻率取100Hz，即隔10ms采集一次減震器的行程或踏板的行程。（2）ECT模塊使用8bit脈沖累加器對方波信號的脈沖上升沿進行計數(shù)，由于齒圈齒數(shù)（前50齒后60齒）較多、為保證車輪轉(zhuǎn)速較快時仍能對上升沿進行計數(shù)而不至于重疊，選擇讀取脈沖累加計數(shù)寄存器的頻率同樣為100Hz，即每10ms對齒圈轉(zhuǎn)過的齒數(shù)進行一次計數(shù)并將計數(shù)寄存器清零。（3）PIT模塊主要起精確定時的作用，對該模塊內(nèi)的8bit和16bit計數(shù)器的值進行寫入，使能PIT中斷功能，設(shè)置定時時間為10ms，以滿足采集的時間要求。即定時器每隔10ms觸發(fā)一次定時中斷，在定時中斷函數(shù)中將讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器、脈沖累加計數(shù)寄存器的程序語句寫入，即實現(xiàn)了對采樣周期的精確控制。（4）MSCAN模塊用于接收電池管理系統(tǒng)（BMS）、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器及電機控制器(MCU)發(fā)送的CAN報文。采用BOSCH2.0標準的CAN通訊協(xié)議，總線頻率為250Kb/s，數(shù)據(jù)格式根據(jù)節(jié)點的不同而相應(yīng)選用了標準幀和擴展幀。通過廠家提供的CAN通訊協(xié)議，解析每一幀報文的信息，得到所需的數(shù)據(jù)。（5）SCI模塊使用8N1數(shù)據(jù)格式，即1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無奇偶校驗。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，應(yīng)選用較大的的波特率，但是波特率過高會使得無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性下降，丟幀嚴重，所以選取折中的波特率38400，發(fā)送方式為中斷發(fā)送。自定數(shù)據(jù)包格式為定長格式，包括幀頭、幀長、數(shù)據(jù)域、校驗和、幀尾。幀頭為避免與數(shù)據(jù)重復(fù)，設(shè)為FAFF；幀長為固定的37字節(jié)，數(shù)據(jù)域內(nèi)包含傳感器采集到的信息及BMS、MCU內(nèi)讀取的信息，校驗和確保數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)恼_性，幀尾為FE。

3.2上位機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示功能，可分為串口數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存四部分。（1）串口數(shù)據(jù)接收使用LabVIEW的VISA模塊，根據(jù)串口通訊的數(shù)據(jù)格式（8N1）及數(shù)據(jù)幀的協(xié)議，對VISA串口進行相應(yīng)的配置如圖。根據(jù)下位機發(fā)送的周期，每10ms運行一次for循環(huán)進行一幀數(shù)據(jù)的判斷、接收，將數(shù)據(jù)放入“串口數(shù)據(jù)處理”子VI中進行幀頭判斷、校驗，并提取有效的數(shù)據(jù)域輸出到“幀數(shù)組”。（2）串口數(shù)據(jù)處理部分，對數(shù)據(jù)幀的幀頭、幀長等進行判斷，格式正確、校驗通過的數(shù)據(jù)幀將被接收，否則該幀數(shù)據(jù)被丟棄。（3）數(shù)據(jù)顯示部分，根據(jù)數(shù)據(jù)的類型，選擇合適的顯示控件如數(shù)值顯示控件、量表、水平進度條等，將數(shù)據(jù)實時的顯示在程序界面中，顯示的數(shù)據(jù)包括SOC、輸出功率、轉(zhuǎn)速等等。通過數(shù)據(jù)域解析將數(shù)據(jù)域的各字節(jié)數(shù)據(jù)按照協(xié)議規(guī)定，拆分成1個字節(jié)或2個字節(jié)的數(shù)據(jù)并將字符串數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)為數(shù)值類型輸出。輸出后的部分數(shù)據(jù)需要進行相應(yīng)的公式乘以比例加上偏移量才能得到需要觀測的數(shù)據(jù)值。

3.3數(shù)據(jù)采集實驗驗證

通過賽車實際跑動采集回來的數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件繪制賽車四避避震器壓縮回彈速率所占的比例。這里的“速度”是指避震器活塞的線速度。如圖1所示。一般來說，速度在較低范圍，阻尼力由車身側(cè)傾、俯仰等運動引起，輪胎、車身、車手受此速度區(qū)間的運動影響明顯；速度在較高范圍，主要是路面不平引起的激勵；所以，區(qū)分高低速就是要將路面輸入和車身運動分開控制，因為各自需要的吸收的能力和要求的響應(yīng)速度是不同的。應(yīng)盡可能使輪胎載荷保持恒值，以提升輪胎適從性。所以得出的結(jié)論是壓縮與回彈分布盡量對稱（符合正態(tài)分布）；峰值、正態(tài)分布形狀取決于賽道、車手等因素。此外還可以借助線位移傳感器分析賽車在直線行駛中的下壓力來調(diào)整空套的角度，從而獲得更高的速度與更大的抓地力。此上數(shù)據(jù)分析成功驗證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，說明該方案的可實現(xiàn)性

參考文獻

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作者：彭奕超  鄧植云 單位：武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院