汽車碰撞實驗車載測試系統中數據采集板的設計

在汽車被動安全性研究中，碰撞實驗是一項關鍵性的實驗，而通過合適的測量技術取得整車或零部件和模型假人的實驗數據才能保證實驗的成功。汽車碰撞實驗中的電測量技術主要有兩大類:一類是拖長線測量方式;一類是車載數據采集。隨著研究的深入和對測量技術要求的提高，對后一種測量方式的需求更加迫切。

汽車碰撞實驗作為一項高速大沖擊的實驗，車載測試系統需要具備能承受大沖擊、通道數多、大容量數據可靠存儲及觸發準確的特點。國外的碰撞實驗車載測試系統已形成比較成熟的產品，但價格相當昂貴。而國內的測試設備也都是在各自領域研制，不適合在碰撞實驗的惡劣環境條件下使用。

數據采集板是這種車載測試設備的核心，本文比較深入研究了一種用于該車載設備中的數據采集板。按照正面碰撞乘員保護的設計規則(CMVDR294)中對測試儀器的規定，將本車載測試系統中的數據采集板每個通道采樣頻率設計為10kHz，模擬信號轉換為數字量采用12位的數字長度。考慮到信號后續分析處理的需要，在系統設計上使各通道信號采集完全同步。

1 數據采集板的設計原理

車載測試系統采用多塊數據采集板并行工作的方式，由單獨主模塊負責觸發判斷。每個數據采集板作為整個測試系統中的一個獨立子模塊，使用單獨的MCU完成采集板的控制工作。同類采集板中大多是用一塊A/D芯片負責一路通道信號采集來滿足同時性的要求，但這樣使大數目通道擴展很困難，并且使整個系統很龐雜，降低了碰撞時的可靠性。在本板設計中每塊數據采集板使用一塊A/D芯片實現四個通道信號的同步采集。這樣通過減少芯片數量使采集板的可靠性得到提高。采集板結構示意圖如圖1。

在測試系統工作時，數據采集板不斷把傳感器信號轉換為數字量，循環存儲在數據采集板的存儲器中。當數據采集板接收到控制模塊產生的碰撞結束信號時會產生中斷，停止數據采集，等待與地面微機的通信。

2 硬件組成

2.1 MCU和地址空間

數據采集板的MCU采用MOTOROLA公司的高檔8位單片機MC68HC-711E9[3]，這種單片機在汽車的復雜工況下有著廣泛的應用，并且在某安全氣袋控制器中也得到了實際應用，實踐證明它的耐沖擊性符合本數據采集板的要求。它在擴展模式下有8根數據線和16根地址線，可以尋址64KB的空間。這種MCU對數據存儲器和程序存儲器的尋址是統一的，都在這64KB空間內，通過設置相關寄存器重新安排單片機的RAM區和寄存器區，使在配置后的地址空間中＄0000～＄CFFF是連續的數據存儲器區。

但是受單片機最大尋址64KB的限制，數據存儲器的空間很小。由于每塊數據采集板要存儲四個通道模擬量的轉換結果，數據存儲器的容量必須有足夠大才能保證存儲較長時間的信號。為此使用了兩片512KB的SRAM芯片628512作為外擴數據存儲器。MCU只有16根地址線，所以采用分頁擴展存儲器技術，用4根PORT A的輸出端口線，使每片628512形成8個64KB的頁面。在每個頁面上＄0000～＄CFFF可以用來存儲數據。從而系統可用的數據存儲空間是16×52=832KB，即每個通道的數據存儲器容量是208KB。若采樣速率以10kHz計算，而每個轉換結果為12bit，最大占用2個字節空間，所以系統可以保存的每個通道數據時間是208÷(10×2)=10.4s，滿足系統要求。

2.2 信號調理電路

汽車碰撞實驗中采用EGG公司的壓阻式傳感器，它內部集成了穩壓裝置，還具有溫度補償功能，自帶放大，使傳感器的輸出范圍變成了±2V。本信號調理電路首先對傳感器的信號放大2倍，這樣傳感器的信號輸出范圍可與一般的A/D模擬端輸入范圍±5V相匹配，提高了系統的轉換精度。此放大電路部分采用了AD公司的儀表放大用芯片AD620，并且硬件上使放大倍數可以在檔位1、2、5、10間調節，這樣在不同沖擊強度的實驗中都可使信號轉換的分辨率較高。放大后的信號還被MAX291構成的程控濾波器濾波后送入A/D轉換電路。按碰撞法規要求，濾波頻率設定為2kHz。

2.3 A/D轉換電路

A/D轉換器是數據采集板的核心，此板設計中選擇了MAXIM公司的12位高速A/D轉換芯片MAX120[2]，它具有雙極性±5V的電壓輸入范圍，完成一次轉換的時間為1.6微秒，內部具有采樣保持電路和低漂移的電壓基準，具有標準的微處理器(μP)接口。利用這種芯片組成的A/D轉換電路如圖2。

圖2中的MAX308[2]是MAXIM公司的多路開關，它具有低導通電阻(小于100Ω)、低泄漏電流的特點，典型開關切換速度為85納紗。

MAX120的輸入阻抗為6kΩ，如果A/D芯片與多路開關直接連接，輸入信號在多路開關上的分壓將會引起的誤差近似為這個誤差超出了要求的精度范圍，為此在A/D芯片前加上輸入緩沖器。在此選用MAXIM公司的高速緩沖放大器MAX405[2]，它的輸入阻抗為2.5MΩ，輸出阻抗為0.01Ω，這樣信號在多路開關上引起的壓降誤差只有緩沖器本身近于零內阻，保證了信號在傳輸到A/D芯片的輸入端不會引起大的失真。實際設計中采用這一方式大大提高了系統的精度。

由于數據采集板只用了一塊A/D芯片，為了保證各路信號的轉換都同步，設計中在多路開關之前給每路信號都加上采樣保持電路(AD781)[1]。采集板工作時，每次采樣循環中，首先發出采樣/保持信號使各通道信號被同時采樣后進入保持狀態，隨后多路開關逐步選通每一路模擬信號進入A/D轉換器。

采集電路采用MAX120的全控制方式(方式1)。在這種方式下形成的系統工作時序如圖3所示。

系統工作時，切換通道和啟動A/D轉換器使用同一條指令:

STAA ＄DFF0，CHANEEL

當這條指令執行時，譯碼形成的LAE與E時鐘信號的邏輯組合使LE呈高電平，選通74HC373，數據總線上的通道號CHANEEL(對應數據總線的AD2、AD1、AD0)和多路開關控制信號MEN通過74HC373分別出現在MAX308的地址選擇端和控制端，對應通道的模擬信號經過MAX308輸出到緩沖器MAX405。在下個E時鐘，LE變成低電平，74HC373鎖存通道號和控制信號MEN，選中通道的模擬信號始終保持在MAX308輸出端，直到下次通道選擇指令被執行。

MAX308的一路被選通的同時， LAE信號還與寫信號2Y2進行邏輯組合作為A/D轉換器MAX120的啟動信號。考慮到被選中通道的模擬信號出現在MAX308輸出端需要一定的建立時間才能達到合適精度，同時工作在方式1下的MAX120其內部采樣保持器也需要一定的采樣時間(350納秒)來捕捉輸入模擬信號，因此在MAX308的通道切換和啟動MAX120之間需要一定的時間間隔才能保證轉換結果的精度。為此設計中選擇了使LAE與2Y2信號相或，再通過兩片MXD1000延遲芯片延時400納秒作為A/D 轉換器的啟動信號CON。轉換啟動后，MCU通過與PA0管腳相連的信號判斷轉換完成。在讀數據指令執行的同時，轉換結果被讀信號2Y3控制，通過總線緩沖器74HC245送入MCU的數據總線，被讀入MCU后再寫入存儲器單元。

2.4 存儲單元

設計中的數據存儲單元選用了兩片RAM芯片628512。考慮到實際實驗是大強度撞擊，使用時用非易失性SRAM來代替。HK1255是與628512完全兼容的非易失性SRAM芯片，可以直接代替628512使用，并且其內置鋰電池，在無外部供電的情況下數據能保存相當長的時間。這樣就保證了即使實驗中遇到大沖擊強度使系統電源斷掉的情況，也可以把實驗中采集的數據保存下來，大大增強了系統的可靠性。

3 采集板軟件設計

數據采集板軟件主要實現兩個功能:完成對模擬量的采樣和存儲;與PC機聯機通訊。主程序流程如圖4所示。在設置采樣參數后，數據采集板對4路模擬信號進行一次循環采樣，存儲結束后根據采樣結束標志判斷是否已完成數據采集工作。其中采樣結束標志是在主模塊判斷觸發后、數據采集板中的外中斷(IRQ)響應時，執行中斷子程序時設置的。在采集過程中，程序把采集到的數據連續存儲，每當所設地址指針到達數據存儲區底部時，設定其重新指向存儲區頂部，用重新存儲的數據刷新原來的數據。采樣結束后在數據存儲器區最后一次的采樣數據之后存儲連續＄0F個＄FF，作為采樣結束的標志。數據傳輸到地面PC機之后，在數據處理中可根據連續的＄0F個＄FF標志向前判斷、選取所采集到的各個通道碰撞波形。這種循環存儲方式在有限的存儲空間內最大長度地保存了所需要的碰撞時刻前后的波形。

聯機通訊軟件的作用是在實驗之前設定采樣參數，在實驗之后把每塊數據采集板存儲器中的數據傳輸到地面PC機。

本文介紹了自行研制的用于汽車碰撞實驗車載測試設備中的數據采集板。該數據采集板具有以下特點:①采集板使用單獨的MCU控制，構成的測試系統在實驗過程中不需要地面微機的干預;②用一片A/D芯片實現四通道同步高速數據采集，文中分析了其工作時序;③實現了碰撞實驗在大沖擊環境下大容量數據的可靠存儲;④程序設計上采用了循環存儲的思想，最大限度地利用了存儲空間;⑤與其它模塊一起可以構成更多通道數的采集系統。

在整個板卡設計中沒有采用任何可調節的元器件，在系統固定上采用了很好的固化與緩沖，這些措施也大大提高了系統的耐沖擊性和可靠性。在與原有測量系統的對比實驗中，對于相同輸入信號，使用該數據采集板的車載測試系統與原有系統的采集結果體現了很高的一致性，滿量程的誤差小于0.8%，符合系統的精度要求，取得了較好的效果。同時這一數據采集板還可以應用在其它需要高速同步采集的測試實驗中。