基于DSP與LabVIEW的汽車行駛姿態參數采集系統設計

隨著現代科學技術的發展，人們更加注重汽車駕駛的安全問題，不斷將各種先進技術應用到汽車上，以提高汽車的安全性，如防抱死制動系統，ESP(電子穩定性控制)系統。汽車行駛姿態參數采集作為汽車安全系統動力學研究的基礎，對其有重要影響。本設計通過ADIS16355傳感器及DSP TMS320F2812構成數據采集系統,采集汽車在行駛過程中縱向加速度、側向加速度以及Z軸角速度，并通過串口傳送到上位機，以LabVIEW作為軟件平臺對采集數據進行處理及分析。

ADIS16355是ADI公司生產的一款數字輸出、6自由度微慣性測量系統。其通過SPI(Serial Peripheral Interface)串行接口輸出X、Y、Z三軸方向的角速度及加速度,核心傳感器測量部件采用iMEMS?誖運動信號處理技術，測量精度高。DSP作為運算、控制處理器以其高速、高精度的性能廣泛應用于數據采集系統領域。本系統采用的TMS320F2812芯片的CPU是32位的定點內核，包含SPI串行外設，很簡便地建立了與ADIS16355的硬件電路。另外上位機采用NI公司開發的LabVIEW虛擬儀器平臺，其采用強大的圖形化編程(G語言)語言，面向測試工程師而非專業程序員，編程非常簡便，研發周期短，人機交互界面直觀友好[1]，具有各種常用的總線節點和豐富的軟件包及驅動程序，能簡捷地實現DSP與PC機之間的串口通信；同時LabVIEW還具有強大的數據處理及分析功能，能對采集的數據進行處理和分析。

1 系統硬件設計

系統硬件框圖如圖1所示，硬件電路的主要芯片包括TMS320F2812、ADIS16355、MAX2323。


1.1 TMS320F2812與ADIS16355硬件接口模塊

　TMS320F2812是TI公司研發的高性能、多功能、高性價比的DSP芯片。該芯片最高可在主頻150 MHz下工作，帶有18 K×16 bit 零等待周期片上ARAM和128 K×16 bit片上Flash（存取時間36 ns)，片內集成了大量的外設，包括雙通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外設接口SPI、看門狗定時器Watchdog、通用輸入/輸出引腳GPIO等[2]。TMS320F2812作為本數據采集系統的控制核心，直接控制ADIS16355的工作狀態及數據采集,并將ADIS16355數據通過串口傳入PC機進行處理。

TMS320F2812與傳感器通過SPI接口進行通信，其電路如圖2所示。SPI是一個可編程的高速同步串行輸入/輸出接口，提供了一個高速同步串行總線，可用于CPU與外圍設備或其他控制器之間的通信。該接口提供了四個外部引腳：串行時鐘引腳（SPISCLK）、主設備輸入/從機輸出引腳（SPISOMI）、從輸入/主輸出引腳（SPISIMO）及從發送使能引腳（SPISTE）[2]，可根據需要使用其中的2～4條信號線。SPI以主從方式工作， SPISCLK串行時鐘由主設備控制，從設備不能控制該信號。在主設備的時鐘脈沖下，數據從高位到低位依次傳輸，速率可達到幾兆至幾十兆位每秒。

　本系統中TMS320F2812作為主設備，提供SPI串行時鐘，負責向ADIS16355寫入控制命令，ADIS16355作為從設備向TMS320F2812傳送采集到的數字信號。

ADIS16355通過配置相關寄存器可以實現其可編程的特性。ADIS16355共有32個16 bit寄存器，每個寄存器有高低兩地址,其中任何一個都可以用來訪問該寄存器,編寫地址范圍是0x00H～0x3FH[3]。外部CPU對ADIS16355的操作控制就是對其相關寄存器的讀寫,圖3為ADIS16355的讀寄存器操作SPI時序圖。

從圖3可以看出，ADIS16355的一次SPI傳輸包括16 bit數據，第1位為SPI傳輸的讀寫狀態標示符，0為讀，1為寫，第2位沒有特殊意義，緊接著的6 bit是目標寄存器的地址，最后8 bit在寫操作時為將要寫入寄存器的命令，若是讀操作則為無效位。完成一次完整的讀操作需要2次16 bit SPI通信，本次DIN讀取的寄存器地址需要在下一個DOUT信號線上得到寄存器內容，并輸入至TMS320F2812。

1.2 串口通信模塊

TMS320F2812內部含有兩個SCI異步串口,該SCI模塊支持CPU與其他異步外設之間使用標準非歸零碼(NRZ)進行數字通信。其接收器和發送器均為雙緩沖模式，支持16級接收和發送FIFO,發送和接收具有自己獨立的使能和中斷,可以工作在半雙工或全雙工通信模式[4]。通過使用16 bit波特率選擇寄存器,可以設置多達65 000種通信速度。

本模塊采用RS232串行接口標準，在電氣特性上，采用負邏輯RS232電平,而TMS320F2812的信號輸入輸出為TTL電平，因此本設計通過符合RS232標準的驅動芯片MAX3232來實現TTL與RS232之間的電平轉換。

2 系統軟件設計

2.1 DSP軟件設計

TMS320F2812以CCS（Code Composer Studio）作為集成開發環境，既可以用匯編進行開發，也支持C語言，本系統采用的是C語言。系統軟件設計由主程序和若干子程序構成。子程序包括SPI接口子程序、中斷定時子程序、串口子程序等，數據采集程序流程圖如圖4所示。

　在本數據采集系統設計中，TMS320F2812的時鐘頻率為100 MHz,由于ADIS16355的SPI時鐘頻率范圍為10 kHz~2 MHz, 因此設定TMS320F2812的SPI波特率為1 MB/s；用定時器T0啟動ADIS16355進行數據采集,中斷周期設置為100 ms；串口通信設置的波特率為115 200B/s，有效位8 bit，停止位1 bit，無奇偶校驗。下面是SPI初始化、串口初始化和定時程序。

void InitSpi(void){
SpiaRegs.SPICCR.all = 0x4F;
//進入初始狀態，數據在上升沿輸出，自測禁止
SpiaRegs.SPICTL.all = 0x0E; //主動模式，禁止SPI中斷
Spia.Regs.SPIBRR=0x18; //波特率1 MHz
Spia.Regs.SPICCR.all=SpiaRegs.SPICCR.all|0x0080;
SpiaRegs.SPIPRI.bit.FREE = 1 ;}
void InitSci(){
SciaRegs.SCICCR.all =0x0007;
//通信控制寄存器，1個停止位，無奇偶校驗,自測試禁
止，空閑線模式，字符長度8 bit
SciaRegs.SCICTL1.all =0x0003;
SciaRegs.SCICTL2.all =0x0003;
SciaRegs.SCICTL2.bit.TXINTENA =1;
SciaRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA =1;
//禁止接收錯誤中斷，禁止休眠，使能發送接收
SciaRegs.SCIHBAUD = 0x0000;
SciaRegs.SCILBAUD = 0x001a; //波特率設置115 200
SciaRegs.SCICTL1.all =0x0023;}
EALLOW;
PieVectTable.TINT0 = ISRTimer0;
EDIS;
ConfigCpuTimer(CpuTimer0,100,100000);
//設置中斷定時100 ms
StartCpuTimer0();
IER |= M_INT1;
PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx7=1; //開中斷
Interrupt void ISRTimer0 (void) {
CpuTimer0.InterruptCount++;
read_ADI_register(0x0004); //讀取X軸加速度
PieCtrl.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1; }

2.2 基于虛擬儀器LabVIEW的設計

2.2.1 VISA概述

LabVIEW是使用圖形化編程語言，功能強大而又靈活的儀器應用和分析軟件系統，主要用于儀器控制、數據采集、數據分析等領域，適應多種操作系統。LabVIEW中提供各種總線的驅動程序，可以用來編寫各種總線形式的儀器驅動程序。VISA庫即I/O接口軟件庫及其規范的總稱，是LabVIEW的儀器驅動庫之一。VISA是在LabVIEW開發平臺上控制VXI、GPIB、RS232、PXI、PCI以及其他種類儀器的單接口程序庫，是對其他總線驅動函數進行的一個統一封裝的高層API[5]，本身不具備編程能力，可以根據使用的儀器類型，調用適當的底層驅動程序來控制儀器。串行通信使用的VISA庫中的API函數如圖5所示,路徑為：Functions>>Instrument I/O>>VISA Advanced>>Interface Specific>>Serial。

(1)VISA配置串口

該節點主要用于串口初始
化，主要端口說明如下：
VISA resource name：VISA資源名稱,本文是指串口號。
baud rate：波特率；默認值是9 600 b/s。
data bits：一幀信息中的位數,在LabVIEW中允許5~8 bit數據，默認值為8 bit。
stop bits：一幀信息中的停止位的位數，可為1位，1位半，或2位。
parity：奇偶校驗設置。可為無校驗、奇校驗或偶校驗。

(2)VISA讀取

該節點為串口通信子VI,是本系統使用的主要節點，從串口中讀出指定數量的字節，并將數據返回至讀取緩沖區，然后利用LabVIEW強大的數據處理功能對數據進行分析和處理。主要端口說明如下：
VISA resource name：VISA資源名稱。
byte count：指定讀取數據的字節數。

(3)VISA關閉

該節點用于將打開的VISA資源關閉。

2.2.2 串口調試軟件

串口調試設計主要包括串口初始化、讀寫數據、數據顯示并保存等部分，程序設計流程圖如圖6示。

　通過VISA庫可以方便地對串口進行與下位機相同的配置，同時結合其他庫中的函數可以實現串口發送、接收、顯示以及存儲部分的編寫。

在數據發送和接收模塊中，由于LabVIEW的串行通信中數據都是以字符串（Normal）的形式組成的，所以如果串口發送或接收的數據是十六進制數值，需在發送或接收之前進行相應的轉換。LabVIEW提供了十六進制數值與ASCII字符串之間的轉換模塊。在DSP中一次連續發送兩個8 bit十六進制數，構成一個16 bit傳感器采集數據，因此需要通過字符串至字節數組轉換節點將其轉換為字節數組，再連接起來。VISA讀取節點接收到的數據在處理過程中，需要一些數據格式類型的轉換，如：字符數組轉換為十六進制函數。數值經過處理后，再以熟悉的十進制形式進行波形顯示和Excel格式保存。LabVIEW程序設計前面板如圖7所示。

3 實驗結果

本數據采集系統對汽車行駛時的縱向加速度、側向加速度以及Z軸角速度各采集了5組數據,每組1 000個點。上位機通過LabVIEW接收數據并進行一定的處理，然后顯示，保存在Excel文檔中。圖7所示的波形為其中一組縱向加速度的波形，加速度參數的單位為g，角速度參數的單位為(°)/s。根據加速度公式：a=(vt-v0)/t；vt-v0=2 as；可以計算出汽車行駛時的縱向加速度，與本設計采集的數據在傳感器誤差范圍內一致。通過對縱向加速度的分析可知,此數據采集系統能達到設計要求。

該數據采集系統通過以AIDS16355傳感器和TMS320F2812作為數據采集模塊，并在PC機上采用LabVIEW虛擬儀器平臺，方便地實現了對串口的讀寫、對數據的顯示與存儲。實驗證明，基于DSP與LabVIEW的汽車行駛姿態參數采集系統工作穩定，操作簡單，采集速度快，數據精度高，為實現汽車安全系統的動力學研究提供了可靠的數據。