基于ARM和ADIS16355的汽車二自由度數據采集系統

汽車X、Y、Z三個方向的旋圖1汽車三維坐標系轉角速度與加速度可通過ADIS16355傳感器測得，測得的數據通過ADC轉換成數字信號，然后通過SPI串行通信協議把采集到的數據傳送到控制器中，這里只取側向加速度與橫擺角速度這兩個信息量。采用的控制器是Philips公司生產的ARM7處理器LPC2119.數據采集系統工作原理如圖2所示。

2 系統模塊介紹

2.1 LPC2119簡介

ARM是指精簡指令集的微處理器，具有高性能、廉價、低耗能的特點，在各個領域得到了廣泛的應用。該系統采用的是ARM7系列的LPC2119微控制器。LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S內核的微控制器，并帶有128 KB的高速Flash存儲器；指令支持32位的ARM模式與16位的Thumb模式：128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼的ARM方式能夠在最大時鐘速率下運行；對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30％，而性能的損失卻很小。LPC2119具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN總線、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷，功耗低，性能強大，特別適用丁汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線。由于內置了寬范圍的串行通信接口，也非常適合于通信網關、協議轉換器以及其他各種類型的應用。

2.2 ADIS16355簡介

ADIS1635傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器，具有體積小、功能強、功耗低等特性。它主要由以下模塊組成：陀螺儀、加速度傳感器、A/D轉換器、數字校準以及SPI協議轉換模塊。在三維直角坐標系X、Y、Z中，陀螺儀與加速度傳感器首先感應到物體的運動，分刖測得運動物體X、Y、Z三個方向的旋轉角速度與加速度，三個方向旋轉角速度的測量范用分別為±75°/s、±150°/s、±300°/s，加速度的測量范圍都為±10g，有效數據位都為14位。它具有很高的分辨率，其中旋轉角速度的最低分辨率為0.073 26，三個方向的加速度的分辨率為2.255mg，基本能滿足用戶的需求。它的工作電壓為5 V，直接輸出16位的數字信號，通過SPI通信協議傳送。ADIS16355的結構框圖如圖3所示。

2.3 SPI協議簡介

SPI協議是Motorola公司制定的全雙工串行通信協議，具有傳送速度快、協議簡單的特點。通信只需要四根線，即SCK（時鐘）、SSEL（從機選擇）、MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）；最高傳送速率可以達到系統工作頻率的1/8，并且已經得到了廣泛的應用。ADIS16355也是通過SPI協議來傳送。首先把LPC2119中集成的SIP控制器設置為主機，把傳感器的SPI接口設置為從機，把它們的接線對應連接起來，即相當于從控制器的從機選擇端，在通信過程中要使它一直保持低電平，處于有效狀態；然后，通過主控制器把需要采集信號的地址發送到從控制器中。SPI時序圖如圖4所示。

由于傳感器ADIS16355輸出的數據是16位的，所以傳送數據也是以16為周期。最高位代表讀寫控制位，如果為0代表向傳感器中寫入命令，為1則代表從傳感器中讀出當前狀態；次高位為0，緊接著的6位代表對應寄存器的地址，最后面8位不關心。注意，在這個地址下讀出來的數據是對應上一個地址的數據；與此同時從控制器把對應的采集到的16位數據發送到主機中去。

3 系統軟件設計與數據分析

該系統針對汽車二自由度的數據采集，而汽車二自由度是指汽車橫擺角速度與側向加速度，所以利用ADIS16355傳感器采集這兩個數據。由ADIS16355的說明書可知，反映橫擺角速度的寄存器的地址為0x08或0x09，而側向加速度對應的寄存器地址為0x0A或0x0B，要想得到汽車橫擺角速度與側向加速度，按照時序讀出相應寄存器地址的數據即可。其工作流程如圖5所示。

通過串口可以讀取Y軸的側向加速度與X軸的橫擺角速度，如表1所列。

然而汽車運行中不可避免會受到其他因素的干擾，采集到的數據可能存在一定程度上的失真性，因此需要找出干擾源的類型，從而選擇適當的方法把雜波濾掉，得到相對準確的數據。為此設計汽車怠速與正常運行兩種模式。汽車在怠速狀態下，由于汽車是相對靜止狀態，理論上測到的汽車橫擺角速度與側向加速度為0，然而由于存在其他的干擾因素，因而實際測得的數據并不為0.通過對測試數據的分析可以得到干擾源的類型，從而根據干擾類型而設計出相應的濾波方式。下面分別就汽車的怠速模式與正常運行模式兩種運動方式具體分析。

3.1 汽車怠速模式

汽車怠速模式是指發動機處于啟動狀態，但是汽車處于停止不前的狀態，可以測得相應的數據。這里以汽車的橫擺角速度數據進行分析，取了2500個采樣點，利用數據的統計特性對數據分別求均值、協方差與功率譜密度，求得的均值為-7.7682e-005，近似為0.為了直觀，把采集到的源數據、協方差與功率譜密度通過MATLAB作圖的方式顯示出來，如圖6所示。

由圖可知，自相關函數只有在橫坐標為0時候才有取值，功率譜密度分布比較均勻，而且采集到的數據均值近似為0，這與高斯白噪聲的統汁特性相似，因而斷定干擾源類型為高斯白噪聲。

汽車正常運行模式是汽車勻速行駛在水平、下燥、水泥路面上，測得此時的汽車橫擺角速度與側向加速度。從傳感器采集到的數據不可避免地受到干擾源的影響，由上面給出的結論可知干擾源類型為白噪聲。卡爾曼濾波前的數據與濾波后的數據如圖7所示。卡爾曼濾波對白噪聲具有很好的濾波能力，它的濾波原理是最小均差原理，并且當前的數據只與前一個數據有關，數據存儲量小，有利于計算機求解，所以選用卡爾曼濾波方式對采集到的數據進行濾波，從而得到相對準確的數據。這里采集了10 000個數據點。

由圖7可以看到，通過卡爾曼濾波后，曲線更加平滑，有效地剔除了雜波，從而為控制系統提供更準確的數據。

結語

本文采用ARM微控制器和ADIS16355傳感器設計了一種數據采集系統，不但能夠采集汽車的橫擺角速度與側向加速度兩個參數，而且用卡爾曼濾波方式對采集到的數據濾掉了雜波，使得到的數據更為準確。經分析表明，該設計方案是可行的。這種數據采集系統在汽車主動安全方面有很好的應用價值，能為汽車穩定性分析供準確的數據。