摘? 要:? 一種在自行研制的車載測試系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)采集板,，闡述了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計,。該數(shù)據(jù)采集板采用單獨的MCU控制,，采集電路以一片12位高速A/D芯片MAX120為核心，數(shù)據(jù)采用了循環(huán)存儲的思想,，數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了多通道的同步,、高速，并實現(xiàn)了沖擊條件下的大容量數(shù)據(jù)的可靠保存,。實驗證明了這種采集板的可靠性,。?

　　關(guān)鍵詞: 碰撞? 數(shù)據(jù)采集? 數(shù)據(jù)存儲? 同步? 可靠性?

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??? 在汽車被動安全性研究中，碰撞實驗是一項關(guān)鍵性的實驗,，而通過合適的測量技術(shù)取得整車或零部件和模型假人的實驗數(shù)據(jù)才能保證實驗的成功,。汽車碰撞實驗中的電測量技術(shù)主要有兩大類:一類是拖長線測量方式;一類是車載數(shù)據(jù)采集。隨著研究的深入和對測量技術(shù)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(tǒng)需要具備能承受大沖擊,、通道數(shù)多,、大容量數(shù)據(jù)可靠存儲及觸發(fā)準(zhǔn)確的特點。國外的碰撞實驗車載測試系統(tǒng)已形成比較成熟的產(chǎn)品,，但價格相當(dāng)昂貴,。而國內(nèi)的測試設(shè)備也都是在各自領(lǐng)域研制，不適合在碰撞實驗的惡劣環(huán)境條件下使用,。?

　　數(shù)據(jù)采集板是這種車載測試設(shè)備的核心,，本文比較深入研究了一種用于該車載設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集板。按照正面碰撞乘員保護的設(shè)計規(guī)則(CMVDR294)中對測試儀器的規(guī)定,，將本車載測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板每個通道采樣頻率設(shè)計為10kHz,，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量采用12位的數(shù)字長度?？紤]到信號后續(xù)分析處理的需要,，在系統(tǒng)設(shè)計上使各通道信號采集完全同步。?

1 數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計原理?

　　車載測試系統(tǒng)采用多塊數(shù)據(jù)采集板并行工作的方式,，由單獨主模塊負(fù)責(zé)觸發(fā)判斷,。每個數(shù)據(jù)采集板作為整個測試系統(tǒng)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(fù)責(zé)一路通道信號采集來滿足同時性的要求,，但這樣使大數(shù)目通道擴展很困難，并且使整個系統(tǒng)很龐雜,，降低了碰撞時的可靠性,。在本板設(shè)計中每塊數(shù)據(jù)采集板使用一塊A/D芯片實現(xiàn)四個通道信號的同步采集,。這樣通過減少芯片數(shù)量使采集板的可靠性得到提高。采集板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,。?

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　　在測試系統(tǒng)工作時,，數(shù)據(jù)采集板不斷把傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，循環(huán)存儲在數(shù)據(jù)采集板的存儲器中,。當(dāng)數(shù)據(jù)采集板接收到控制模塊產(chǎn)生的碰撞結(jié)束信號時會產(chǎn)生中斷,，停止數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fù)雜工況下有著廣泛的應(yīng)用，并且在某安全氣袋控制器中也得到了實際應(yīng)用,，實踐證明它的耐沖擊性符合本數(shù)據(jù)采集板的要求,。它在擴展模式下有8根數(shù)據(jù)線和16根地址線，可以尋址64KB的空間,。這種MCU對數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的尋址是統(tǒng)一的,，都在這64KB空間內(nèi)，通過設(shè)置相關(guān)寄存器重新安排單片機的RAM區(qū)和寄存器區(qū),，使在配置后的地址空間中＄0000～＄CFFF是連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲器區(qū),。?

　　但是受單片機最大尋址64KB的限制，數(shù)據(jù)存儲器的空間很小,。由于每塊數(shù)據(jù)采集板要存儲四個通道模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲器,。MCU只有16根地址線，所以采用分頁擴展存儲器技術(shù),，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(shù)據(jù),。從而系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)存儲空間是16×52=832KB,，即每個通道的數(shù)據(jù)存儲器容量是208KB。若采樣速率以10kHz計算,，而每個轉(zhuǎn)換結(jié)果為12bit,，最大占用2個字節(jié)空間，所以系統(tǒng)可以保存的每個通道數(shù)據(jù)時間是208÷(10×2)=10.4s,，滿足系統(tǒng)要求,。?

2.2 信號調(diào)理電路?

　　汽車碰撞實驗中采用EG&G公司的壓阻式傳感器，它內(nèi)部集成了穩(wěn)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(diào)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(tǒng)的轉(zhuǎn)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(shù)可以在檔位1,、2、5,、10間調(diào)節(jié),，這樣在不同沖擊強度的實驗中都可使信號轉(zhuǎn)換的分辨率較高。放大后的信號還被MAX291構(gòu)成的程控濾波器濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換電路,。按碰撞法規(guī)要求,，濾波頻率設(shè)定為2kHz。?

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路?

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

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　　圖2中的MAX308^[2]是MAXIM公司的多路開關(guān),，它具有低導(dǎo)通電阻(小于100Ω)、低泄漏電流的特點,，典型開關(guān)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(guān)直接連接,，輸入信號在多路開關(guān)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(guān)上引起的壓降誤差只有緩沖器本身近于零內(nèi)阻,，保證了信號在傳輸?shù)紸/D芯片的輸入端不會引起大的失真,。實際設(shè)計中采用這一方式大大提高了系統(tǒng)的精度。?

　　由于數(shù)據(jù)采集板只用了一塊A/D芯片,，為了保證各路信號的轉(zhuǎn)換都同步,，設(shè)計中在多路開關(guān)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(huán)中,，首先發(fā)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(tài),，隨后多路開關(guān)逐步選通每一路模擬信號進入A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)工作時序如圖3所示,。

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　　系統(tǒng)工作時，切換通道和啟動A/D轉(zhuǎn)換器使用同一條指令:?

　　STAA? ＄DFF0,，CHANEEL?

　　當(dāng)這條指令執(zhí)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(shù)據(jù)總線上的通道號CHANEEL(對應(yīng)數(shù)據(jù)總線的AD2,、AD1、AD0)和多路開關(guān)控制信號MEN通過74HC373分別出現(xiàn)在MAX308的地址選擇端和控制端,，對應(yīng)通道的模擬信號經(jīng)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(zhí)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(zhuǎn)換器MAX120的啟動信號?？紤]到被選中通道的模擬信號出現(xiàn)在MAX308輸出端需要一定的建立時間才能達(dá)到合適精度,，同時工作在方式1下的MAX120其內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果的精度,。為此設(shè)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(zhuǎn)換器的啟動信號CON。轉(zhuǎn)換啟動后,，MCU通過與PA0管腳相連的信號判斷轉(zhuǎn)換完成。在讀數(shù)據(jù)指令執(zhí)行的同時,，轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀信號2Y3控制,，通過總線緩沖器74HC245送入MCU的數(shù)據(jù)總線，被讀入MCU后再寫入存儲器單元,。?

2.4 存儲單元?

　　設(shè)計中的數(shù)據(jù)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(nèi)置鋰電池,，在無外部供電的情況下數(shù)據(jù)能保存相當(dāng)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(tǒng)電源斷掉的情況，也可以把實驗中采集的數(shù)據(jù)保存下來,，大大增強了系統(tǒng)的可靠性,。?

3 采集板軟件設(shè)計?

　　數(shù)據(jù)采集板軟件主要實現(xiàn)兩個功能:完成對模擬量的采樣和存儲;與PC機聯(lián)機通訊。主程序流程如圖4所示,。在設(shè)置采樣參數(shù)后,，數(shù)據(jù)采集板對4路模擬信號進行一次循環(huán)采樣，存儲結(jié)束后根據(jù)采樣結(jié)束標(biāo)志判斷是否已完成數(shù)據(jù)采集工作,。其中采樣結(jié)束標(biāo)志是在主模塊判斷觸發(fā)后,、數(shù)據(jù)采集板中的外中斷(IRQ)響應(yīng)時，執(zhí)行中斷子程序時設(shè)置的,。在采集過程中,，程序把采集到的數(shù)據(jù)連續(xù)存儲，每當(dāng)所設(shè)地址指針到達(dá)數(shù)據(jù)存儲區(qū)底部時,，設(shè)定其重新指向存儲區(qū)頂部,，用重新存儲的數(shù)據(jù)刷新原來的數(shù)據(jù)。采樣結(jié)束后在數(shù)據(jù)存儲器區(qū)最后一次的采樣數(shù)據(jù)之后存儲連續(xù)＄0F個＄FF,，作為采樣結(jié)束的標(biāo)志,。數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機之后，在數(shù)據(jù)處理中可根據(jù)連續(xù)的＄0F個＄FF標(biāo)志向前判斷,、選取所采集到的各個通道碰撞波形,。這種循環(huán)存儲方式在有限的存儲空間內(nèi)最大長度地保存了所需要的碰撞時刻前后的波形。

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　　聯(lián)機通訊軟件的作用是在實驗之前設(shè)定采樣參數(shù),，在實驗之后把每塊數(shù)據(jù)采集板存儲器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機,。 ?

　　本文介紹了自行研制的用于汽車碰撞實驗車載測試設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集板。該數(shù)據(jù)采集板具有以下特點:①采集板使用單獨的MCU控制,，構(gòu)成的測試系統(tǒng)在實驗過程中不需要地面微機的干預(yù);②用一片A/D芯片實現(xiàn)四通道同步高速數(shù)據(jù)采集,，文中分析了其工作時序;③實現(xiàn)了碰撞實驗在大沖擊環(huán)境下大容量數(shù)據(jù)的可靠存儲;④程序設(shè)計上采用了循環(huán)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(gòu)成更多通道數(shù)的采集系統(tǒng),。?

　　在整個板卡設(shè)計中沒有采用任何可調(diào)節(jié)的元器件,，在系統(tǒng)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(tǒng)的耐沖擊性和可靠性,。在與原有測量系統(tǒng)的對比實驗中,，對于相同輸入信號，使用該數(shù)據(jù)采集板的車載測試系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的采集結(jié)果體現(xiàn)了很高的一致性,，滿量程的誤差小于0.8%,，符合系統(tǒng)的精度要求，取得了較好的效果,。同時這一數(shù)據(jù)采集板還可以應(yīng)用在其它需要高速同步采集的測試實驗中,。?

參考文獻?

1 沈蘭蓀.數(shù)據(jù)采集技術(shù)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,，1990. ?

2 Maxim Integrated Products. 產(chǎn)品資料全集CD-ROM，4.0版,，2000.?