摘要：通過(guò)對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器的分析，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍輔助電路，通過(guò)ARM讀取傳感器中的數(shù)據(jù)，對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角速度以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這些參數(shù)為汽車自適應(yīng)前照燈控制，以及助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角相關(guān)信息，為了便于對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送到上位機(jī)上，并且利用Matlab對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
關(guān)鍵詞：方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器；數(shù)據(jù)采集；ARM；Matlab

    自適應(yīng)前照明系統(tǒng)(AFS)，是一種能適應(yīng)各種不同環(huán)境條件的智能前照燈系統(tǒng)，獲得汽車在轉(zhuǎn)彎處的參數(shù)，如：轉(zhuǎn)向角，角速度以及轉(zhuǎn)向，是汽車前向燈自適應(yīng)控制的前提條件。為了獲得這些參數(shù)，采用了方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器，它能測(cè)試出方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向角速度以及轉(zhuǎn)向三個(gè)參數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)在一定程度上能反映汽車在轉(zhuǎn)彎處的行駛狀態(tài)，準(zhǔn)確地獲取這些參數(shù)具有重要意義。因而設(shè)計(jì)了基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在這個(gè)采集系統(tǒng)中方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳送到ARM中，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。

1 方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
    方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向角傳感器，CAN總線和ARM微控制器三個(gè)部分。方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器是通過(guò)CAN總線的方式傳送采集到的信號(hào)，控制器采用的是ARM微處理器，系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 ARM簡(jiǎn)介
    ARM是指精簡(jiǎn)指令集的微處理器，具有高性能、廉價(jià)、耗能低的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用的是ARM7系列的LPC21 19微控制器，LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有128 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼的ARM方式能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30％，而性能的損失卻很小，LPC2119非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其他各種類型的應(yīng)用。
2．2 方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器介紹
    方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器前期安裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)軸上，轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)編碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在發(fā)光二極管照射下，形成或明或暗的圖案，通過(guò)感光元件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形濾波后得到一系列的脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)CAN控制器發(fā)送出去，能提供方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角的絕對(duì)位置。工作電壓是12 V，數(shù)據(jù)是通過(guò)CAN發(fā)送出去的，輸出信號(hào)為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及方向盤(pán)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
2．3 控制器的電源電路與CAN收發(fā)器電路的設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括電源的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向角傳感器需要12 V電源供電，這部分由電源直接提供，LPC2119的控制器需要的5 V電源通過(guò)7805穩(wěn)壓芯片把12 V轉(zhuǎn)化為5 V，7805穩(wěn)壓芯片能夠把12 V的電壓變?yōu)? V，電容C1，C2，C3起到濾波的作用。具體電路如圖2所示。

    由于LPC2219集成了CAN控制器，在此基礎(chǔ)上還必須接上一個(gè)CAN的收發(fā)器，才能正常的收發(fā)數(shù)據(jù)，它實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換與信號(hào)差分傳送的轉(zhuǎn)換的功能。收發(fā)器采用的是PCA82C250控制器，具有差分的形式傳送數(shù)據(jù)，寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。具體電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)轉(zhuǎn)向角傳感器接收程序的設(shè)計(jì)，即CAN總線的接收程序的設(shè)計(jì)(轉(zhuǎn)向角傳感器是通過(guò)CAN接口把數(shù)據(jù)傳送出來(lái)的)，以及在上位機(jī)上利用Matlab對(duì)接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的相關(guān)程序設(shè)計(jì)。
3．1 CAN總線的接收程序設(shè)計(jì)
    CAN總線是目前在汽車上應(yīng)用得最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是目前發(fā)展比較成熟的總線。在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車領(lǐng)域，它能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)以及一點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)輸出接口為CAN接口。LPC2219控制器中具有CAN的控制器，在這個(gè)系統(tǒng)中CAN的程序設(shè)計(jì)包括：CAN的初始化程序設(shè)計(jì)，CAN接收程序的設(shè)計(jì)。CAN接收方式有查詢式接收和中斷式接收，查詢式接收方式總是不停地查詢接收標(biāo)志位，對(duì)控制器來(lái)說(shuō)這是種浪費(fèi)，中斷式接收方式是當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，控制器進(jìn)行中斷，沒(méi)有接收數(shù)據(jù)的時(shí)候ARM可以執(zhí)行其他的任務(wù)，該系統(tǒng)采用的是中斷式接收方式。具體流程圖如圖4所示。

    ARM微控制器接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口來(lái)顯示，并將其保存在txt的文檔里，便于在Matlab中處理。具體部分?jǐn)?shù)據(jù)如下所示：
   
    接收到的信息包括：其中CAN：00表示接收的CAN通道為CAN控制器1；FIF：08表示接收的是具有8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀；FID表示幀的ID號(hào)；Dat表示接收到的數(shù)據(jù)，如果是遠(yuǎn)程幀的話，則為0。
3．2 在上位機(jī)上對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理
    ARM通過(guò)CAN總線把從轉(zhuǎn)向角傳感器接收的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送到上位機(jī)上，并且以txt的格式存儲(chǔ)在上位機(jī)上，由于Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及可視化功能，所以在上位機(jī)上利用Matlab對(duì)接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)是通過(guò)CAN總線以幀的形式進(jìn)行發(fā)送的，是一串十六進(jìn)制數(shù)字，分別代表的是轉(zhuǎn)向角傳感器采集到的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角方向以及角速度，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，從中提取出方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角方向以及角速度。其相應(yīng)的轉(zhuǎn)向角方向以及轉(zhuǎn)向角顯示結(jié)果如圖5所示。

    圖5中橫坐標(biāo)N是采集的數(shù)據(jù)量，取了4 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。以采集第一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間為0時(shí)刻，以后每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是10．3 ms，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多，橫坐標(biāo)只取了具有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖中縱坐標(biāo)分別代表的是方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器轉(zhuǎn)角的方向和大小，用藍(lán)色的點(diǎn)表示轉(zhuǎn)角的大小(采用弧度制)，紅色的曲線表示轉(zhuǎn)角的方向。方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角的方向，順時(shí)針?lè)较蛴?來(lái)表示，逆時(shí)針?lè)较蛴?來(lái)表示，在Matlab中通過(guò)繪圖的方式把這些數(shù)據(jù)形象的顯示出來(lái)。

4 結(jié)論
    本文通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采集到了方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向角速度和方向三個(gè)參數(shù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)處理。經(jīng)分析表明，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是有效的、可行的，能為汽車前向燈自適應(yīng)控制提供準(zhǔn)確的方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角相關(guān)參數(shù)信息。