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(jì),。該數(shù)據(jù)采集板采用單獨(dú)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(chǔ)的思想,，數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了多通道的同步、高速,，并實(shí)現(xiàn)了沖擊條件下的大容量數(shù)據(jù)的可靠保存,。實(shí)驗(yàn)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(chǔ)? 同步? 可靠性?

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??? 在汽車被動(dòng)安全性研究中,，碰撞實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn),，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能保證實(shí)驗(yàn)的成功。汽車碰撞實(shí)驗(yàn)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(duì)測量技術(shù)要求的提高,，對(duì)后一種測量方式的需求更加迫切。?

　　汽車碰撞實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)高速大沖擊的實(shí)驗(yàn),，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(chǔ)及觸發(fā)準(zhǔn)確的特點(diǎn),。國外的碰撞實(shí)驗(yàn)車載測試系統(tǒng)已形成比較成熟的產(chǎn)品,，但價(jià)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(shí)驗(yàn)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(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則(CMVDR294)中對(duì)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(gè)通道采樣頻率設(shè)計(jì)為10kHz，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量采用12位的數(shù)字長度,?？紤]到信號(hào)后續(xù)分析處理的需要，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使各通道信號(hào)采集完全同步,。?

1 數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)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(dú)主模塊負(fù)責(zé)觸發(fā)判斷。每個(gè)數(shù)據(jù)采集板作為整個(gè)測試系統(tǒng)中的一個(gè)獨(dú)立子模塊,，使用單獨(dú)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(hào)采集來滿足同時(shí)性的要求，但這樣使大數(shù)目通道擴(kuò)展很困難，并且使整個(gè)系統(tǒng)很龐雜,，降低了碰撞時(shí)的可靠性,。在本板設(shè)計(jì)中每塊數(shù)據(jù)采集板使用一塊A/D芯片實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道信號(hào)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(shí)，數(shù)據(jù)采集板不斷把傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，循環(huán)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集板的存儲(chǔ)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(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，停止數(shù)據(jù)采集,，等待與地面微機(jī)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(jī)MC68HC-711E9^[3]，這種單片機(jī)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(shí)際應(yīng)用,，實(shí)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(kuò)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(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)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(jī)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(chǔ)器區(qū)。?

　　但是受單片機(jī)最大尋址64KB的限制,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間很小,。由于每塊數(shù)據(jù)采集板要存儲(chǔ)四個(gè)通道模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量必須有足夠大才能保證存儲(chǔ)較長時(shí)間的信號(hào),。為此使用了兩片512KB的SRAM芯片628512作為外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。MCU只有16根地址線，所以采用分頁擴(kuò)展存儲(chǔ)器技術(shù),，用4根PORT A的輸出端口線,，使每片628512形成8個(gè)64KB的頁面。在每個(gè)頁面上＄0000～＄CFFF可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù),。從而系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是16×52=832KB,，即每個(gè)通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量是208KB。若采樣速率以10kHz計(jì)算,，而每個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果為12bit,，最大占用2個(gè)字節(jié)空間，所以系統(tǒng)可以保存的每個(gè)通道數(shù)據(jù)時(shí)間是208÷(10×2)=10.4s,，滿足系統(tǒng)要求,。?

2.2 信號(hào)調(diào)理電路?

　　汽車碰撞實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償功能,，自帶放大,，使傳感器的輸出范圍變成了±2V。本信號(hào)調(diào)理電路首先對(duì)傳感器的信號(hào)放大2倍,，這樣傳感器的信號(hào)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(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)中都可使信號(hào)轉(zhuǎn)換的分辨率較高,。放大后的信號(hào)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(jì)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(shí)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(diǎn),，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(hào)在多路開關(guān)上的分壓將會(huì)引起的誤差近似為這個(gè)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(hào)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(hào)在傳輸?shù)紸/D芯片的輸入端不會(huì)引起大的失真。實(shí)際設(shè)計(jì)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(hào)的轉(zhuǎn)換都同步,，設(shè)計(jì)中在多路開關(guān)之前給每路信號(hào)都加上采樣保持電路(AD781)^[1]。采集板工作時(shí),，每次采樣循環(huán)中,，首先發(fā)出采樣/保持信號(hào)使各通道信號(hào)被同時(shí)采樣后進(jìn)入保持狀態(tài)，隨后多路開關(guān)逐步選通每一路模擬信號(hào)進(jìn)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(shí)序如圖3所示。

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　　系統(tǒng)工作時(shí),，切換通道和啟動(dòng)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(shí)，譯碼形成的LAE與E時(shí)鐘信號(hào)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(hào)CHANEEL(對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)總線的AD2、AD1,、AD0)和多路開關(guān)控制信號(hào)MEN通過74HC373分別出現(xiàn)在MAX308的地址選擇端和控制端,，對(duì)應(yīng)通道的模擬信號(hào)經(jīng)過MAX308輸出到緩沖器MAX405。在下個(gè)E時(shí)鐘,，LE變成低電平,，74HC373鎖存通道號(hào)和控制信號(hào)MEN，選中通道的模擬信號(hào)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(shí)， LAE信號(hào)還與寫信號(hào)2Y2進(jìn)行邏輯組合作為A/D轉(zhuǎn)換器MAX120的啟動(dòng)信號(hào),?？紤]到被選中通道的模擬信號(hào)出現(xiàn)在MAX308輸出端需要一定的建立時(shí)間才能達(dá)到合適精度，同時(shí)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(shí)間(350納秒)來捕捉輸入模擬信號(hào),，因此在MAX308的通道切換和啟動(dòng)MAX120之間需要一定的時(shí)間間隔才能保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度,。為此設(shè)計(jì)中選擇了使LAE與2Y2信號(hào)相或，再通過兩片MXD1000延遲芯片延時(shí)400納秒作為A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)CON,。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后,，MCU通過與PA0管腳相連的信號(hào)判斷轉(zhuǎn)換完成。在讀數(shù)據(jù)指令執(zhí)行的同時(shí),，轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀信號(hào)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(chǔ)器單元,。?

2.4 存儲(chǔ)單元?

　　設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元選用了兩片RAM芯片628512,。考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)是大強(qiáng)度撞擊,，使用時(shí)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(shí)間,。這樣就保證了即使實(shí)驗(yàn)中遇到大沖擊強(qiáng)度使系統(tǒng)電源斷掉的情況，也可以把實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)保存下來,，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,。?

3 采集板軟件設(shè)計(jì)?

　　數(shù)據(jù)采集板軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:完成對(duì)模擬量的采樣和存儲(chǔ);與PC機(jī)聯(lián)機(jī)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(duì)4路模擬信號(hào)進(jìn)行一次循環(huán)采樣，存儲(chǔ)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(shí)，執(zhí)行中斷子程序時(shí)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(chǔ)，每當(dāng)所設(shè)地址指針到達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)底部時(shí),，設(shè)定其重新指向存儲(chǔ)區(qū)頂部，用重新存儲(chǔ)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(chǔ)器區(qū)最后一次的采樣數(shù)據(jù)之后存儲(chǔ)連續(xù)＄0F個(gè)＄FF,，作為采樣結(jié)束的標(biāo)志。數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鍼C機(jī)之后,，在數(shù)據(jù)處理中可根據(jù)連續(xù)的＄0F個(gè)＄FF標(biāo)志向前判斷,、選取所采集到的各個(gè)通道碰撞波形。這種循環(huán)存儲(chǔ)方式在有限的存儲(chǔ)空間內(nèi)最大長度地保存了所需要的碰撞時(shí)刻前后的波形,。

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

　　本文介紹了自行研制的用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)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(diǎn):①采集板使用單獨(dú)的MCU控制,，構(gòu)成的測試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中不需要地面微機(jī)的干預(yù);②用一片A/D芯片實(shí)現(xiàn)四通道同步高速數(shù)據(jù)采集，文中分析了其工作時(shí)序;③實(shí)現(xiàn)了碰撞實(shí)驗(yàn)在大沖擊環(huán)境下大容量數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ);④程序設(shè)計(jì)上采用了循環(huán)存儲(chǔ)的思想,，最大限度地利用了存儲(chǔ)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(gè)板卡設(shè)計(jì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于相同輸入信號(hào),，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(shí)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(shí)驗(yàn)中,。?

參考文獻(xiàn)?

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.?