摘要：主要以89C2051单片机为核心，通过双轴加速度传感器对汽车的运动状态数据实时采集，实现对汽车 的智能检测以及对不同时刻的运动状态数据做出记录。系统主要由运动状态检测采集器的硬件设计和系统应用 软件两大部分组成，采用该装置提高了检测精度，降低了成本，简化了安装。

　　关键词：双轴加速度传感器，89C2051, A/D转换，智能检测

　　汽车运动状态的检测记录是汽车智能检测（黑匣 子)采集的主要数据之一，过去一般是通过在汽车传动 轴、齿轮箱、发动机等部位加装各种感应传感器来检测 汽车的运动状态，这样不但引线烦多，改装困难，而且 易损坏，不易维修。采用由双轴加速度传感器组成的数 据采集器只要把该装置平放在汽车的任何部位，既可 检测出汽车是否处在加速、转弯、静止等状态。

　　1　汽车运动状态检测采集器的硬件设计

　　1.1基本硬件结构

 　　汽车运动状态检测数据采集器的整个电路主要包 括双轴加速度传感器信号采集处理电路、信号放大电 路、模拟滤波等。其基本结构如图1所示。

　　图1硬件结构图

　　在汽车的运动过程中，与现场环境相联系的双轴 加速度传感器以及相关处理电路的设计在保证性能的 同时，又要求有较高的可靠性和性能价格比。

　　1.2加速度传感器

　　加速度传感器从设计原理上可分为压阻式、压电式、应变仪式以及伺服加速度计等。从其可靠性和性 能价格比上选用美国ANALOG DEVffiS公司的 ADXL202型压阻式加速度传感器，它是一种全信号 调节的加速度计，当电源电压为5V时，输出电压在零 加速度情况下为2.5V，正加速度时产生正向的电压变化，负加速度时产生反向的电压变化,对于满量程范围小于等于10G的情况，最大非线性度为土2%，输出电压与电源电压成比例关系，电源电压最大为10.0V， 工作温度为﹣40C TO +125"C，输入输出阻抗为 3.5kΩ,频率响应 0~300Hz，灵敏度6.0/15.0MV/G。 其工作原理为：由硅框架上的多根梁支撑的一块经微细加工的硅块组成，当被支撑的硅块运动时造成梁内 的应力变化，从而使梁内的压敏电阻值发生变化。器件 的上下两端都有硅盖提供过载制止，并使其对强振动 具有非凡的抵抗力，且寿命很长，体积较小，质量轻。

　　1.3信号放大电路

　　如果汽车从零速度在l0s内加速到100m/s，则加速度为1G,因为加速度传感器的灵敏度为6.0/15.0MV/G，所以采用两级放大器构成放大电路，其结构如图2所示。

　　图2 电路图

　　第一级由和A3组成同相并联差动运算放 大电路，为了取得最佳的低频响应，必须把该级的输入 端直接耦合到加速度传感器上，因此我们将该级的增益设计得较低，以降小该级的输入偏流，避免输出m号 的飘移过大。木木组成同相差动带增益的电压跟随 器，大大提高了电路的输入阻抗，它对共模信号有很高的抑制比。对差模信号的放大倍数为：

　　A3为一独立的差动式放大器，调节Rf可使电阻对称，减小误差，进一步提髙共模抑制比，通过计算可得第一级的综合放大倍数为：

　
　　第二级由A3形成同相比例放大电路，其放大倍数为32。

　　二级放大总的增益为800,由于传感器的频繁响 应范围要求放大器具有〇〜300Hz的带宽，所以利用 第二级放大器A4,通过Q和C2组成有源带通滤波电 路，以抑制干扰。放大电路中另一个值得注意的问题是 当传感器位置变动时，由于G的作用可能会引起放大 器的输出饱和，因此在电路中加人电子开关S。，当放大器输出饱和时，通过比较器自动驱S。瞬时接通，C1迅速充电,从而使输出脱离饱和状态。

　　在该放大电路的设计中，虽然可使用常规低偏流 运放，但是从实际出发，我们先选用单电源运放如 LM324、LM358、F3140。由于其输入级差分电路采用 PMOS器件，使它的输入电阻可髙达1.5M，具有极低的输入失调电压，并且可省去调零电路和外接偏置电阻，使整个放大电路变得更为紧凑，调试更为方便，也降低了功耗。

　　1.4传感器数据采集器的动态较零

　　输入级电路虽然采用了具有补偿及自动调零的运 放电路，但并不能完全克服放大 器的零点漂移。当设备连续工作 时，其影响尤为明显，因此在设 计传感器数据信号采集的硬件 时，我们还采用了动态校零技校零控制术，取得了良好的效果。使用该技术在硬件电路上只需 作简单的改动，既可用两个同步工作的模拟电子开关 如4066、AH5012连接在输入端与放大器之间，如图3所示。

　　以A通道为例，每次正式采样前，先由CPU发出 校零控制信号使&断开&接通，接着读入“零”位信号得V。，并将其存入零位值寄存单元，然后复位校零 控制信号，既使&接通S2断开，采样读入迭加了“零” 位信号的运动信号数据[4。显然实际的信号采样值 即为R4 = VAQ-y。。对于模拟电子开关导通电阻引起 的“零”位读数偏差，由于它是一个稳定的常量,可以通 过实验分析由软件编程进一步予以消除。

　　1.5模拟滤波电路

　　汽车在运动过程中由于车体本身的震动和点火 线圈产生的高压干扰信号都会影响数据的正常采集， 该高压干扰信号通常用低通滤陷器和电源去耦滤除， 而由于车体本身的震动产生干扰信号必须用陷波电路滤除，实践证明，用 图4所示的陷波电 路滤除效果较好。其传递函数是：

G(S)=1-(KTS/( (TS+1)(ts+1)))
其中：T=RC，t=R1C1，K=R1/R

　　1.6 A/D转换（结构框图如图5)

　　图5中X25045是带有up监控及看门狗定时器的EEPR0M，4位数码管由带串行接口的MC14499 和74HC00驱动。AT89C2051是一种带2k字节闪速 可编程可擦除只读存储器（PER0M)的低电压，高性 能CM0S8位微处理机。该器件采用ATMEL高密度， 非易失存储器制造技术制造，与工业标准MCS-51指 令集和输出管脚相兼容，是一种高效价廉的微处理机。 对于模拟输入通道的设计串行接口的模数转换器愈来 愈受到设计者们的关注，串行A/D转换器接口设计简 单，芯片体积小，信号线大大减少，易于采取隔离措施， 而且许多串行接口芯片的工作模式可编程，设计灵活， 其中MAXIN公司的二通道14BIT串行ADC MAX110在从串行接口读取数据的同时还完成下一次转换过程控制方式数据的写入（包括转换启动控 制），这样便可实现数据的自动采集，在程序设计时，数据采集进程独立设计，数据按预先设定的方式自动存 储到循环队列中，完成和主进程的数据交换给系统程 序的设计提供了很大的方便。由于过程控制速度要求不高，ADCMAX110转换时间达10MS，且可编程控 制，精度和速度也可以满足数据采集的要求。串行 ADC MAX110的转换方式和标定由芯片控制字确 定，控制字确定了MAX110 A/D转换的通道、速度等各种工作方式，MAX110的控制字包含：转换时间控 制、SCLK与过采样频率的比率控制、输入通道选择、 增益标定控制、内部振荡器掉电控制、模拟部分掉电控 制、每次转换按新送入的控制字工作。MAX110采用 与SPI QSPI串行接口通信协议兼容的串行接口标 .准，当微处理器检测到MAX110转换完标志BUSY变高 时AD中断产生，中断服务程序首先将串行时钟信号 SCLK初始化为零，再将MAX片选信号CS置低，开始 串行数据的全双工传输，单片机送MAX110转换命令 字，同时接收MAX110转换结果，数据的发送和接受 过程是：首先，CPU将要送命令字的最高位送到 MAX110接受命令字的引脚DIN，然后将SCLK置 高，MAX110利用SCLK时钟信号的上升沿将命令字 最高位读人，微处理机再将SCLK置低，使SCLK出 现下降沿，MAX110在下降沿将转换结果的第2位送到DOUT引脚，然后CPU将命令字的第2位送到 DIN引脚，再将SCLK置高，MAX110利用SCLK的 上升沿读入命名字的第2位，微处理机读入MAX110 转换结果的第2位。如此循环,直到将16位数据接收 完毕，或低完成数据交换，最后将③引脚置高，当 MAX110的被置高时，MAX110开始新的转换.转 换的工作方式由刚接收到命令字确定，微处理器模数 转换中断结束,工作时序如图6所示。

　　A/D转换 器MAX110的 启动包括标定 和转换控制宇的设置，耗时较长，设计时将 MAX110设置为连续转换方式，本次转换启动下次转 换，下次转换的转换控制字由本次提供，这样 MAX110就可以连续产生采集数据中断，实现数据的自动采集。

　　2　系统应用软件设计

　　2.1软件总体结构

　　软件总体结构如图7所示。

　　编程所采用的软件环境Vision for WindowS98。 整个运动状态 信号数据采集 的软件采用模 块化结构，以便于维护和扩充，该软件主要包括初始化、动态 校零、采样、并行通讯管理、WDT等常规 模块，还包括运动状态信号数 据预处理的专 用滤波软件模块。如汽车的高压点火产生的干扰滤波及漂移滤波等。

　　2.2交流千扰滤波算法

　　考虑到传感器可能接触的环境因素，在采集到运动信号数据中必然会存在一定的高压交变干扰信号， 鉴于运动信号的频谱主要在0~300Hz范围内，因此不能采用常规的平均滤波或点阻滤波算法，为此我们 选用了适用于运动信号数据的“增量预估"滤波算法， 此滤波算法主要原理是通过三角恒等式和一些采样数 据，估算出正弦波出现的幅值，经过计算判断该交流信 号是否存在于采集信号中，如有则减去，使实际运动信 号保存下来。显然正确预估值干扰信号的幅值是整个 算法的关键，其主要依据是利用三角恒等式：

　　1，2…可以认为&表示工频正弦干扰信号在一个采样 周期内的相位变化，由上式可从两次采样时相位为夕 和的干扰幅值预估出下一次采样时相位0+沒的 正弦波干扰信号幅值，将上式乘以振幅可得高频干扰 信号的差分方程

　　为了在递推算法中不断修正预估值与实际采样干 扰值的偏差，我们作误差估计函

　　式中为可能包含交流干扰的实际采样值，由 于在两次采样间隔内与是十分接近的，从而由上式可知，在算法的初始阶段如果估计过大，则 F趋于较大的负值，反之F趋于较大的正值，当F接 近于零时，说明交流干扰信号的预估值接近实际值。因 此在滤波程序中，通过判断厂的大小就可确定在上加上或减去其修正值当然要适当选择•如果 取得太小会影响算法的收敛速度，而太大会造成 震荡，初始干扰幅度我们迭加为0.2MV。

　　2.3漂移滤波算法

　　在运动信号数据采集过程中，由于许多因素(如温 度、电压不稳等)都可能引起缓慢的偏流深移.目前我 们仿照克服漂移的经典的模拟滤波器，经离散化后得到了漂移滤波算式，调试后取得了满意的结果。模拟滤波器的传递函数为

　

　　式中 Ｔ=1.024S .

　　对上式求Z变换得：

　　　

　　对应的差动方程为

　

　　由上式不难编制相应的滤波程序。

　　3　结束语

　　应用单片机实现的运动信号数据采集器可以方便地采集并记录每一时刻的运行记录。克服了引线的麻烦，通过硬件和软件所采用的有关技术显著地改善了 所采集运动信号的品质，实践表明该智能运动状态检 测数据采集器运行稳定，能耗低，具有良好的应用前景。（作者：段杰奇，段毅）