基于DSP与LabVIEW的汽车行驶姿态参数采集系统设计

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随着现代科学技术的发展，人们更加注重汽车驾驶的安全问题，不断将各种先进技术应用到汽车上，以提高汽车的安全性，如防抱死制动系统，ESP(电子稳定性控制)系统。汽车行驶姿态参数采集作为汽车安全系统动力学研究的基础，对其有重要影响。本设计通过ADIS16355传感器及DSP TMS320F2812构成数据采集系统,采集汽车在行驶过程中纵向加速度、侧向加速度以及Z轴角速度，并通过串口传送到上位机，以LabVIEW作为软件平台对采集数据进行处理及分析。

ADIS16355是ADI公司生产的一款数字输出、6自由度微惯性测量系统。其通过SPI(Serial Peripheral Interface)串行接口输出X、Y、Z三轴方向的角速度及加速度,核心传感器测量部件采用iMEMS?誖运动信号处理技术，测量精度高。DSP作为运算、控制处理器以其高速、高精度的性能广泛应用于数据采集系统领域。本系统采用的TMS320F2812芯片的CPU是32位的定点内核，包含SPI串行外设，很简便地建立了与ADIS16355的硬件电路。另外上位机采用NI公司开发的LabVIEW虚拟仪器平台，其采用强大的图形化编程(G语言)语言，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常简便，研发周期短，人机交互界面直观友好[1]，具有各种常用的总线节点和丰富的软件包及驱动程序，能简捷地实现DSP与PC机之间的串口通信；同时LabVIEW还具有强大的数据处理及分析功能，能对采集的数据进行处理和分析。

1 系统硬件设计

系统硬件框图如图1所示，硬件电路的主要芯片包括TMS320F2812、ADIS16355、MAX2323。


1.1 TMS320F2812与ADIS16355硬件接口模块
　TMS320F2812是TI公司研发的高性能、多功能、高性价比的DSP芯片。该芯片最高可在主频150 MHz下工作，带有18 K×16 bit 零等待周期片上ARAM和128 K×16 bit片上Flash（存取时间36 ns)，片内集成了大量的外设，包括双通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外设接口SPI、看门狗定时器Watchdog、通用输入/输出引脚GPIO等[2]。TMS320F2812作为本数据采集系统的控制核心，直接控制ADIS16355的工作状态及数据采集,并将ADIS16355数据通过串口传入PC机进行处理。

TMS320F2812与传感器通过SPI接口进行通信，其电路如图2所示。SPI是一个可编程的高速同步串行输入/输出接口，提供了一个高速同步串行总线，可用于CPU与外围设备或其他控制器之间的通信。该接口提供了四个外部引脚：串行时钟引脚（SPISCLK）、主设备输入/从机输出引脚（SPISOMI）、从输入/主输出引脚（SPISIMO）及从发送使能引脚（SPISTE）[2]，可根据需要使用其中的2～4条信号线。SPI以主从方式工作， SPISCLK串行时钟由主设备控制，从设备不能控制该信号。在主设备的时钟脉冲下，数据从高位到低位依次传输，速率可达到几兆至几十兆位每秒。

  
　本系统中TMS320F2812作为主设备，提供SPI串行时钟，负责向ADIS16355写入控制命令，ADIS16355作为从设备向TMS320F2812传送采集到的数字信号。

ADIS16355通过配置相关寄存器可以实现其可编程的特性。ADIS16355共有32个16 bit寄存器，每个寄存器有高低两地址,其中任何一个都可以用来访问该寄存器,编写地址范围是0x00H～0x3FH[3]。外部CPU对ADIS16355的操作控制就是对其相关寄存器的读写,图3为ADIS16355的读寄存器操作SPI时序图。

  
从图3可以看出，ADIS16355的一次SPI传输包括16 bit数据，第1位为SPI传输的读写状态标示符，0为读，1为写，第2位没有特殊意义，紧接着的6 bit是目标寄存器的地址，最后8 bit在写操作时为将要写入寄存器的命令，若是读操作则为无效位。完成一次完整的读操作需要2次16 bit SPI通信，本次DIN读取的寄存器地址需要在下一个DOUT信号线上得到寄存器内容，并输入至TMS320F2812。

1.2 串口通信模块

TMS320F2812内部含有两个SCI异步串口,该SCI模块支持CPU与其他异步外设之间使用标准非归零码(NRZ)进行数字通信。其接收器和发送器均为双缓冲模式，支持16级接收和发送FIFO,发送和接收具有自己独立的使能和中断,可以工作在半双工或全双工通信模式[4]。通过使用16 bit波特率选择寄存器,可以设置多达65 000种通信速度。

本模块采用RS232串行接口标准，在电气特性上，采用负逻辑RS232电平,而TMS320F2812的信号输入输出为TTL电平，因此本设计通过符合RS232标准的驱动芯片MAX3232来实现TTL与RS232之间的电平转换。

2 系统软件设计

2.1  DSP软件设计

TMS320F2812以CCS（Code Composer Studio）作为集成开发环境，既可以用汇编进行开发，也支持C语言，本系统采用的是C语言。系统软件设计由主程序和若干子程序构成。子程序包括SPI接口子程序、中断定时子程序、串口子程序等，数据采集程序流程图如图4所示。

  
　在本数据采集系统设计中，TMS320F2812的时钟频率为100 MHz,由于ADIS16355的SPI时钟频率范围为10 kHz~2 MHz, 因此设定TMS320F2812的SPI波特率为1 MB/s；用定时器T0启动ADIS16355进行数据采集,中断周期设置为100 ms；串口通信设置的波特率为115 200B/s，有效位8 bit，停止位1 bit，无奇偶校验。下面是SPI初始化、串口初始化和定时程序。

void InitSpi(void){
SpiaRegs.SPICCR.all = 0x4F;  
//进入初始状态，数据在上升沿输出，自测禁止
SpiaRegs.SPICTL.all = 0x0E; //主动模式，禁止SPI中断   
Spia.Regs.SPIBRR=0x18;                   //波特率1 MHz
Spia.Regs.SPICCR.all=SpiaRegs.SPICCR.all|0x0080;
SpiaRegs.SPIPRI.bit.FREE = 1 ;}
void InitSci(){
SciaRegs.SCICCR.all =0x0007;
//通信控制寄存器，1个停止位，无奇偶校验,自测试禁
止，空闲线模式，字符长度8 bit
SciaRegs.SCICTL1.all =0x0003;
SciaRegs.SCICTL2.all =0x0003;
SciaRegs.SCICTL2.bit.TXINTENA =1;
SciaRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA =1;
//禁止接收错误中断，禁止休眠，使能发送接收
SciaRegs.SCIHBAUD = 0x0000;
SciaRegs.SCILBAUD = 0x001a;     //波特率设置115 200
SciaRegs.SCICTL1.all =0x0023;}
EALLOW;   
PieVectTable.TINT0 = &ISRTimer0;
EDIS;
ConfigCpuTimer(&CpuTimer0,100,100000);
//设置中断定时100 ms
StartCpuTimer0();
IER |= M_INT1;                    
PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx7=1;                         //开中断
Interrupt void ISRTimer0 (void) {
CpuTimer0.InterruptCount++;
read_ADI_register(0x0004);                //读取X轴加速度
PieCtrl.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1; }

2.2 基于虚拟仪器LabVIEW的设计

2.2.1 VISA概述

LabVIEW是使用图形化编程语言，功能强大而又灵活的仪器应用和分析软件系统，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域，适应多种操作系统。LabVIEW中提供各种总线的驱动程序，可以用来编写各种总线形式的仪器驱动程序。VISA库即I/O接口软件库及其规范的总称，是LabVIEW的仪器驱动库之一。VISA是在LabVIEW开发平台上控制VXI、GPIB、RS232、PXI、PCI以及其他种类仪器的单接口程序库，是对其他总线驱动函数进行的一个统一封装的高层API[5]，本身不具备编程能力，可以根据使用的仪器类型，调用适当的底层驱动程序来控制仪器。串行通信使用的VISA库中的API函数如图5所示,路径为：Functions>>Instrument I/O>>VISA Advanced>>Interface Specific>>Serial。

  
(1)VISA配置串口

该节点主要用于串口初始
化，主要端口说明如下：  
VISA resource name：VISA资源名称,本文是指串口号。
baud rate：波特率；默认值是9 600 b/s。
data bits：一帧信息中的位数,在LabVIEW中允许5~8 bit数据，默认值为8 bit。
stop bits：一帧信息中的停止位的位数，可为1位，1位半，或2位。
parity：奇偶校验设置。可为无校验、奇校验或偶校验。

(2)VISA读取

该节点为串口通信子VI,是本系统使用的主要节点，从串口中读出指定数量的字节，并将数据返回至读取缓冲区，然后利用LabVIEW强大的数据处理功能对数据进行分析和处理。主要端口说明如下：
VISA resource name：VISA资源名称。
byte count：指定读取数据的字节数。

(3)VISA关闭

该节点用于将打开的VISA资源关闭。

2.2.2  串口调试软件

串口调试设计主要包括串口初始化、读写数据、数据显示并保存等部分，程序设计流程图如图6示。

  
　通过VISA库可以方便地对串口进行与下位机相同的配置，同时结合其他库中的函数可以实现串口发送、接收、显示以及存储部分的编写。

在数据发送和接收模块中，由于LabVIEW的串行通信中数据都是以字符串（Normal）的形式组成的，所以如果串口发送或接收的数据是十六进制数值，需在发送或接收之前进行相应的转换。LabVIEW提供了十六进制数值与ASCII字符串之间的转换模块。在DSP中一次连续发送两个8 bit十六进制数，构成一个16 bit传感器采集数据，因此需要通过字符串至字节数组转换节点将其转换为字节数组，再连接起来。VISA读取节点接收到的数据在处理过程中，需要一些数据格式类型的转换，如：字符数组转换为十六进制函数。数值经过处理后，再以熟悉的十进制形式进行波形显示和Excel格式保存。LabVIEW程序设计前面板如图7所示。

  
3 实验结果

本数据采集系统对汽车行驶时的纵向加速度、侧向加速度以及Z轴角速度各采集了5组数据,每组1 000个点。上位机通过LabVIEW接收数据并进行一定的处理，然后显示，保存在Excel文档中。图7所示的波形为其中一组纵向加速度的波形，加速度参数的单位为g，角速度参数的单位为(°)/s。根据加速度公式：a=(vt-v0)/t；vt-v0=2 as；可以计算出汽车行驶时的纵向加速度，与本设计采集的数据在传感器误差范围内一致。通过对纵向加速度的分析可知,此数据采集系统能达到设计要求。

该数据采集系统通过以AIDS16355传感器和TMS320F2812作为数据采集模块，并在PC机上采用LabVIEW虚拟仪器平台，方便地实现了对串口的读写、对数据的显示与存储。实验证明，基于DSP与LabVIEW的汽车行驶姿态参数采集系统工作稳定，操作简单，采集速度快，数据精度高，为实现汽车安全系统的动力学研究提供了可靠的数据。