汽車性能測試系統(tǒng)是汽車試驗(yàn)工程的關(guān)鍵組成部分，它是由若干相互聯(lián)系、相互作用的傳感器和儀器設(shè)備等元件，為實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車各項(xiàng)性能的測試而組成的有機(jī)整體，汽車測試系統(tǒng)的性能往往對(duì)整個(gè)汽車試驗(yàn)的效用產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)有的汽車測試系統(tǒng)多采用有線連接，該方式存在2個(gè)弊端：1)汽車試驗(yàn)需在大型專用試驗(yàn)場或典型地域等惡劣環(huán)境中進(jìn)行，現(xiàn)場布線任務(wù)繁瑣且易出錯(cuò);2)一些汽車試驗(yàn)如蛇形試驗(yàn)具有高危險(xiǎn)性，對(duì)能夠減少試驗(yàn)損失的測試系統(tǒng)更為重要。該系統(tǒng)以Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)為控制核心，基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)例如多通道數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)，它利用較少的外圍器件實(shí)現(xiàn)汽車試驗(yàn)中性能參數(shù)的測試，縮短了現(xiàn)場布線時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，且在試驗(yàn)事故發(fā)生時(shí)減少事故損失。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車試驗(yàn)主要包括動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和排放特性等測試項(xiàng)目，主要性能參數(shù)有速度、加速度、燃油消耗量、溫度以及操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，通過傳感器得到的這些參數(shù)的測試信號(hào)，經(jīng)過前端處理模塊處理(整形、濾波、放大等)后送入C805l-F020微處理器中，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后通過串口實(shí)現(xiàn)與Zigbee終端節(jié)點(diǎn)的連接，再由終端節(jié)點(diǎn)在WLAN中將數(shù)據(jù)發(fā)出，Zi-gbee中心節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。中心節(jié)點(diǎn)也可將上位機(jī)的命令發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，控制終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 前端處理模塊
傳感器將各種常見的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)，一般都較微弱，前端處理模塊將這些信號(hào)進(jìn)行處理后送至單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口。本系統(tǒng)共有8路傳感器信號(hào)，包括2路壓變傳感器信號(hào)、2路-5～+5 V電壓信號(hào)、2路4～20 mA電流信號(hào)和2路熱電偶信號(hào)的前端處理。其中壓變傳感器信號(hào)和熱電偶信號(hào)前端處理硬件電路分別如圖2和圖3所示。
圖２ 壓變傳感器信號(hào)前端處理電路
圖３ 熱電偶信號(hào)前端處理電路
AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需1個(gè)外部電阻設(shè)置增益，增益范圍為l～10 000。對(duì)壓變傳感器信號(hào)的前端處理采用AD62-0、AD705組成的放大電路，該部分采用單電源供電，AD705是電壓跟隨器，為AD620提供輸出電壓的零點(diǎn)。將VREF、AGND送至MCU的8位精度AD-Cl的AINl.0、AINl.1端口，利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)該路信號(hào)的參考電壓和模擬地的計(jì)算。
熱電偶傳感器用來測量汽車關(guān)鍵部件溫度，其前端處理電路采用OP07的可調(diào)增益放大電路。OP07是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調(diào)電壓，低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等。在對(duì)精確度要求不高的場合，OP07的失調(diào)電壓可忽略，該電路中R25和R24用來調(diào)整系統(tǒng)放大倍數(shù)，在選用不同類別的熱電偶時(shí)可適當(dāng)調(diào)整兩者的阻值。
2.2 C8051F020模塊
C805lF020是Cygnal公司的一種混合信號(hào)SOC型8位單片機(jī)，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU器件，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳。該單片機(jī)采用高速805l微控制器內(nèi)核，速度可達(dá)25 MI/s，具有8個(gè)I/O口，5個(gè)通用定時(shí)器，5個(gè)捕捉/比較模塊及專用看門狗定時(shí)器，可同時(shí)使用SM-Bus，SPI及2個(gè)UART串口，內(nèi)置64 kB高速存儲(chǔ)器。模擬外設(shè)方面，器件具有1個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器及2個(gè)模擬比較器。器件內(nèi)部的這些數(shù)字和模擬外設(shè)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡單，集成度更高。
本模塊主要設(shè)計(jì)C8051F020的復(fù)位電路、外接晶振電路和接地處理，并將所有引腳引出，以便擴(kuò)展應(yīng)用。系統(tǒng)需要高速運(yùn)行才能及時(shí)、有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以單片機(jī)在一般情況下采用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘源。但由于內(nèi)部時(shí)鐘的誤差太大，在串口通訊的過程中，要選用外部時(shí)鐘，通過軟件設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的切換。在電源處通過去耦電容接到模擬地上，可以減少干擾回路的面積，降低電磁干擾輻射，可以把數(shù)字電流引起的干擾耦合到地，而不在外部電路的地中出現(xiàn)。為了使電容耦合最小，兩者沒有交迭，2個(gè)獨(dú)立的地在電源的公共“星”型地處通過瓷珠接到一起，電源處也采用類似處理以防止干擾。
2.3 Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊
本文研究的汽車測試系統(tǒng)初步采用2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心協(xié)調(diào)器組成星狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)均選用SZ05-ADV型無線收發(fā)模塊，Zig-bee終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)串口分別與C8051F020模塊和PC設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。SZ05-ADV是高性能嵌入式無線收發(fā)模塊，其核心器件是Freescale公司的MCl3213。它是第2代標(biāo)準(zhǔn)ZigBee無線通信平臺(tái)，在9 mmx9 mmxl mm 7l引腳LGA封裝中集成有低功耗的2.4 GHz RF收發(fā)器和8位微控制器，MCl3213器件具有60 kB的閃存，MCl32lx解決方案能在簡單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中用作無線連接，小占位面積封裝中的無線電收發(fā)器和微控制器的組合使其成為成本效益的解決方案，MCl321x中的RF收發(fā)器工作在2.4 GHzISM頻段，和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容，收發(fā)器包括低噪音放大器，1 mW的RF輸出功率，帶VCO的功率放大器(PA)，集成的發(fā)送/接收開關(guān)，板內(nèi)的電源穩(wěn)壓器以及完全的擴(kuò)展頻譜的編碼和譯碼，MCl32lx中的微控制器基于HCS08系列微控制器單元(MCU)，HCS08 A版本，高達(dá)60 kB的閃存和4 kB的RAM。
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