基于加速度計的汽車動力學參數采集平臺設計

引言
隨著電子技術的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高。安全、便捷、舒適、無污染、經濟性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標。實現這些目標的關鍵在于汽車的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時獲取。
汽車在行駛過程中的各種路況信息是非常復雜的。在行駛過程中可作為剛性特征體來考慮，將三軸加速度計放在被測車體的某個特征點上，就可準確地采集到該特征點運動過程中在x軸，y軸，z軸的三個加速度分量。結合車體總質量可以計算出車輛的瞬時受力情況；結合車輛即時速度，可以計算出瞬時功率。采集和計算出的運動參數等信息可以進行本地的控制處理。同時，本系統(tǒng)支持CAN總線接口，利用該接口，可以將得到的數據發(fā)送到汽車計算機控制系統(tǒng)進行綜合分析處理。從而使本系統(tǒng)可以廣泛應用于汽車自動變速器，汽車安全氣囊(Airbag)、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛系統(tǒng)等方面。

1 方案總體設計
該采集平臺需要解決數據采集、計算及通信的問題，而且由于應用環(huán)境的復雜性，需要保證系統(tǒng)的抗干擾性及可靠性。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。主控制器通過ADXL330采集三個坐標軸上的加速度分量，經過分析計算后提供給本系統(tǒng)直接應用或通過CAN總線提供給別的應用者。

2 建立汽車運動模型
汽車在路面上的運行環(huán)境是非常復雜的，受到的振動頻率分布很寬，一般情況下車輛的振動頻率范圍可分為如下幾種情況：
剛體運動：0～15 Hz；
結構振動，板件共振：15～150 Hz；
噪聲及嘯鳴：150 Hz以上。
汽車典型的共振頻率范圍通常為：
車身共振頻率：1～1．5 Hz；
車輪跳動：10～12 Hz；
座椅上的乘客：4～6 Hz；
懸置的動力總成：10～20 Hz；
結構共振頻率：大于20 Hz；
輪胎共振頻率：30～50 Hz和80～100 Hz。
在研究車輛的運動時，主要研究的對象一般包括車輛的運動速度、運動位移、瞬時加速度、瞬時功率、瞬時驅動力等。而以上各項參數，均可通過對被測點的加速度計算得出。車體在空間位置的加速度如圖2所示。

車輛瞬時驅動力F=ma。其中，F為車輛的瞬時驅動力；m為車體總質量；a為運動加速度。
速度。其中，v為運動速度；v0為初始速度；為加速度對時間的積分。
瞬時功率P=Fv。
ADXL330是一個三軸(x軸，y軸和z軸)模擬輸出的加速度傳感器，通過ADXL330能夠測量出任意時刻三個方向的加速度分量。通過測量得到的加速度分量可以計算出車輛的運行狀態(tài)，動力學參數等信息。

3 硬件設計
3．1 電源設計
汽車的用電設備所需電能有兩個來源：發(fā)電機和蓄電池，輸出的額定電壓為12 V。本設計中采用LM2575開關穩(wěn)壓器和LM1117低壓差線性穩(wěn)壓器將12 V輸入電壓轉換為5 V和3．3 V的供電電源。電源設計原理圖如圖3所示。

LM2575是美國國家半導體公司生產的1 A集成穩(wěn)壓電路，電壓輸入范圍寬為7～40 V，電流輸出最大可達1 A；同時內部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等。
LM1117為低壓差線性穩(wěn)壓器，其壓差典型值僅為1．2 V，輸出電壓精度高達±1％。輸出的3．3 V電源提供給主控制器使用，為保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸出端需要添加一個10μF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。