基于加速度傳感器的機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

RG=100 kΩ/(G-1)

踏板力傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

1.4 微控制器選型

為了設(shè)備能夠在多種情景下工作，采用兩路供電，通過開關(guān)選擇，一路由鋰電池供電，一路由汽車內(nèi)部12 V DC直接供電。同時(shí)為了滿足持續(xù)監(jiān)控的使用要求，選擇支持超低功耗的MSP430系列單片機(jī)，其擁有4種省電模式，其中LPM4的最低工作電流只有0.1μA，可以通過內(nèi)部指令在不同工作模式下快速切換，因而MSP430系列單片機(jī)在電池供電的情況下?lián)碛袠O大的優(yōu)勢(shì)。

MSP430系列是16位混合信號(hào)處理器，其擁有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有硬件乘法器、兩個(gè)具有PWM功能的16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MSP430可以提供內(nèi)置參考電壓源(2.5 V)、一個(gè)看門狗定時(shí)器、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器并且支持8 M的時(shí)鐘。同時(shí)

MSP430擁有豐富的具有中斷功能的I/O端口，并擁有大容量的Flash和RAM。

綜上所述，MSP430擁有的豐富資源可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)時(shí)間，降低系統(tǒng)成本，其低功耗特性更是能夠提高系統(tǒng)的便攜性，因而使用其作為制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的處理器。

2 軟件及算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以三軸加速度傳感器為核心，系統(tǒng)開機(jī)后從存儲(chǔ)器上讀取上次檢測(cè)后上位機(jī)發(fā)回的指令及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的末地址，在踏板力傳感器被踩下后，進(jìn)入加速度數(shù)據(jù)與踏板力數(shù)據(jù)采集階段，并同時(shí)通過MSP430內(nèi)部定時(shí)器對(duì)制動(dòng)過程計(jì)時(shí)，采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，記錄該數(shù)據(jù)的采集時(shí)間點(diǎn)。在制動(dòng)過程完成后，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算制動(dòng)過程中的踏板力、平均制動(dòng)減速度等參數(shù)并將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)回到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖形化顯示及記錄等操作。下位機(jī)等待上位機(jī)的控制指令，收到指令后將之存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，完成后返回預(yù)讀系統(tǒng)初值狀態(tài)，至此完成一次閉環(huán)檢測(cè)與上報(bào)。

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采取模塊化的思想，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，系統(tǒng)流程圖如圖4。

2.2 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自踏板力傳感器檢測(cè)到壓力且超過閥值時(shí)開始采集加速度信號(hào)。由于踏板力在制動(dòng)開始階段未達(dá)到最大值，故而在制動(dòng)開始后，利用定時(shí)器開關(guān)中斷以10 Hz的頻率采集踏板力數(shù)據(jù)。同時(shí)從加速度傳感器讀取加速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集在連續(xù)采集到10組低于0.1g的加速度數(shù)據(jù)后停止，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理流程，計(jì)算制動(dòng)初速度，平均制動(dòng)減速度，制動(dòng)距離等參數(shù)。

機(jī)動(dòng)車制動(dòng)過程可以分成三個(gè)部分，如圖5所示，分別為t1：機(jī)械反應(yīng)時(shí)間;t2：制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間;t3：制動(dòng)力持續(xù)時(shí)間。機(jī)械反應(yīng)時(shí)間t1以踏板力采集到踩踏的時(shí)間開始持續(xù)到制動(dòng)力開始上升為止。制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間t2是指制動(dòng)減速度由0上升到穩(wěn)定制動(dòng)階段所需要的時(shí)間。t2結(jié)束點(diǎn)作為制動(dòng)力持續(xù)時(shí)間t3的開始點(diǎn)，由圖5可知在制動(dòng)完成時(shí)，由于機(jī)動(dòng)車前后輕微抖動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的加速度，將這個(gè)點(diǎn)作為制動(dòng)完成點(diǎn)。

在機(jī)動(dòng)車制動(dòng)過程中，從制動(dòng)踏板被踩下到制動(dòng)生效有較長(zhǎng)的制動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間，這給整個(gè)制動(dòng)過程中的制動(dòng)初速度，制動(dòng)距離等變量帶來了較大的累積誤差。因而制動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)采取分段計(jì)算求得，從制動(dòng)結(jié)束點(diǎn)向后數(shù)值積分。t1階段可以視為勻速運(yùn)動(dòng)故而S1=vD·t1，t2階段由于是變減速運(yùn)動(dòng)，故

但是根據(jù)實(shí)際檢測(cè)證明，在t2階段機(jī)動(dòng)車也可以視為勻速運(yùn)動(dòng)。因而可以簡(jiǎn)化運(yùn)算S2=v0·t2，制動(dòng)力持續(xù)階段也屬于變減速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在向后積分的情況下，存在誤差累積的情況且采樣速度較快時(shí)采樣間隔誤差也會(huì)對(duì)減速度大小造成較大誤差。因而采取N次平滑法，N次平滑后使采樣間隔△t基本相等，從而可以用累積求和的方法直接求出行進(jìn)距離與初始速度。

2.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)與處理程序

上位機(jī)系統(tǒng)采取B/S/S(Browser客戶端瀏覽器/WebServer網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器/Database Server)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下位機(jī)通過3G網(wǎng)絡(luò)將測(cè)試數(shù)據(jù)以報(bào)文形式發(fā)送到服務(wù)器，經(jīng)由服務(wù)器解碼處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)系統(tǒng)管理員以及機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T可以通過不同級(jí)別賬戶登錄網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查詢制動(dòng)系統(tǒng)情況。在制動(dòng)性能數(shù)據(jù)處于臨界值或者不合格時(shí)，將相應(yīng)車輛信息加入警告窗口，并通知管理部門同時(shí)向駕駛?cè)藛T發(fā)布報(bào)警短信，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控，將危險(xiǎn)因素抑制于初發(fā)階段的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于3G網(wǎng)絡(luò)利用多維加速度傳感器等檢測(cè)出機(jī)動(dòng)車制動(dòng)過程中的平均制動(dòng)減速度，制動(dòng)時(shí)間，制動(dòng)距離等關(guān)鍵參數(shù)并經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送檢測(cè)結(jié)果。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝使用，采用了高性能且低功耗的處理器設(shè)計(jì)成便攜便安裝結(jié)構(gòu)，從而可以方便快捷地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)的安全狀態(tài)。系統(tǒng)具有功耗小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安裝方便簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，尤其對(duì)于降低因制動(dòng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的交通事故數(shù)目具有較大的幫助。