摘 要：通过对方向盘转向角传感器的分析，设计了转向角传感器的数据采集系统,并且设计了相应的外围辅助电路，通过ARM读取传感器中的数据，对方向盘转向角，方向盘转向角速度以及转动方向这三个参数进行数据采集。这些参数为汽车自适应前照灯控制，以及助力转向系统提供了方向盘转向角相关信息，为了便于对采集到的数据进行分析，方向盘转向角传感器采集到的数据通过串口送到上位机上，并且利用Matlab对采集的数据进行分析处理。
关键词：方向盘转向角传感器; 数据采集; ARM; Matlab
中图分类号：
TN919-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)19
-0116
-03
Data Acquisition System of Steering Wheel Angle Sensor
HE Run-dong1, PAN Sheng-hui1, HAN Jun-feng2, MENG De-liang1
(1. Department of Electronic Information and Control Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China;
2. Department of Electrical Engineering, Guangxi College of Vocational and Technical, Nanning 530007, China)
Abstract： Through the analysis of steering wheel angle sensor, data acquisition system of steering angle sensor and the corresponding external auxiliary circuit were designed. Through reading the data from sensor with ARM, the data acquisition was performed with parameters of steering wheel, steering wheel angular velocity and rotation direction. These parameters provided related information of steering wheel angle for the control of automotive adaptive headlamps and the power steering system. In order to analyze the collected data, the data of steering wheel angle sensor was sent to the host computer through the serial port, and the collected data were processed through Matlab.
Keywords： steering wheel angle sensor; data acquisition; ARM; Matlab
自适应前照明系统(AFS)，是一种能适应各种不同环境条件的智能前照灯系统［1-2］，获得汽车在转弯处的参数，如：转向角，角速度以及转向，是汽车前向灯自适应控制的前提条件 ［3］。为了获得这些参数，采用了方向盘转向角传感器,它能测试出方向盘的转向角，转向角速度以及转向三个参数，这几个参数在一定程度上能反映汽车在转弯处的行驶状态，准确地获取这些参数具有重要意义。因而设计了基于ARM的数据采集系统。在这个采集系统中方向盘转向角传感器采集到的数据通过CAN总线传送到ARM中，并对其进行相应数据处理。
1 方向盘转向角传感器数据采集系统的结构框图
方向盘转向角传感器数据采集系统包括转向角传感器，CAN总线和ARM 微控制器三个部分。方向盘转向角传感器是通过CAN总线的方式传送采集到的信号，控制器采用的是ARM微处理器［4］，系统具体的结构框图如图1所示。
图1 AFS数据采集系统的结构框图
2 系统的硬件设计
2.1 ARM简介
ARM是指精简指令集的微处理器，具有高性能、廉价、耗能低的特点，在各个领域得到了广泛的应用。该系统采用的是ARM7系列的LPC2119微控制器，LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并带有128 KB嵌入的高速FLASH存储器。指令支持32位的ARM模式与16位的Thumb模式。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码的ARM方式能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小，LPC2119非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其他各种类型的应用。
2.2 方向盘转向角传感器介绍
方向盘转向角传感器前期安装在转向盘轴上，转向轴带动编码盘的转动，在发光二极管照射下，形成或明或暗的图案，通过感光元件转换成相应的电信号，经过整形滤波后得到一系列的脉冲信号，通过单片机转换为相对应的数字信号，并通过CAN控制器发送出去，能提供方向盘转向角的绝对位置。工作电压是12 V，数据是通过CAN发送出去的，输出信号为方向盘转角，方向盘的转动方向以及方向盘转的转动角速度。
2.3 控制器的电源电路与CAN收发器电路的设计
数据采集系统的硬件设计包括电源的设计，转向角传感器需要12 V电源供电，这部分由电源直接提供，LPC2119的控制器需要的5 V电源通过7805稳压芯片把12 V转化为5 V，7805稳压芯片能够把12 V的电压变为5 V,电容C1，C2，C3起到滤波的作用。具体电路如图2所示。
图2 7805硬件接线图
由于LPC2219集成了CAN控制器，在此基础上还必须接上一个CAN的收发器［5-6］，才能正常的收发数据，它实现的是一个电平转换与信号差分传送的转换的功能。收发器采用的是PCA82C250控制器，具有差分的形式传送数据，宽范围的共模干扰，抗电磁干扰强等特点。具体电路如图3所示。
图3 PCA82C250控制器的硬件接线图
3 系统的软件设计及调试
系统的软件设计包括对转向角传感器接收程序的设计，即CAN总线的接收程序的设计（转向角传感器是通过CAN接口把数据传送出来的），以及在上位机上利用Matlab对接收来的数据进行处理的相关程序设计。
3.1 CAN总线的接收程序设计
CAN总线是目前在汽车上应用得最广泛的现场总线之一，是目前发展比较成熟的总线［7-8］。在各个领域已经得到了广泛的应用，特别是在汽车领域，它能够实现点到点以及一点到多点的通信，能够实现系统数据的共享。转向角传感器数据输出接口为CAN接口。LPC2219控制器中具有CAN的控制器，在这个系统中CAN的程序设计包括：CAN的初始化程序设计，CAN接收程序的设计［9］。CAN接收方式有查询式接收和中断式接收，查询式接收方式总是不停地查询接收标志位，对控制器来说这是种浪费，中断式接收方式是当接收到数据时，控制器进行中断，没有接收数据的时候ARM可以执行其他的任务，该系统采用的是中断式接收方式。具体流程图如图4所示。
图4 CAN接收程序流程图
ARM微控制器接收到的数据通过串口来显示，并将其保存在txt的文档里，便于在Matlab中处理。具体部分数据如下所示：
CAN:00
FIF:08
FID:00000236
Dat:11521028AC0F3EAB
CAN:00
FIF:08
FID:00000236
Dat:11521014BC0F3E0E
接收到的信息包括：其中CAN:00表示接收的CAN通道为CAN控制器1；FIF:08表示接收的是具有8个字节的数据扩展帧；FID表示帧的ID号；Dat表示接收到的数据，如果是远程帧的话，则为0。
3.2 在上位机上对方向盘转向角传感器接收的数据进行处理
ARM通过CAN总线把从转向角传感器接收的数据通过串口送到上位机上，并且以txt的格式存储在上位机上，由于Matlab具有强大的数据处理及可视化功能，所以在上位机上利用Matlab对接收来的数据进行处理［10］。由于方向盘转向角传感器的数据是通过CAN总线以帧的形式进行发送的，是一串十六进制数字，分别代表的是转向角传感器采集到的方向盘转角，转角方向以及角速度，在实际应用中需要对这些数据进行分割，从中提取出方向盘的转角，转角方向以及角速度。其相应的转向角方向以及转向角显示结果如图5所示。
图5 方向盘转向角传感器转角的转角及方向
图5中横坐标N是采集的数据量，取了4 000个数据点。以采集第一个数据的时间为0时刻，以后每个数据点之间的时间间隔是10.3 ms，由于数据点比较多，横坐标只取了具有代表性的数据点。图中纵坐标分别代表的是方向盘转向角传感器转角的方向和大小，用蓝色的点表示转角的大小(采用弧度制)，红色的曲线表示转角的方向。方向盘转向角的方向，顺时针方向用1来表示，逆时针方向用0来表示，在Matlab中通过绘图的方式把这些数据形象的显示出来。
4 结 论
本文通过对转向角传感器数据采集系统的设计，采集到了方向盘转向角传感器的转向角，转向角速度和方向三个参数，并对采集到的数据进行了相应处理。经分析表明，方向盘转向角传感器的数据采集系统设计是有效的、可行的，能为汽车前向灯自适应控制提供准确的方向盘转向角相关参数信息。
参 考 文 献
［1］于晓良.汽车自适应照明控制系统的研究［D］.大连:大连理工大学,2009.
［2］钱向明.车用自适应前照灯系统设计与研究［J］.机电工程,2010(7)：105-106.
［3］方英兰,朱向冰.自适应前照灯的功能及实现［J］.中国照明电器，2010(7):14-15.
［4］周立功.ARM微控制器基础与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2005.
［5］张尧.基于CAN总线的汽车车灯控制系统的研究与设计［D］.大连:大连交通大学,2009.
［6］吴立松.CAN总线智能节点设计［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.
［7］余新良.CAN总线在工业用嵌入式控制系统中的应用研究［D］.厦门:厦门大学,2008.
［8］王金宁.基于CAN总线的嵌入式数据采集系统设计［D］.北京：北京化工大学,2009.
［9］罗峰,孙泽昌.汽车CAN总线系统原理设计与应用［M］.北京：电子工业出版社,2010.
［10］刘保柱，苏彦华，张宏.Matlab 7.0从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社,2010.
