FSAE赛车数据采集系统研发#

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1、中国科技论文在线FSAE赛车数据采集系统研发基金项目：山东省科技攻关计划项目（2011GGX10317） 王丰元，何建勇，刘尊民，韦重欢作者简介：王丰元（1963-），男，教授，智能车辆. E-mail: 4621437021.51.5Qingdao Technological University, Qingdao 266520;Qingdao Technological University, Qingdao 266520;Qingdao Technological University, Qingdao 266520;Qingdao Technological University, Q

2、ingdao 266520青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520;青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520;青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520;青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520266520;266520;13954276652;13954276652;0532-86875897;0532-86875897;青岛市黄岛区嘉陵江东路777号;青岛市黄岛区嘉陵江东路777号;462143702;462143702;liu_zunmin;462143702王丰元（1963-），男，教授，智能车辆;何建勇（1990-），男，车辆人机工程学;王丰元;何建勇;刘尊民;

3、韦重欢Wang Fengyuan;He Jianyong;Liu Zunming;Wei Chonghuan王丰元山东省科技攻关计划项目（2011GGX10317）1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*He Qiong, Chen Ti, Cheng Xing. Application of DMA in High-speed Real-time Data Acquisition SystemJ. Instrument Techniques and Sensor, n 3, p 49-52, 2012.2*|*期刊*|*Jing Lei, W

4、an Ren Jun, Wei Ke Xin. Design Of Driving Cycle Data Acquisition System Based On GPS.J. Applied Mechanics and Materials, v 391, p 572-5, 20133*|*论文集*|*Qian Xuewu, Cai Tijing. Design and implementation of data acquisition system based on Agilent 3458AC. 2013 IEEE 11th International Conference on Elec

5、tronic Measurement & Instruments (ICEMI), p 28-31, 20134*|*期刊*|*Rougang Zhou, Yunfei Zhou; Xing Chen. VME bus-based multiprocessor parallel data acquisition systemJ. Advanced Materials Research, v 650, p 529-36, 20135*|*专著*|*中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2015版）M. 2015, 036*|*期刊*|*连杰,田小超. 基于STM32的高精度、大容量、多

6、通道同步数据采集存储系统的设计J. 电子制作,2015,04:287*|*期刊*|*孟强. 基于STM32的数据采集系统设计D.南京林业大学,2014.*|1|王丰元|Wang Fengyuan|青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520|Qingdao Technological University, Qingdao 266520|王丰元（1963-），男，教授，智能车辆|青岛市黄岛区嘉陵江东路777号|266520|462143702|0532-86875897|13954276652|2|何建勇|He Jianyong|青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520|Qingdao

7、 Technological University, Qingdao 266520|何建勇（1990-），男，车辆人机工程学|青岛市黄岛区嘉陵江东路777号|266520|462143702|0532-86875897|13954276652|3|刘尊民|Liu Zunming|青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520|Qingdao Technological University, Qingdao 266520|liu_zunmin|4|韦重欢|Wei Chonghuan|青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520|Qingdao Technological University

8、, Qingdao 266520|462143702|FSAE赛车数据采集系统研发|Data acquisition system design of FSAE race car|山东省科技攻关计划项目（2011GGX10317）- 7 -（青岛理工大学汽车与交通学院，青岛 266520）摘要：根据FSAE赛车测试与调校的需求，基于STM32开发了一种小型短程无线通讯实时数据采集系统。阐述了系统结构及其硬件设计，主要包括主控芯片选型、传感器选型、硬件电路设计，并根据硬件设计开发了相应的软件程序。最终对数据采集系统进行实车试验测试，测试结果表明系统能够准确采集数据，无线传输稳定可靠，达到最初的设

9、计要求。关键词：车辆工程；数据采集系统；无线通讯；软硬件设计；FSAE赛车中图分类号：U467Data acquisition system design of FSAE race carWang Fengyuan, He Jianyong, Liu Zunming, Wei Chonghuan(Qingdao Technological University, Qingdao 266520)Abstract: According the needs of FSAE car testing and tuning, a kind of small short-range wireless dat

10、a acquisition system was developed based on STM32. The system structure and hardware design were described. It included the processor selection, senor selection and circuit designing. The corresponding software was developed based on hardware design. Through testing on the data acquisition in FSAE r

11、ace car, the test results showed that the system works well and meets the design requirements。Key words: vehicle engineer；data acquisition system；wireless communication；hardware and software design；FSAE race car0 引言在赛车运动领域，采用数据采集系统进行车辆性能测试与调校是最基本的方法之一。FSAE赛车是一种单人驾驶的小型方程式赛车，受赛车空间的制约常规数据采集系统由于体积较大，不适用

12、于该款赛车。近年来国内外许多科研单位和技术公司都在积极研发车辆数据采集系统，文献1提出了一种高速数据采集系统的设计方案，解决高采样率难题；文献2设计了一种以GPS为传感器、LPC1768为微控制、SD卡为存储介质的小型数据采集系统；文献3则设计了一种高精确度的实时数据采集系统，并通过实验验证了其精确性；文献4介绍了复杂精密仪器领域数据采集系统的解决方法，数据传输的延迟为纳米级。这些研究成果从不同技术领域推动了数据采集技术的发展，但其成本、便携性、功能性能等方面的因素不适合FSAE赛车。因此，本文根据赛车性能测试、调校需求和空间尺寸特点，基于STM32开发了一种小型短程无线通讯数据采集系统。1

13、系统设计方案1.1 设计目标根据中国大学生方程式汽车大赛规则的要求，在FSAE赛车性能测试与调校过程中，所需采集的参数包括速度、加速度、发动机转速、发动机水温、方向盘转角、悬架跳动量5，测量精度分别为1m/s、0.01g、1r/min、1、1、1mm；无线通讯的范围为直径1km的圆形区域；数据采集的允许延迟1s。1.2 设计方案如图1所示，数据采集系统包括上位机模块和下位机模块，上位机与计算机相连，通过串口通讯向计算器传递数据，并在数据采集软件上实时显示和存储；下位机和传感器相连，实时采集读取传感器数值；上位机与下位机之间通过无线模块传输数据。图1 数据采集系统结构图Fig. 1 Data a

14、cquisition system bloock diagram2 系统硬件设计2.1 主控芯片选型因为数据采集系统实时采集、计算处理、传输大量数据，所以单片机运行须在比较高的主频下，需要比较大的RAM和ROM，还应集成比较多的片上资源，减少外部变换处理芯片。51型单片机因为片上资源较少、运行频率等因素无法满足设计需求，而STM32f103系列时钟频率达到72MHz，控制器内置3个12位AD转换器，具有多达21个输入通道，支持串行(SWD)、JTAG调试，内置多种通信接口，支持IIC、USART、SPI、USB和CAN总线，能够满足设计需求。综合考虑STM32f103系列芯片的价格和性能因素，

15、选用STM32F103RCT6作为主控芯片6。2.2 传感器选型根据设计目标，各测量参数的所选用的传感器如表1所示。表1 数据采集系统传感器参数表Tab. 1 Senior parameter tab测量参数传感器类型传感器详细信息速度霍尔传感器A44E1.测量范围040m/s2.测量精度0.5m/s加速度MPU-6050运动处理传感器1.400khz的IIC接口通讯2.数字量输出3.测量范围16g4.测量敏感度2048LSB/g发动机转速2003款雅马哈R6发动机凸轮轴传感器1.测量范围018500r/min2.测量精度1r/min发动机水温DALLAS公司单线式的DS18B201.温度测量

16、范围551252.测温精度1方向盘转角GY-271 HMC5883电子模块1.测量范围01801.测量精度1悬架跳动量Magneti Marelli公司CLS1322-075线性电位计1.测量行程75 mm2.测量精度0.5mm2.电阻变化量程03K3.移动速率小于10m/s2.3 无线模块选型目前常用的短距离无线传输方式主要有Bluetooth、WiFi、ZigBee、NRF24L01等，Bluetooth和WiFi由于通信距离小于1km无法满足设计目标要求，ZigBee和NRF24L01P相较通信速率较小，故无线通信模块选用NRF24L01P。普通NRF24L01P无线通信模块稳定通信距离

17、只有50米左右，无法真正应用到数据采集系统中，而NRF24L01P+PA+LNA模块由于集成低噪声功率放大器将功率放大，增加了大功率PA、LNA芯片、射频开关、带通滤波器等组成的全双向的射频功放，能极大增加发射功率和提高接受灵敏度，使得有效通信距离增到到1100m。2.4 系统电路设计依照STM32F103RCT6单片机引脚定义，设计了数据采集系统的主控电路、模拟信号电路、脉冲信号电路、供电电路、无线接口电路7，其中主控电路、供电电路、无线通讯电路的设计如图2所示。图2 主控电路Fig. 2 The main control circuit数据采集系统的主控电路设计如图2所示，使用单片机PA4

18、、PB0PB1、PC0PC5共9个ADC通道作为模拟信号输入口，与发动机水温、方向盘转角、悬架跳动量等传感器连接；使用单片机3个通用定时器TIM2、TIM3、TIM4作为脉冲输入/输出通道，与车速、发动机转速等传感器连接；使用单片机的PB10、PB11两个引脚模拟I2C与MPU6050通信，与加速度传感器连接。如图3所示，本数据采集系统主控芯片有4个供电口，默认供电电压是3.3V，最大输入电压3.6V，极限输入电压是4.0V，超过4.0V的供电电压将会导致芯片损坏。数据采集系统上位机通过串口方式供电，下位机采用12V蓄电池供电，12V电压经78M05芯片转换成5.0V，再接入AMS1117-3

19、.3V稳压芯片对系统供电。由于下位机安装在赛车上，易受到赛车点火模块、各种继电器、交流发电机等装置的电磁干扰，这些干扰信号主要经电源线传导，所以在12V的电源入口处先使用104P的电容去高频干扰。此外，为了保证ADC测量的精准度和降低EMI，芯片上VDDA输入口供电时采用去耦电容滤波处理。图3 供电电路Fig. 3 Power supply circuitNRF24L01P+PA+LNA无线模块通过SPI接口与主控芯片连接，使用3.3V供电，在设计时需注意对此供电口做滤波处理，否则来自电源的干扰信号会导致无线模块无法正常工作，本设计中采用104P的电容作去高频干扰处理；PA5、PA6、PA7为

20、单片机SPI1模块的 SCK、MOSI、MISO；片选信号CSN接PB4，CE接PB3，无线模块中断信号输出脚IRQ接PB5；无线模块发送和接收成功或其他异常时IRQ引脚会置低，可通过配置PB5作为外部中断输入，在中断中读取无线模块的状态寄存器判断并做相应处理，如图5所示。图4 无线传输电路Fig. 4 Wireless transmission circuit3 系统软件设计本系统程序设计上采用Keil MDK集成开发环境进行设计，使用STM32官方库函数，按功能编写相应的程序。本系统的软件使用C语言编写，采用结构化的程序设计方法，各个模块相对独立，方便后期对代码的维护、移植和升级，同时也使

21、代码的调试难度大大降低。3.1 主程序框图数据采集系统的工作流程设计如图5所示，当系统供电后，上位机在系统初始化后，进行无线模块是否接收到数据和计算机是否下发命令的判断，根据判断结果执行不同操作；下位机进行初始化设定并打开所有接口，检测传感器是否采集正常，通过定时器和无线模块向上位机发送数据。图5 主程序框图Fig. 5 The main program block diagram3.2 ADC设定ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）采集采用扫描工作的方式，数据通过DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）方式传输数据。其工作过程中

22、对各路ADC通道各进行多次采样，每次采样结束后直接将数据传输至单片机内存，最后直接到内存ADC存储区取数据，经均值滤波算法做均值处理后输出，将采样平均值作为最终结果输出。3.3 定时器脉冲设定脉冲信号的测取使用到单片机内集成的定时器/比较器模块：TIM2、TIM3与TIM4。每个定时器有四个输入捕获通道，共计12个输入捕获通道可用于脉冲信号测量。脉冲信号的测量原理是打开定时器的计数功能，将定时器对应的四个脉冲捕获通道设置为电平跳变中断，通道引脚电平跳变后会触发中断，在中断程序中记下此时的定时器计数值，待第二次该引脚触发中断时，再次读取定时器的计数值。通过两次计数值计算两次脉冲之间的时间，再根据

23、定时器的计数频率算出脉冲的频率，如此即可精确测取转速变化。3.4 无线通讯设定无线模块通过SPI接口与单片机连接，SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外设接口，SPI 总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。在对无线模块进行操作之前，首先要对SPI模块和相应的引脚初始化配置。无线模块的六根连接线分别是CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。SPI接口经过以上初始化配置口后便可以对无线模块进行读写操作，本设计采用Enhanced ShockBurstTM收发模式进行数据收发,上位机和下位机使用相同的地址

24、和通道。3.5 传感器校正在采集数据之前，须对相应的传感器进行零偏校正。因为数据采集板安装时不可避免的会有一定的倾斜，会导致静态时加速度计X、Y轴输出值不为零，零偏校正的原理是多次测取静态时加速度传感器X、Y轴偏差值，求取平均值作为偏差值，并将偏差值存储到单片机的Flash存储区中，掉电后程序会读取该偏差值用于输出数据校正。在采集数据时测取到传感器数据后减去相应的零偏值作为最终的输出结果。4 系统测试与试验完成系统软硬件设计和PCB焊接后需要对整个系统的功能和数据采集精确度进行测试。检测时，依据车辆的运动特征，速度、加速度、发动机转速等参数宜采用动态测量，即赛车运动过程中被测量参数的瞬态值，最

25、远通讯距离、通讯延迟、方向盘转角、悬架跳动量等参数易采用静态测量，即赛车静止时被测量参数的数值。此外，以赛道圈速采集设备、FSAE赛车发动机ECU存储数据、量角器、游标卡尺等设备多次测量的平均值作为约定真值，用数据采集系统的测量值与约定真值之差作为误差，检测结果如表2所示。由表2可知，数据采集系统最远通讯距离、通讯延迟的平均值分别为1024m、0.94s，速度、加速度、方向盘转角、悬架跳动量、发动机水温、发动机转速的最大测量误差分别为0.45 m/s、0.009g、0.59、0.41 mm、0.22、0 r/min，符合设计目标的要求。表2 检测结果及分析Tab. 2 Test result

26、and analysis试验次数最远通讯距离（m）通讯延迟（s）测量误差速度（m/s）加速度（g）方向盘转角（）悬架跳动量（mm）温度（）转速（r/min）110200.950.320.0080.520.230.220210250.920.220.0090.430.280.110310330.960.450.0080.590.410.160410190.960.280.0090.380.330.130510230.940.370.0070.450.380.200均值10240.94-5 结论本文以STM32F103RCT6作为主控芯片，根据被测量参数特点选择了不同传感器，设计了主控电路、模拟信

27、号电路、脉冲信号电路、供电电路、无线接口电路，编写了程序代码，最终开发出一款用于FSAE赛车的数据采集系统。该系统体积小、精度高，具有无线传输和实现显示功能，经过试验测试，所设计的数据采集系统能够满足FSAE赛车测试与调校的需求。参考文献 (References)1 He Qiong, Chen Ti, Cheng Xing. Application of DMA in High-speed Real-time Data Acquisition SystemJ. Instrument Techniques and Sensor, n 3, p 49-52, 2012.2 Jing Lei, W

28、an Ren Jun, Wei Ke Xin. Design Of Driving Cycle Data Acquisition System Based On GPS.J. Applied Mechanics and Materials, v 391, p 572-5, 20133 Qian Xuewu, Cai Tijing. Design and implementation of data acquisition system based on Agilent 3458AC. 2013 IEEE 11th International Conference on Electronic M

29、easurement & Instruments (ICEMI), p 28-31, 20134 Rougang Zhou, Yunfei Zhou; Xing Chen. VME bus-based multiprocessor parallel data acquisition systemJ. Advanced Materials Research, v 650, p 529-36, 20135 中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2015版）M. 2015, 036 连杰,田小超. 基于STM32的高精度、大容量、多通道同步数据采集存储系统的设计J. 电子制作,2015,04:287 孟强. 基于STM32的数据采集系统设计D.南京林业大学,2014.