基于LPC2129定时器捕获功能的车速信号采集系统

摘要：介绍了LPC2129单片机定时器的捕获功能，以及在车速信号采集中的应用。设计了车速信号采集系统的软硬件，应用一种基于周期法的车速采集算法计算车速。提出的车速采集方法，无论在低速测量还是高速测量，都可较好地兼顾测量的精度和实时性，为进一步研究整车动态性能提供保证。通过对上车实验采集数据与车速表读数比较，结果证明了硬件设计和软件算法的正确性。
关键词：LPC2129；车速；周期；捕获

引言
    汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电信号传给计算机，以便汽车运行处于最佳工作状态。自20世纪80年代以来，传感器在汽车领域上的应用不断扩大，它们在汽车电子稳定性控制系统(包括轮速传感器、陀螺仪以及刹车处理器)、车道偏离警告系统和盲点探测系统(包括雷达、红外线或者光学传感器)各个方面都得到了应用。
    车速传感器是汽车传感器中基础而且重要的一部分。车速是汽车道路实验中的重要参数，它与车轮力、踏板力和车轮转速等参数相结合，对整车动态性能的分析、制动系统的性能匹配和ABS防抱死系统的开发，以及操纵稳定性实验的准确性有着重要的意义和应用价值。
    为了获取车速参数，本文作者设计了车速信号采集的软硬件，提出的车速采集方法无论在低速测量还是高速测量，都可较好地兼顾测量的精度和实时性，为进一步研究整车动态性能提供保证。

1 信号采集硬件电路
1．1 车速信号处理硬件电路
    车速传感器安装于变速器的输出端外壳上，其转轴外端为蜗杆，与变速器输出轴得涡轮啮合，涡轮转动时，带动车速传感器的转子转动。车速传感器主要用于测定车辆的行驶速度，向ECU传送车速电信号，用于汽车整车动态性能的控制。采集系统的硬件原理图如图1所示。

1．2 LPC2129的捕获功能介绍
    LPC2129微控制器是NXP公司32位单片机中的一种，其内部基本结构包括：中央处理器单元(CPU)、2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400 kHz)和2个SPI接口、8通道输入捕捉／输出比较定时器、8通道脉宽调制模块以及46个独立数字I／O接口。在片内还拥有256 KB的Fl-ash ROM、16 KB的RAM。LPC2129具有2个功能强大的定时器、32位可编程预分频器、4路捕获通道、4个匹配寄存器、4个匹配输出通道。捕获通道如图2所示。

1．3 计算方法
    常用的速度计算方法有3种：频率法、周期法、多倍周期法。频率法是通过测量给定时间内的轮速脉冲信号个数来计算轮速，周期法通过测量被测脉冲宽度来计算车速。本文所采用的速度采集算法类似于周期法。设置一个时间闸门Ts，通过PWM来实现。CAP的第一个通道在时间Ts内可以记下每次中断的当前时间，并放在寄存器CAP_DATA中。记录下来的值是内部定时器1的当前值，当晶振频率为11．059 2 MHz时，定时器1的内容每90 ns增1个。用最后一次中断的实时时间减去第一次中断的实时时间即为实际的采样时间Td。
    采用周期法计算车速N的公式：
   

    式中：N的单位为r／rain，n为采样时间内获得的脉冲总数，Td为实际采样时间，单位为ms。
    本文采用的车速计算公式：
   

    式中：V的单位为km／h，i为主减速比3．6，CR为车轮每转一圈所走过的距离，单位为km／h。

2 软件设计
    车速传感器的工作原理是把变速器蜗杆旋转转变为脉冲信号，每旋转一周产生4次脉冲信号。为了检测脉冲信号，同时也能对脉冲信号进行计算，可采用查询法或中断法。查询法即通过查询，确认定时器已记录有效事件后再行读取。中断法即利用程序控制的方法，在FIFO溢出或保持寄存器已加载时产生中断，在服务程序中读取定时器中已记录的信息并进行处理，以得到车速并输出到显示器。
    本系统采用的是中断法，输入引脚的事件方式采用正负跳变在不同通道采集。由于篇幅有限，只给出车速信号采集代码。

3 实验结果
    从图3可得出，采集的车速与仪表指示车速存在一定的误差。

    根据中华人民共和国国家标准：汽车用车速表GB15080-19999，指示车速与实际车速误差关系式：
   

    式中：V1是指示车速，V2是实际车速。所采集的数据在误差范围内，如表1所列。

结语
   整车动态性能研究是一个综合性的课题，车速信号的采集和计算是必不可少的工作。从实验结果看，本文设计的基于LPC2129的车速信号采集系统软硬件设计正确，采用的算法合理，满足科研要求。