基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的汽車駕駛模擬器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車的駕駛操縱動(dòng)作，獲得實(shí)車駕駛感覺(jué)的仿真系統(tǒng)。目前的汽車駕駛模擬器集合了傳感器、計(jì)算機(jī)三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)接口、人工智能、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等多種先進(jìn)技術(shù)，主要用于駕駛員的培訓(xùn)，也可以對(duì)微觀交通進(jìn)行仿真，對(duì)汽車的控制特性進(jìn)行研究。利用駕駛模擬器來(lái)進(jìn)行研究和訓(xùn)練，可方便地模擬各種道路環(huán)境、天氣狀況，分析汽車的技術(shù)性能指標(biāo)，從而可以節(jié)省大量的自然資源，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在汽車駕駛模擬器中，傳感控制系統(tǒng)的性能直接影響到整個(gè)汽車駕駛模擬系統(tǒng)的交互性和實(shí)時(shí)性，是衡量汽車駕駛模擬器實(shí)用性能的重要指標(biāo)。傳感控制系統(tǒng)主要由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、以及接口電路等組成。其中，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是整個(gè)傳感控制系統(tǒng)的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)操縱數(shù)據(jù)的采集，這種基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)成本相對(duì)較高，采集模擬量時(shí)不是很穩(wěn)定，必須在仿真程序中采用專門的算法對(duì)模擬量進(jìn)行處理，同時(shí)接口的數(shù)量也很有限，這為后續(xù)的開發(fā)帶來(lái)了一些困難。下面介紹汽車駕駛模擬器單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1系統(tǒng)的工作原理

在模擬汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器采集駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，通過(guò)接口電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，并對(duì)其中的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后單片機(jī)系統(tǒng)將控制信號(hào)通過(guò)RS-232接口傳送給主控計(jì)算機(jī)。當(dāng)駕駛員進(jìn)行模擬駕駛時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)駕駛員的駕駛操作實(shí)時(shí)地發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛模擬器視景系統(tǒng)中汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置的控制，控制系統(tǒng)的精度由仿真程序內(nèi)部的算法保證。

圖1 系統(tǒng)的工作流程

汽車駕駛過(guò)程的基本操縱部件是方向盤、油門、離合器、剎車和檔位，另外還有點(diǎn)火開關(guān)、轉(zhuǎn)向指示燈等輔助性操縱部件。與實(shí)車駕駛相同，這些操縱部件的協(xié)同工作可以對(duì)虛擬視景中的汽車模型進(jìn)行控制，駕駛訓(xùn)練者與視景的變化是實(shí)時(shí)的、交互的。駕駛訓(xùn)練者對(duì)操縱部件的操作通過(guò)傳感器被系統(tǒng)感知后，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)處理和運(yùn)算得到汽車模型的控制參數(shù)，最后根據(jù)這些參數(shù)控制視景系統(tǒng)的渲染輸出，駕駛訓(xùn)練者就在虛擬視景中實(shí)時(shí)地觀察到所駕駛車輛的運(yùn)行情況。系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

2 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

汽車駕駛模擬器主要的控制信號(hào)如表1所示。

汽車駕駛模擬器主要有方向盤、離合器、制動(dòng)器、油門、6個(gè)擋位、手剎等信號(hào)需要采集，使用的傳感器包括開關(guān)傳感器、位移傳感器、角位移傳感器三類[3]。方向盤采用角位移傳感器；離合器、剎車、油門采用位移傳感器；點(diǎn)火、手剎、換檔等采用開關(guān)傳感器。

汽車駕駛模擬器是一種駕駛訓(xùn)練的教學(xué)設(shè)備。它利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)營(yíng)造一個(gè)虛擬的駕駛訓(xùn)練環(huán)境，人們通過(guò)模擬器的操作部件與虛擬的環(huán)境進(jìn)行交互，從而進(jìn)行駕駛訓(xùn)練。模擬駕駛環(huán)境幾乎完全“克隆”真實(shí)學(xué)車環(huán)境，能夠消除駕駛初學(xué)者的恐懼心理，適時(shí)規(guī)范駕駛者的操作，為駕校駕駛培訓(xùn)的有力幫助。

模擬器的工作原理為：駕駛員操縱操作部件，使得與操作部件直接相連的傳感器發(fā)生變化，從而引起電信號(hào)的變化。信號(hào)采集及處理子系統(tǒng)按照一定的精度定期采集傳感器上的電信號(hào)，并進(jìn)行濾波等處理。處理后的信號(hào)作為車輛動(dòng)力學(xué)模型子系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)模型模擬運(yùn)算，計(jì)算出車輛的當(dāng)前狀態(tài)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、車速、車輛當(dāng)前的位置等信息。車輛動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出的結(jié)果送入顯示系統(tǒng)進(jìn)行圖形顯示、送入音響系統(tǒng)進(jìn)行聲音模擬以及送入儀表系統(tǒng)進(jìn)行儀表顯示。

2.2硬件電路的設(shè)計(jì)

汽車駕駛模擬器傳感控制系統(tǒng)需要完成開關(guān)量和模擬量的采集與處理，指示燈與儀表的顯示控制，以及與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋８鶕?jù)以上要求，主控芯片選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52, AT89C52是一種低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51產(chǎn)品的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。

AT89C52片內(nèi)含8K的閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM），256 B的內(nèi)部隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），已經(jīng)可以滿足本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的需要，因此不需要進(jìn)行外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。

另外，AT89C52還提供了一個(gè)具有多級(jí) 通訊功能的全雙工串行接口，可以用作與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊。由于RS-232串行通信端口是PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，而且RS-232用作雙向數(shù)據(jù)通信時(shí)接線十分簡(jiǎn)潔，因此選用RS-232作為通訊接口。但是，RS-232的輸出信號(hào)不但有正電壓，還有負(fù)電壓，所以選用半導(dǎo)體公司的RS-232接口芯片MAX232實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。圖2為汽車駕駛模擬器單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)圖。

圖2 系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)圖

2.3軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車駕駛模擬器單片機(jī)軟件系統(tǒng)需要完成模擬量和開關(guān)量的采集和處理、串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、控制信號(hào)的輸出與顯示、故障的監(jiān)控與保護(hù)等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)匯編語(yǔ)言編制而成，主要由主程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、串行口中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集和處理程序、信號(hào)的輸出與顯示程序等幾部分構(gòu)成。

圖3 軟件系統(tǒng)程序流程圖

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化工作；定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要完成看門狗功能，在單片機(jī)發(fā)生異常情況時(shí)，能使程序及時(shí)復(fù)位，保證單片機(jī)系統(tǒng)能夠正常工作；串行口中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主控計(jì)算機(jī)之間的通訊；數(shù)據(jù)采集和處理程序主要完成模擬量和開關(guān)量的采集，獲取駕駛員的操控?cái)?shù)據(jù)；信號(hào)的輸出與顯示程序?qū)⒅骺赜?jì)算機(jī)的控制信息傳送給單片機(jī)，用于控制指示燈和儀表的顯示輸出。圖3為汽車駕駛模擬器單片機(jī)軟件系統(tǒng)的程序流程圖。

3 結(jié)論

基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成本相對(duì)較低，接口的可擴(kuò)展性好，同時(shí)，模擬量和開關(guān)量的預(yù)處理工作也可以由單片機(jī)來(lái)完成。系統(tǒng)完全可以滿足汽車駕駛模擬器的交互性和實(shí)時(shí)性要求，已在所開發(fā)的汽車駕駛模擬器中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果。