基于adi系列芯片的模型汽车.docx

2008年度ADI大学生创新设计竞赛设计报告

基于ADI系列芯片的模型汽车
电子稳定系统

ADI Series ICs based Model Car
ESP System

参 赛 队：
参赛队员：
指导教师：

摘要：
本项目采用ADI公司的 ADSP BF-531处理器、ADuC7026处理器、iMEMS传感器以及ADF7020无线传输模块，结合自主设计的车轮独立制动系统和遥控器，设计实现一种模型汽车电子稳定系统。
该系统由无线遥控平台和模型车平台组成。系统对车辆的侧向加速度、偏航率、方向盘转角、轮速等信息进行测量，通过实时分析驾驶者行驶意图和车辆行驶状态，在发生侧滑时对车辆进行姿态控制，保证车辆稳定行驶。
本项目将建立基于Blackfin DSP处理器的汽车电子稳定程序（ESP）开发、测试平台系统，有着重要的实际意义和广阔的应用前景。

关键词:ESP、AutoCAD、车轮独立制动、ADC、无线通信

Abstract:
This project using ADSPBF-533 processor, ADuC7026 processor, iMEMs sensor series and wireless transmission module in association with self-designed independent wheel brake system and remoter achieves a model car electronic stability program (ESP) test system.
This system consists of wireless control terminal and model car terminal. By measuring the model car’s sideward acceleration, yaw rate, angular rate and wheel speed, this system will analyze the drivers’ intention and the car’s dynamic state in real time to keep the model car running stably under the danger condition.
This project will set up a Blackfin DSP based car Electronic Stability Program development and test platform and it will have a promising application prospect.

Keywords: ESP, AutoCAD, independent wheel brake, ADC, wireless transmission

目录

1. 引言
本项目通过ADI公司的Blackfin DSP处理器，iMEMs传感器以及无线传
输模块构建起系统的电子控制平台，结合自主设计的车轮独立制动装置和经游戏手柄改装的遥控器，实现了集车辆驾驶与ESP控制于一体的电子稳定程序开发测试平台，有着重要的实际意义和广阔的应用前景。
在我国，ABS（防抱死制动系统），TCS（牵引力控制系统）等汽车辅助安全系统渐渐广为人知，ESP则很好的解决了汽车侧向打滑的问题，为驾乘者在汽车发生侧滑时提供一定的安全保障。
ESP（Electronic Stability Program），中文名称叫电子稳定程序。在不同的企业，不同的车型，具体名字也有所不同，但其原理和作用基本相似。系统由控制单元，方向盘转角传感器，轮速传感器，偏航率传感器，横向/纵向加速度传感器及液压系统组成，ESP是一种智能的主动安全系统。ESP经过传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图。ESP能立刻识别出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态。
由汽车行驶理论可知，控制汽车的力(牵引力、制动力及转向力等)来自于地面的反作用力，此反作用力的极限值等于车轮与地面间的附着力，若行驶中汽车所需的控制力大于该附着力，则汽车将失去控制。汽车行驶在一定的路面上，车轮与路面间的附着系数一定，其与路面间的附着力也一定。车辆的牵引力(或制动力)与侧向力的合力不得大于附着力，否则车辆将失去稳定。显然，牵引力(或制动力)若增大，则路面可提供的侧向力减小。当车轮与路面间不打滑，侧向附着状态最佳；而当车轮与地面间纯滑动，侧向附着状况最差，车辆转向将无法控制。电子稳定系统通过直接控制作用在4个车轮上的制动力或牵引力，间接改变车轮受到的侧向力及汽车受到的横摆力矩，使汽车的运动方向得到修正。
本项目包括平台机械设计和电子控制平台两大部分。
机械部分的设计主要在现有1:8油动遥控模型车基础上，采用AutoCAD设计制作了一套轮独立制动装置。
电子控制平台部分主要结合模拟传感器技术，在无线遥控平台采用ADSP-BF531作为控制处理器，模型车平台采用ADXRS612陀螺仪和ADXL203两轴加速度传感器，结合AD7928进行模拟采样。平台间通过ADF7020模块进行无线收发。
本设计主要应用于汽车安全领域，为车载ESP系统的研究提供一个简易、可行的测试平台。

2. 系统方案
设计目标
以ADSP-BF531板为基础，分别作为车载主板和无线遥控器主板，结合
ADF7020无线模块以及模拟器件等，实现各种控制信息和车辆行驶信息的采样，传输等功能。在电子稳定程序的辅助下，驾驶者可对车辆进行实时安全的驾驶控制。
l 通过ADF7020无线通信模块实现无线遥控器与车辆间通信，实时传输控制信息，包括方向盘、油门、刹车三个控制量。在通信错误中断时，车载控制系统自动采取制动措施，保证车辆行驶安全。
l 系统启动时对遥控器进行初始化，确保在不同条件下，遥控器能给出正确的控制信息。模型车平台对接受到的控制信息进行校验，确保车辆接受到正确的控制信息。
l 对各传感器信号进行滤波，修正，确保系统获得正确的控制信息。
l 在模型车的基础上，设计制作一套能够4个车轮独立制动的碟刹装置，通过舵机提供制动力，该制动力通过传动装置带动碟刹，制动车轮。
l 模型车平台所搭载ESP系统，保证车辆行驶安全。

系统结构
系统由无线遥控器平台和模型车平台组成，均以ADSP-BF531为主控CPU
用ADF7020无线传输模块进行通信。系统实物图如图1。

图1 系统实物图
1) 无线遥控器平台
无线遥控器平台由赛车游戏专用游戏手柄改装而成，保留转向、加油、
刹车三项控制功能。该平台主要包括方向盘部分和踏板部分。
两者核心电子部件均为电位器，当转动方向盘或者踩踏踏板时，相应端口电压改变，通过控制器主板的ADC采样，得到原始控制信息，经ADF7020发送至车载接收端，计算出油门和刹车的控制量，转换为对应宽度PWM信号驱动舵机，实现车辆的驾驶控制。
2) 模型车平台
该平台搭载一块BF531主板，通过ADF7020接收被控信息，控制车辆行驶。对加速度传感器，角速度传感器，霍尔效应传感器进行采样，经滤波，修正之后得到车辆行驶状态参数，由各参数计算出车辆形式状态，分析出车辆是否测滑。当车辆测滑时，由ESP控制程序得出制动信息，驱动所需制动舵机，拉动刹车钳，对某个或多个车轮进行制动，驱使车辆回到正确行驶轨迹。

平台连接示方式如图2。

图2 平台结构

l 机械设计：本项目针对模型车实物，采用AutoCAD设计制作了适合车轮大小的制动装置，主要包括刹车钳，刹车碟，固定装置三部分。由舵机提供制动力，通过钢丝线（外套伞金属软管，类似自行车刹车线）传递制动力拉动刹车钳，产生制动效果。
l 硬件设计：本项目采用自主开发的主板，包括车载与遥控器两部分。车载部分以ADSP-BF531为处理器，采用两轴加速度传感器ADXL203，陀螺仪ADXRS612，采用电压参考芯片ADR525以及8通道12-bit高精度ADC芯片AD7928完成模数转换模块，采用霍尔效应传感器车辆轮速；遥控器部分采用ADuC7026进行ADC采样，以ADSP-BF531为处理器，与车载部分一起采用ADF7020模块进行数据的无线传输。
l 传感器模块：系统所采用加速度传感器测量范围达，精度达；角速度传感器测量范围达，精度达
l 无线通信模块：系统采用ADI公司的EVAL-ADF7020-1DBZ4无线通信模块，工作频率在400MHz~440MHz，发送波特率最高达50kbps，接收波特率最高达200kbps，循环带宽为50kHz.
l 软件设计：系统采用软件模拟方式，模拟4路PWM信号输出，分别

系统特点
本系统作为ESP测试系统的一个模拟平台，具有体积小，简易可行的特点。
1) 采用1:8油动摇空模型车作为测试平台，动力充沛，车辆结构完整。
车辆振动噪声类似真车，使测试平台与真实车辆具有可比性。
2) 根据赛车游戏手柄改装的方向盘遥控器，可模拟真实车辆的转向，加油与刹车控制。
3) 自主设计制作的，适合测试平台的车轮独立制动装置与真实车辆刹车系统类似。
4) 系统由舵机提供制动力，由ADSP-BF531处理器软件模拟舵机的PWM控制信号，可调精度达
5) 采用ADF7020无线传输模块构建通信系统，传输距离达200米，是ADF系列产品在无线控制领域的一次成功应用。
6) 系统首次将ESP控制算法在ADI系列芯片上实现，具有开创性意义。

3. 平台设计
系统的两大平台均以市场现有游戏娱乐平台改装加工而成。这些游戏娱乐平
台与真实车辆的结构、驾驶方式都非常相似，因此可以较真实的对真车进行模拟。以下将对这两个主要平台的设计制作进行介绍。

3.1 无线遥控制器平台设计
1) 采用北通168赛车游戏专用手柄，通过拆装，保留手柄的传感器电路作为系统传感器，去掉其他电路及按键功能。
2) 方向盘转角达±90°，内置弹簧提供扭力，可以自动回到中间状态。踏板提供油门和刹车功能，内置弹簧提供扭力，在无踩踏状态时可自动回到初始值，保持车辆处于怠速状态。
3) 方向盘与踏板电子结构主要是通过电阻分压的方式，得到不同的控制信号和控制量。分压电路采用3.3v电源驱动，线性分压。方向盘居中时端口电压约为1.2v，左转时端口电压升高，右转时端口电压降低，从而直接将控制信息转换为电压值，经过一路ADC采样得到控制信息。踏板采用相同的采样控制方式分辨刹车和油门，由ADC采样值大小决定控制量度。分压电路如图3所示。

图3 分压电路

因遥控器所需功能与车载主板所需功能可以兼容，故遥控器采用与车载主板相同的PCB板以节约制作成本。主板包括EVAL-ADF7020-1DBZ4接口，利用ADI公司提供的无线模块，实现控制信息的传送。

3.2 模型车平台设计
该平台主要包括一辆1:8油动遥控车，一套车轮独立制动装置和车载控制主
板。
3.2.1 遥控车
遥控车采用南大越野1:8油动遥控车，该车采用专用混合油为燃料，配备一冲程发动机，4轮驱动，独立悬挂。车辆通过碟刹装置制动传动轴承实现车辆制动。车载两个控制舵机，一个控制转向，一个控制油门和刹车。车辆时速可达40km／h以上。整车结构与真实车辆相似。主要结构如图5。

图4 模型车结构

3.2.2 车轮独立制动装置
本项目根据当今车辆普遍采用的“碟刹”，采用AutoCAD设计制作了一套适合车轮大小的独立制动装置。制动力传动装置根据自行车刹车传动装置制作，由大力舵机提供制动力。碟刹装置如图6所示。

图5碟刹装置

图7 制动装置实物

图6碟刹装置实物
模型车前轮与后轮连接结构存在差异，刹车装置略有不同，原理相同，故本文只后轮刹车制作进行介绍
l 刹车碟与车轮传动轴咬合，车轮与刹车碟同步旋转。
l 制动产生时，钢丝线（外套伞金属软管）朝刹车钳2拉动刹车钳1。
l 刹车钳1、2夹住刹车碟，产生摩擦力，制动车轮。
l 刹车钳内侧贴有耐磨耐高温的石棉材料，由于石棉摩擦系数较大，可以提供较大制动力。
碟刹装置实物如上图7。

制动力产生与传动结构，主要包括伞金属软管、舵机、支架、传动臂，总体结构如下图8所示。
l 伞金属软管内部为螺旋状金属，可弯曲，不可伸缩；中空部分穿过钢丝线，可用于改变制动力传动方向。
l 舵机采用MS995大力舵机，扭力为13kg·m，相应时间为0.16ms。
l 根据模型车外形，设计加工铝材料支架，轻便，满足强度要求，可用于支撑舵机和电路板。
l 传动臂根据舵机旋转头咬合，同步旋转，提供制动力臂。
l 其他连接装置均根据以上零部件设计制作，例如：弹簧（见图8组合结构部分）用于将传动臂转动的距离转换为制动力的大小（胡克定律）。

图7制动力产生与传动结构

3.2.3 车载控制主板
车控制主板即为一块ADSP-BF531主板，提供PWM输出驱动舵机，详细介
绍见以下章节。

4. 系统硬件结构
系统中遥控器部分和车载部分模块功能兼容，采用相同PCB板制作。传感器子模块和无线通信模块均可作为通用模块使用。以下章节将对这些没亏啊进行介绍。

4.1 车载主板设计
本系统两大平台，均采用自主设计的ADSP-BF531主板，遥控器平台主板见附录。车载主板如下图9。

图8车载系统主板
该主板以ADSP-BF531为处理器芯片，包括32M SDRAM和4M NOR FLASH，集成iMENs传感器芯片。遥控器主板与车载主板功能兼容，只包括部分芯片。芯片选型及主板设计如下：
l 采用ADXL203测量车载系统的水平面两轴加速度。
l 采用ADXRS612测量车载系统水平旋转角速度。
l 采用ADuC7026对传感器进行ADC采样，同时实现部分控制功能。
l 采用ADM708电源管理芯片保护系统，同时保证车载平台安全。
l 预留ADR780参考电平芯片电路，使用3.0v参考电压。
l 预留传感器子模块接口，方便扩展。
l 对部分GPIO管脚做复用处理，以适应不同应用及调试阶段的需要。
l 轮速测量接口与舵机PWM驱动接口均采用LVX4245电平转换芯片。

主板结构框图如下：

图9开发板结构框图
该主板设计特色如下：
l 采用ADuC7026做协处理芯片，方便系统前期调试。
l 包括两轴加速度传感器和角速度传感器，可对车辆进行姿态感知。
l 以LVX4245作为电平转换接口芯片，舵机与主板双电源供电，减少大电流对主板性能的影响。
l 为后期修改，预留传感器扩展接口。
l 预留ADF7020模块接口。

4.2 遥控器主板设计
如前所述，由于遥控器功能于车载主板功能兼容，故采用相同PCB板，其设计不再赘述。平台功能结构如图4所示。

图11平台功能结构
数据经分压电路产生，通过ADuC7026的12位高精度ADC采样，经平滑处理后的数据由SPI发送到ADSP-BF531，经SP-BF531对ADF7020进行配置后，将控制信息经SPORT接口发送到ADF7020，最后由ADF7020完成控制信息在空中信道的传输。
4.3 传感器子模块
系统根据设计需要，已前期预留传感器子模块接口。扩展子模块如图11。

图10 传感器扩展卡
本扩展卡为适应传感器位置安装而设计。将本扩展卡安装于车辆重心位置，以便更加真实地测量出车辆的姿态信息。
传感器子模块结构框图如下：

图12 传感器子模块结构框图
芯片选型如下：
l 采用ADXL203测量车载系统的水平面两轴加速度。
l 采用ADXRS612测量车载系统水平旋转角速度。
l 采用ADR525参考电平芯片电路，获得2.5v参考电压。
l 采用AD7928芯片对上述模拟信号做ADC采用，采样值通过SPI送入处理器。

4.3.1 两轴加速度传感器ADXL203
ADXL203是ADI公司iMEMS系列的2轴加速度计。 ADXL203是一款集传感器结构与信号调理电路于一体的，具两轴加速度传感能力，高性能，低功耗，体积小的运动系列传感器。其主要性能和特性如下：
l 两轴传感能力。
l 5mm×5mm×2mm LCC 封装。
l 低功耗：700 uA(5V)。
l 测量范围：±1.7 g。
l 高精度，高零加速度稳定性。
l 3500 g额定耐冲击强度。
芯片输出相应如右图13。
ADXL203输出的模拟电压与2个轴上加速度值为线性关系。通过合理调整参数，即可实现ADXL203输出的模拟电压值到角度的换算。该芯片是ADI公司针对汽车电子稳定程序（ESP）推出的一款芯片，也可用于车辆动力控制、电子追踪、惯性导航、云台稳定性控制等领域。

图13 芯片不同方向上输出相应
4.3.2 角速度传感器ADXRS612
角速度传感器，即陀螺仪(gyroscope)，是一种转动装置，能在旋转时保持转动轴的方向不变，具有定向作用。ADXRS系列陀螺仪采用微电子机械加工技术，能精确测量转动物体的偏航角速度，适用于各种惯性测量系统。
ADXRS612的性能特点如下：
l 测量偏航角速度的范围是±250°/s，灵敏度为7mV/°/s，零位输出电压为2.50V，非线性误差为±0.1%F.S.，典型带宽为2kHz,角速度噪声密度为0.05 rad/s/sqrt(FHz)。通过外部电阻和电容还可分别设定测量角速度带宽。
l 内部包含电压输出式温度传感器，根据电源输入进行温度修正，具有自检功能。
l 抗振动、抗冲击能力强、超小型、超轻薄化。其外形尺寸仅为7mm×7mm×3mm，质量小于1g,很容易固定在转动物体上。
l 采用+5V供电，电源电压允许范围为+4.75V~+5.25V，电源电流的典型值为3.5mA，工作温度范围为-40°C～+105°C。
ADXRS612工作原理示意图如图14所示，共输出电压与偏航角速度成正比，电压的极性则代表了转动方向(顺时针转动或逆时针转动)。

图14 ADXRS612工作原理图
系统通过ADC采样，计算，获得系统当前偏转角度。

4.3.3 12位AD采样芯片AD7928
本设计采用AD7928作高精度AD采样芯片。AD7928芯片是ADI推出的高精度8通道AD转换芯片。其主要特性和性能如下：
l 快速转换速率：1MSPS。
l 单电源供电：2.7V~5.25V。
l 低功耗：1MSPS速率，3V供电情况下最大6.0mW。
l 8通道输入序列
l 高速串行通信接口SPI
如图所示，AD7928采样单位为VREF/4096，其中VREF取值为1×REFIN或2×REFIN，在本系统中VREF取值为2.5V或5.0V。具体设置可由SPI对AD7928进行编程完成。

4.3.4 电压参考芯片ADR525
本设计采用ADR525芯片为高精度AD采样芯片AD7928提高高精度的参考电平。ADR525芯片是ADI推出的高精度参考电平芯片，只需3.3V供电，便可输出高精度的2.5V参考电平。其主要特性和性能如下：
l 通用的SC70和SOT-23封装。
l 温度系数：40ppm/°C(max)
l 初始精度：±0.2%
l 低输出电压噪声：14uVp-p
l 不需外部电容
l 工作电流：0.05 ~ 15mA
l 工作温度范围：-40°C ~ +80°C

4.4 无线通信模块
本系统无线通信部分采用ADI公司EVAL-ADF7020-1DBZ4模块。主板根据该模块设计接口。模块实物图如下：

正面
背面

图13 无线通信模块
该模块采用3.3V供电，采用SPI进行配置，采用SPORT进行数据传输。空中信道传输可采用FSK,ASK等多种调制解调方式。该模块主要特性如下：
l 低功耗，低IF收发。
l 工作频率为400MHz~440MHz。
l 数据接收波特率最高达200kbps。
l 数据接收波特率最高达50kbps。
l 通过SPI对ADF7020寄存器进行配置，工作频率，调制解调方式，功耗，滤波器带宽等可编程。

5. 系统软件设计

6.系统调试
本系统所需PWM信号较多，部分采取软件模拟的方式产生；模拟信号采集噪声大；车辆控制信号准确性要求高，故调试主要包括：PWM信号调试、模拟信号滤波、无线通信性能调试。

6.1 PWM信号调试
系统共需6路PWM信号，其中2路分别采用ADSP-BF531的2个定时器产生PWM输出信号，精确性高。需调试部分为4路软件模拟PWM信号。

6.2 模拟信号调试
系统采用1:8油动遥控车，一冲程发动机，车辆运行时振动强度大，传感器采样所得数据噪声大。根据实际测量，遥控车机械振动所产生噪声比真车机械振动噪声大。故数据用于控制算法前需采取减震、滤波等预处理。
6.2.1 振动噪声对比分析
将本系统车载主板分别置于一辆大众高尔夫轿车发动机处和遥控模型车上，发动引擎，怠速情况下，测量车辆振动情况。测试条件如下：
l 测试平台：高尔夫～遥控车。
l 测试时间：2min。
l 传感器采样率：2000Hz。
l 主板与平台均采取硬接触。
l 采样电压范围：0v～5v。
传感器精度为1v/g(g为重力加速度)，利用ADuC7026的12位ADC，将
采样电压映射为0～4095的整数，对应关系为线性，故单位采样刻度对应重力加速度计算式（1）为：

△K = (5 v)/(1v/g)/4095 = 0.0012g （1）

在大众高尔夫速情况下，采样原始数据经Matlab绘制出振动曲线如下：

图a
在遥控模型车怠速情况下，采样原始数据经Matlab绘制出振动曲线如下：

图b
由以上介绍可知：

加速度振幅 ＝ 原始值平均振幅×△K （2）

根据公式（2）和图a，图b可以分析得出以下数据。

表1 振动强度对比

高尔夫
遥控车
差值

原始值
振幅
X轴
300
400
100
Y轴
250
800
550

加速度
振幅
X轴
0.36g
0.48g
0.12g
Y轴
0.3g
0.96g
0.66g

由表1和以上振动曲线图可知：
l 遥控车与真车均会由于机械振动，为传感器引入振动噪声。
l 遥控车机械振动产生的振动噪声比真车振动噪声大。
l

由以上分析知，若要提高传感器信噪比需对传感器采样值进行滤波等预处理。

对传感器原始采样信号进行频谱分析。利用Matlab绘制出原始采样信号频谱图，如图。

传感器信号带宽电容设置的是50Hz，实际采样信号在190Hz 左右有较强频谱，分析该频谱是机械振动引入的噪声信号频谱。
为获得较高质量信号，本设计采用线性相位FIR低通滤波器对采样数据进行滤波，滤波器特性如下：
l 窗函数：翰明窗。
l 信号采样频率：2000Hz。
l 滤波截止频率：30Hz。
l 滤波器阶数：110（过度带）。