汽车制动踏板操纵力与行程分析系统研究

键盘及 LCD 模块
踏板力传感器 位移传感器 数据采集模块
预处理电路
C8051f340 核心 驱动程序
USB 总线接口
USB 器件
SD 数据 存储卡
数据分析软件 （C#.NET 编写）
API
USB 总线 接口
USBXpress 驱动
上位计算机
图 1 系统结构图
机械工程师 2009 年第 5 期 51
P1.3-P1.6
VDD
K1
R3
K2
R4
C3
K3
R5
K4
R6
C4
GND GND
GND
C2 22PF
C1 22PF
VDD C5 C6
VDD
C1＋ C1-
Vcc T1 IN R1 OUT
RXD TXD
C2+ T1 OUT
C2- R1 IN
V+MAX232 V- GND
R3
Xin
Xout
GND
D+
USB 插座
电平完全不同，必须使用电平转换芯片才能将串口和单 片机连接，系统中使用一片 MAX232 芯片作为串口连接 芯片，与单片机的 TXD 和 RXD 相连；为了实时监视采集 及工作情况，使用一块 1602 液晶显示器来监视行程和力 的实时数据，1602LCD 采用并行连接方式，使用 P3.0～ P3.7 作为地址总线对 LCD 进行指令/数据发送；该系统同 样包括一个复位按键和一个 JTAG 在线调试接口，方便 在线进行程序调试，电路结构如图 2 所示。 2.2 USB 接口连接
SD 卡内部有 6 个信息寄存器，用来设置和保存操作卡的 关键信息，同时具有两个状态寄存器，用来记录操作卡的当前 状态。所以本系统将 SCLK 和 MISO 以及 MOSI I/O 接口和 SD卡相连接，通过指令将采集到的数据保存进 SD 卡中。 3 系统软件设计及工作原理
DVBUS
RXD
TXD GND
D+ DVBUS
REGIN VDD
GND
VDD
+3.3V
VSS VDD
R1
SCLK Data Out
Data in NSS
SD 卡
复位开关
SCK
Xin
MISO
Xout
MOSI
接传感器 模块
C8051F340
R2 GND
P1.1
I/O
P1.2
RST
P1.3
串口连接
GND
GND
学术交流
ACADEMIC COMMUNICATION 理论 / 研发 / 设计 / 制造
值达到一个平衡点，从而提高制动踏板的舒适性和安全 性。 2 系统的硬件结构
该采集分析系统基于SOC 型单片机C8051F340 和 USB 接 口技术，其核心部件 C8051F340 是 Silicon Laboratories 公 司推出的一款具有全速 USB 功能的混合信号微控制器芯 片，它具有与 MCS-51 完全兼容的指令集，具有 48 MIPS 的 高速运行速率；它提供 64 KB 的芯片内建闪存以及 4352 字 节的 RAM，此单片机具有流水线的指令结构；70%指令的执 行时间为 1 或 2 个系统时钟［1］，片内调试电路提供全速、非 侵入式的在线系统调试；带有模拟多路器的 10 位 200KS/s 的单端／差分 ADC；精确校准的 12MHz 内部振荡器和 4 倍时 钟乘法器，提供 40 个可控制的 I/O 引脚；此外，C8051F340 内置 USB 接口兼容 USB2.0，支持全速 （12MBPS） 和低速 （1.5MBPS）两种运行速度，内置的 1kB 的 USB 缓冲存储器， 集成的收发器，无需外部电阻，可方便实现与计算机的通信， 片内稳压器旁路支持 USB 自供电。此外，Silicon Laboratories 公 司 还 为 C8051F340 的 USB 驱 动 程 序 开 发 提 供 了 USBXpress 开发套件，大大节省了开发时间［2］。 2.1 系统主要器件
对汽车制动踏板的操纵力与行程的采集和分析的结 果，是用人因工程学理论分析汽车操纵安全舒适性的重 要依据，合理地调整汽车制动踏板的踏板反馈力与操作 行程，是汽车安全性和舒适性的保障；而传统对汽车操纵 力与行程的采集分析系统大多是使用模拟驾驶室技术， 并且使用大量辅助性装置，其测量所得数据实时性较差， 且其实验成本高昂，对工作环境要求比较高，不易扩展。
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology, Hefei 230009，China）
Abstract： Aiming at the problems that the instruments which are used for analyzing automobile braking pedal based on human factors engineering theory are too expensive and are installed discommodiously ， An acquisition and analyzing system about the handling force and journey of automobile braking pedal is designed based on the technique of C8051F340 single-chip on this paper. The technique of high-speed Soc single-chip and the special sensors are used in the system. The system possesses the characteristics of strong functions ， reliable capability and convenient use， and can be installed in the common automobiles for the real driving experiment on different road conditions during a long time. It possesses a USB interface， so it can be synchronous with the host computer. The use of this system can greatly improve the agility and the real-time performance of the research on automobile braking pedal. Key words： single chip; C8051F340; brake pedal; USB; SD card
设计中 USB 接口主要实单片机系统与 PC 机之间的数 据通信。当数据需要在上位机上进行处理时，可使用 C8051F340 集成的 USB 功能控制器，来连接上位机的 USB 接口。该系统中 D+、D-是一对差模信号，与 USB 电缆的 D+、 D-连接；REGIN 是片内电压调节器的 5V 输入端，与 VBUS 引线联接；VBUS 引线与 C8051F340 的引脚 VBUS 相连接， VBUS 引线是 USB 电缆 VBUS 引线的感应输入端，当该引 脚出现 5V 高电平信号时，表示设备和主机连接好［3］。 2.3 SD 卡的连接
关键词：单片机；C8051F340；制动踏板；USB；SD 卡
中图分类号：TP216.3；U461.6
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2009）05－0051－03
Research of Automobile Brake Pedal Force and Displacement Analysis System HUANG Jian， HU Jing， JIANG Zeng-qiang， ZHANG Ming-xin
学术交流
理论 / 研发 / 设计 / 制造 ACADEMIC COMMUNICATION
汽车制动踏板操纵力与行程分析系统研究
黄健， 扈静， 蒋增强， 张铭鑫 （合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）
摘 要：针对当前对汽车制动踏板进行人因工程理论分析时所使用的仪器昂贵、安装繁琐等问题，设计了一种基于
本系统由三部分构成，其中数据采集模块带有传感 器和放大电路，采用的是 KYOWA 公司的 LP-100KB 踏 板力传感器和 DTP-D-500S 行程传感器，该传感器针对 车辆实验设计，安装简单。车辆在使用该传感器时完全可
以正常行驶且不影响驾驶安全性；同时 KYOWA 公司为 该传感器配备有专门的放大模块，并提供接口函数便于 进行二次开发，传感器采集到的模拟信号经过预处理电 路后传到 C8051F340 的 ADC 端口，并在单片机内部进行 处理，在单片机模块上面连接有 LCD 显示屏幕和按键， 通过按键选择工作方式，通过 LCD 显示屏能实时查看某 一通道的数据采集瞬时值。该系单片机模块带有 SD 插 槽，使用该插槽可以通过 C8051F340 的硬件 SPI 总线向 SD 卡读写保存数据。方便以后在不同场合对数据进行分 析，同时该系统也可以通过 USB 接口连接上位计算机， 在上位机中安装有使用 C#.NET 编写的数据分析软件，通 过该软件可以实时显示力和行程的二维曲线。通过对这 些曲线的拟合和分析得到汽车制动踏板的操纵舒适性评 价值，然后将其嵌入到生产过程质量反馈环节，通过生产 过程的结构优化和机械调整可使汽车制动踏板力和行程
本文设计了一种基于 C8051F340 单片机的汽车制 动踏板操纵力与行程分析系统，利用单片机系统完成实 验数据的采集、处理；使用 USB 总线进行数据从采集系 统到 PC 的传输，成本低廉、安全可靠、扩展性强、便于编 程和操作。由于实际硬件体积由 PCB 电路板大小决定， 以及所选用的传感器可以安装于汽车机构内，不影响安 全驾驶，可以在真实驾驶情况下使用；同时该系统既可脱 离 PC 机工作，并将数据保存在 SD 卡中，又可以采取使 用 USB 总线与笔记本电脑连接同步工作，方式灵活多 样，适用于各种车辆的制动踏板力与行程值的实时采集 与分析。 1 系统概述
C8051F340 单片机技术的汽车制动踏板操纵力与行程采集分析系统，采用高速的 SOC 单片机技术，使用专用型传感
器，该系统功能强大，简单、便携、性能可靠、使用方便，可以安装在普通车辆上进行长时间各种路况的真实驾驶实验；并
具备 USB 接口可以随时和上位计算机进行同步，使用该系统可以大大提高对汽车制动踏板研究的灵活性和实时性。
Vss
P1.6
Vdd
Vss Vdd
P1.7 P2.0 P2.1 P3.0
VL P1.7 P2.0 P2.1 P3.0
VL RS R/W E
D0
1602LCD
… …
P3.7 C2D P3.7 D7
BLA BLA BLK BLK
GND
VDD
GND
1
2
3
4
5ห้องสมุดไป่ตู้
6
7
8
9 JTAG 10
编程调试接口
图 2 系统硬件原理图
系统采用车载供电方式或者电池供电方式，单片机 供电电压为 5V，由于 C8051F340 内部有 10 位精度的高 速模数转换器，所以无需外加模数转换器件。本系统采用 P1.1 和 P2.2 接 口 接 收 两 路 传 感 器 传 来 的 模 拟 信 号 ， C8051F340 有 48 个引脚，所以使用 P1.3～P1.6 口单独连 接 4 个按键，作为选择通道以及其他功能按键；该系统使 用外部 20.00MHZ 的晶振作为激励；为了能连接串口设 备，系统提供串口方便将来与串行设备进行连接，通过交 叉开关把 C8051F340 的 P0.4 和 P0.5 设置为 TXD 和RXD。 由于 RS232 逻辑电平对地是对称的，与 TTL、CMOS 逻辑
SD 卡对外提供两种访问模式：SD 模式和 SPI 模式。 由于 C8051F340 具有硬 SPI 接口，所以该系统利用 SPI 总线来读写 SD 卡，在 SPI 总线模式下 SCLK 为主控制器 向 SD 卡发送的时钟信号，Data In 为主控制器向 SD 卡发 送的单向数据信号，Data Out 为 SD 卡向主控制器发送的 单向数据信号［4］。系统中，主控制器并不直接访问存储器， 而是通过卡的接口控制器来访问存储器。卡内存储单元 的读、擦、写由接口控制器根据主控制器的命令自动处理 完成，而主控制器无须知道卡内是如何操作、管理存储单 元的，这将大大减轻主控制器对存储器操作的负担，提高 系统运行效率。