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第四章 系统硬件设计 4.1 单片机的性能特点 4.1.1单片机的选择 单片机是数据采集器的核心，因此单片机的选型很重要。在单片机的发展过程中，Intel公司扮演了重要角色。从1980年以来，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上又推出了MCS-51 8位的高档单片机以及今天的MCS96系列及各种CMOS系列，使单片机技术日趋成熟和完善。 无论是哪一种位数的单片机，哪一系列的单片机，都为新产品的开发、应用系统的研制、智能控制器的研究等，创造了极其有力的硬件环境。目前世界各生产厂家生产的4位、8位、16位、32位通用型以及衍生出的五花八门的系列及型号，使单片机技术的应用已达到了无孔不入的地步。但是在国内，单片机使用量最大的还是8位单片机，应用范围最广的也是8位单片机。 目前世界各生产单片机的公司都在努力提高时钟频率，以提高CPU速度;精简指令，采用多级流水线操作方式以提高指令的执行速度，扩大寻址能力:扩大片内程序存储器和数据存储器容量，并在结构上细致化、智能化、密切化，以增加片内功能;尽量减少外部接口芯片，提供与主机的接口，降低单片机的功耗，提高宽电源的适应能力，增加高噪声容限，并使其具有更好的电磁兼容性。面向应用对象的多功能多品种的增强型单片机将不断出现。 本系统的主控单元采用了MCS-51系列的8051单片机，主要考虑到这种单片机操作相对简单，而且具有4K的存储单元，可以使编写程序变得游刃有余，同时价格也较便宜，便于实验时使用。 4.1.2 MCS-51单片机的主要性能 本系统采用与Intel公司生产的MCS-51完全兼容的8051单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微处理器，片内带有EPROM，不需要外扩程序存储器，而且固化的应用程序可以方便地擦写。其结构特点如下: ①低功耗、高速8位的HMOS芯片; ②片内振荡器，6MHz或12MHz的时钟频率; ③高达4K的内部程序存储器，128个字节的内部数据存储器; ④32根I/0口线; ⑤2个16位的定时/计数器; ⑥5个中断源; ⑦全双工串行数据通讯口: ⑧布尔处理器; 4.1.3单片机系统的设计要求 系统设计包括软件和硬件设计两个方面，两者之间互相影响。一般设计原则是简化设计(采用功能较强的芯片以简化电路，增强可靠性);冗余技术设计(提高系统可靠性和便于维修):以软代硬(在速度允许的条件下，能用软件的尽量不用硬件)，如用软件低通滤波代替硬件低通滤波，用软件中断代替硬件中断等。 硬件设计一般包括单片机接口电路设计和单片机作用对象设计。在硬件电路的基础上，高质量的软件可使系统的性能大大地提高，其中包含:中断控制、定时、显示、数码转换以及数据采集、处理、输出等程序。在设计时，较多的使用硬件来完成一些功能，可以提高工作速度，减少软件工作量;较多的使用软件来完成一些功能，则可以降低成本，简化电路，但是增加了编程的工作量。因此，在综合设计时，应根据研制的周期和市场状况来进行合理的分配。 4.2 追尾碰撞报警系统硬件设计 4.2.1测量距离通道的设计 为了实现与毫米波测距机之间的通讯，使毫米波测距机测得的数据顺利地传送给单片机，必须设计通讯接口电路。由于毫米波测距机一般采用的是RS-232标准接口，即使不是标准的串口，仍然可以采用相应的硬件将其转化为标准串口，因此必须进行串口通信设计。 RS-232是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的，在异步串行通信中应用最为广泛的标准总线，它包括了位串行传输的电气和机械方面的规定，适合于短距离(不大于15m)和带调制解调器的通信电路。传输速度最大为25kbs。 目前我国应用最为广泛的串行通讯标准接口主要有以下两类: ①RS-232C(RS-232A, RS-232B)； ②RS-422、RS-423和RS-485等； 考虑到毫米波雷达是RS-232接口，且其与控制单元的距离小于15m，所以RS-232C完全满足设计的要求。 RS-232是标准串行通讯接口，它共用25根引线，对于一般的双向通信，只需要使用串行输入RXD(第3脚)、串行输出TXD(第2脚)和地线(第5脚)。其逻辑电平的规定见表4-1所示。 表4-1 RS-232C的逻辑电平
4.3.5转向角度传感器 按照系统设计，当车辆处于弯道行驶或超车状态时，应当实施报警抑制，这时就需要使用转向角度传感器(Steering-Angle Sensors，简称SAS ) 。按照测量原理，SAS可以分为光学式、电磁式、电感式、电容式和电阻式等。其中光学式传感器应用最为广泛，寿命长、设计简单、用途广、精确度高，但受污染影响大;电磁式传感器为非接触，无磨损，受污染影响小，但对外界干扰敏感;电感式传感器受电、磁场干扰比较大，在做相应补偿后可用于车载环境，近年来用量增加， 可用于汽车阻风门、加速踏板等位置的角度测量，测量范围10°～360°，精度可达0.3°。 系统目前选用转向传感器是一个行程开关，如图4-20所示: 图4-20转向传感器连接示意图 如果实验车辆装备ABS/ARS系统，则可通过车辆运动状态识别模块用来区分直线行驶还是弯道行驶，左右后轮的速度差包含了转向信息。在车辆直线行驶工况下，左右后轮的轮速差应当不超过一定限度。计算两个后轮转速差Δw (rad/s )，并设定判断参数λ，λ的确定应考虑到使用过程中左、右后轮轮胎胎压变化和轮胎磨损程度的不同。当Δw＞λ时判断车辆为转向行驶，否则为直线行驶。 4.3.6制动踏板传感器 制动动作传感器用来判断驾驶员在接受到紧急报警或者已认识到危险时，是否采取了制动措施降低车速。如已制动，则对报警进行抑制。制动传感器直接从车辆制动指示灯回路中提取电位信号，处理后，作为车辆制动信息的标志信号送入控制单元，电路示意如图4-21所示: 图4-21制动踏板传感器连接示意图 4.3.7油门传感器 油门传感器用来检测在报警中，驾驶员是否及时松开了油门，以此来决定是否抑制报警。油门踏板松开后，踏板上压力消失，便可以得到一个开关信号，如图4-22所示。 | ||||||
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