【正文】 = － tLUo +ILP 式中，初始值 I。線性下降到最小值I。后，控制脈沖又使 BG導(dǎo)通，上述過(guò)程重復(fù)發(fā)生。時(shí)間以后，加于 BG基極的控制脈沖為與反向偏壓，使 BG截止， L中的電流減小， L兩端產(chǎn)生出一個(gè)左負(fù)右正的自感電勢(shì)，使 D導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感 L便把原先儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)換成電能通過(guò)續(xù)流二極管 D供給負(fù)載 RL， 當(dāng)負(fù)載電壓低于 Co兩端的電 壓時(shí)， Co便向負(fù)載放電。而續(xù)流二極管 D因反向偏置而截止。在 C。供電，同時(shí)向 c?？刂疲溆嘘P(guān)的電壓和電流的波形如圖 (a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)所示。三極管 BG的基射極之間加的是由控制電路送來(lái)的周期為 T的脈沖信號(hào) u。和其控制電路組成，如圖 。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 19 圖 直流 變換器穩(wěn)壓方式框圖 2． 降壓式直流變換器的工作原理 降壓式直流變換器是由起開(kāi)關(guān)作用的功率三極管 BG、儲(chǔ)能電感 L、續(xù)流二極管 D、濾波電容 C。這兩種電路總的功率損耗包含了變換器和穩(wěn)壓器兩級(jí)的損耗，降低了效率。在負(fù)載對(duì)直流電源的穩(wěn)定度要求不高，而且負(fù)載電流變化不大的場(chǎng)合，直流變換器的輸出可以直接向負(fù)載供電，而不必再采取穩(wěn)壓措施。按功率管的激勵(lì)方式分，有自激式和他激式直流變換器。按電路結(jié)構(gòu)形式分，有降壓式直流變換器、反相式直流變換器、升降式直流變換器、 C’ uk直流變換器、單端直流變換器和雙端直流變換器。 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 18 直流變換器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理 1． 直流變換器的電路結(jié)構(gòu) 變換器通常是指一種直 流電壓變換設(shè)備，其中可以把直流電壓轉(zhuǎn)換成各種不同直流電壓的設(shè)備稱(chēng)為直流一直流變換器 (通常簡(jiǎn)稱(chēng)為直流變換器 )，能把直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓的設(shè)備則稱(chēng)為直流 交流變換器，又稱(chēng)為逆變器。經(jīng)過(guò) CD4021將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)再經(jīng)過(guò)光電隔離后送入單片機(jī)的 RB1口。 BR— Y為報(bào)站信號(hào)，經(jīng)三極管 N Pl后，送入并串轉(zhuǎn)換芯片 CD4021。系統(tǒng)采用兩路門(mén)控信號(hào)并接到一起，無(wú)論哪一個(gè)門(mén)打開(kāi)，整體輸出都為高電平。由圖可知，所有的開(kāi) 關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電阻排 RR RR3和電阻 R10 R10 R10 R10 R10 R106分壓、限流之后送入處理電路。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 并串轉(zhuǎn)換芯片 CD4021 CD4021引腳配置 和 引腳說(shuō)明如圖 ，表 CD402l引腳功能表。開(kāi)關(guān)信號(hào) 僅有兩個(gè)狀態(tài)，為 1或 0。由圖可知，速度信號(hào)經(jīng)處理后，又經(jīng)光耦進(jìn)行光電隔離后送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器輸入端口 P25(TOCK口 )，由單片機(jī)定時(shí)讀取計(jì)數(shù)器值，通過(guò)計(jì)算得到汽車(chē)行駛速度。 圖 速度傳感器的電路原理圖 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 14 速度信號(hào)接口電路 為增強(qiáng)速度信號(hào)的抗干擾性，進(jìn)一步提高測(cè)量速度信號(hào)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用了如圖 49所示的為速度信號(hào)接口電路，整個(gè)電路包括射極跟隨 器、遲滯比較、光電隔離三部分。為增強(qiáng)霍爾集成式傳感器輸出級(jí)的帶負(fù)載能力及保護(hù)傳感器，電路中增加小功率管 Q1。其原理圖如圖 所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 。當(dāng)磁屏蔽葉輪的一個(gè)葉片轉(zhuǎn)到磁鐵和霍爾集成式傳感器之間的空隙時(shí)，磁場(chǎng)就中斷了；當(dāng)磁屏蔽葉輪的一個(gè)窗口轉(zhuǎn)到磁鐵和霍爾集成式傳感器之間的空隙時(shí)，允許磁場(chǎng)通過(guò)，并不受阻礙的傳 到霍爾集成式傳感器上。 圖 環(huán)境溫度對(duì)工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的影響 UGS 一 3040T 的輸出特性曲線如圖 所示。 UGS一 3040T的特性 ? 電源電壓 4． 5V～ 24V： ? 工作溫度范圍 4 0℃～ 125 ℃： ? 閾值 (工作點(diǎn) )磁通典型值 150 G； ? 釋放點(diǎn)磁通典型值 100G： ? 最大輸出電流 25mA。霍爾傳感器是本系統(tǒng)的重要組成部分，在選擇霍爾傳感器時(shí)，一定要選擇工作溫度范圍寬，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 12 定性好的霍爾集成式傳感器。它的輸出特性如圖 示。我們稱(chēng) Bop為工作點(diǎn)， BRP為釋放點(diǎn)， BopBRP=BH稱(chēng)為回差。若外加磁場(chǎng)的 B值降低到 BRP。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 圖 在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通 閾 值 Bop時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。 圖 霍爾開(kāi)關(guān)集成電路原理線路 如圖 。霍爾開(kāi)關(guān)正常工作時(shí)，常態(tài)應(yīng)處“截止?fàn)顟B(tài)”，而不宜處于“導(dǎo)通狀態(tài)”，這樣可以延長(zhǎng)使用壽命。 V5將整形后的脈沖倒相放大后加至射極跟隨器 V6， V6將輸出級(jí)和放大管 v5隔離，以免帶負(fù)載時(shí)影響霍爾開(kāi)關(guān)集成電路性能， V V7構(gòu)成雙管集電極輸出，可同時(shí)輸出兩個(gè)功能相同、電平一致的信號(hào)，增加了使用上的方便。圖中 H為霍爾元件， V V2及相應(yīng)電阻構(gòu)成差分放大器，將霍爾電壓放大幾十倍，并消除溫度 漂移影響，增強(qiáng)抗干擾能力。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器又稱(chēng)霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。集成霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器。由于磁電河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 10 式傳感器以上的優(yōu)點(diǎn)，我們選用霍爾集成傳感器 (磁電式傳感器的一種 )構(gòu)成速度傳感器。 光電法測(cè)速優(yōu)點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易用；但是，其抗外界光線干擾能力差，而且易受外界灰塵污染，使得測(cè)量的準(zhǔn)確性大幅度降低。設(shè)車(chē)輪系數(shù) (車(chē)輪半徑 )為 R，傳感器半徑為 r，則車(chē)輪旋轉(zhuǎn)一周速度傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)為 n，計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)的公式： n=3R／ r (3． 1) 設(shè)采樣率為 0． 25秒，則 O． 25秒計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù) (頻率 )為 f， 車(chē)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為 N： N=f／ n 在 0． 2 5秒鐘內(nèi)汽車(chē)行駛的距離為 L： L=2 π RN (3． 2) 在 1秒鐘內(nèi)汽車(chē)行駛的距離為 L1： L1= 4L 在 1小時(shí)內(nèi)汽車(chē)行駛的距離 (速度 )為 V： V=3600 L1 由于汽車(chē)的車(chē)輪直徑不同，由上面的公式計(jì)算出的速度可能與車(chē)行的實(shí)際速度相差很多，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)速度校正系數(shù) M，使測(cè)得的 速度值盡量與實(shí)際速度值接近?；魻栐哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它的結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便、功耗小、頻率高 (可達(dá) 1MHz)、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或接口電路 PIC 單片機(jī) 速度接口電路 電池 時(shí)基電路 電源變換電路 光電隔離 通訊 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) 供給 車(chē)載電源 速度信號(hào) 開(kāi)關(guān)信號(hào) 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 腐蝕等。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。 圖 汽車(chē)變速器輸出的速度信號(hào)是 模擬信號(hào)，為了便于處理、存儲(chǔ)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 4．將采集的信息實(shí)時(shí)地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中。 2．實(shí)時(shí)采集開(kāi)門(mén)次數(shù)。經(jīng)接口電路將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)供單片機(jī)識(shí)別，單片機(jī)通過(guò)串口將采集的信息傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)上，通過(guò)線束與相應(yīng)的信號(hào)相連接。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖 圖 系統(tǒng)的 總體 結(jié)構(gòu)圖如上圖 所示。 方案 2：采用由 DC— DC直流變換器組成的小型開(kāi)關(guān)電源，它 不但具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)而且具有效率高 (70％一 85 ％ )的優(yōu)點(diǎn)。 (8)內(nèi)置自振式 (RC 振蕩 )看門(mén)狗。 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 7 (6)同步并行口 I2C ／ SPI。 (4)八位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 TMR2，帶有八位周期寄存器及預(yù)分頻器和后分頻器。 (2)十六位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 TMR1， 睡眠中仍可計(jì)數(shù)。 基于以上特點(diǎn)我們選用 PICl6F73 單片機(jī)。 PIC 系列單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)采取了數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu)，具有很高的流水線處理速度；它的精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu) (RISC)使它所有的指令都是單字節(jié)，每條指令執(zhí)行最快可達(dá) 200ns，因此其程序空間的效率比一般單片機(jī)高很多，同時(shí)具有很高的軟件可靠性。 方案 3：微控制器選用 Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)，它是 是采用 RISC結(jié)構(gòu)的高性能嵌入式微控制器。系統(tǒng)不僅體積小、重量輕、功耗低而且整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也大大提高。但是其抗干擾能力低：系統(tǒng)時(shí)鐘為 12MHZ時(shí)， 機(jī)器周期為 lus，執(zhí)行指令速度 慢 ，很難實(shí)時(shí)處理采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。執(zhí)行指令速度要快，以便能高速處理采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 6 設(shè)計(jì) 方案 的 選擇 微控制 器的選擇 由于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等問(wèn)題，選用基于微控制器的系統(tǒng)，電路的實(shí)現(xiàn)不僅簡(jiǎn)單而且成本低、功耗低、 還 能大大縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積。 (3)開(kāi)關(guān)量記錄曲線圖 內(nèi)容及記錄格式應(yīng)符合前述對(duì)開(kāi)關(guān)量記錄的要求，其橫坐標(biāo)為實(shí)時(shí)時(shí)間及 日期，縱坐標(biāo)為與實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。 3．在采集原始數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分析軟件應(yīng)能生成至少如下圖表： (1)事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線圖 內(nèi)容及記錄格式應(yīng)符合前述對(duì)事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)的要求，曲線圖的橫坐標(biāo)為實(shí) 時(shí)時(shí)間及日期，縱坐標(biāo)為與實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車(chē)輛行駛速度值和制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)， 曲線圖上同時(shí)還應(yīng)包含車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)牌分類(lèi)、駕駛證號(hào)碼等內(nèi)容。綜合以后，對(duì)數(shù)據(jù)分析軟 件的具體性能要求如下： 1．?dāng)?shù)據(jù)分析軟件應(yīng)全部使用中文界面，并具有一定兼容性，能在通用的中 文操作系統(tǒng)中安裝使用。 數(shù)據(jù)分析軟件性能要求 國(guó)標(biāo)對(duì)記錄儀上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件作了明確的規(guī)定。 試驗(yàn)后記錄儀的數(shù)據(jù)記錄、顯示、打印輸出、數(shù)據(jù)通信等各項(xiàng)功能均應(yīng)正常。試驗(yàn)后記錄 儀的數(shù)據(jù)記錄、顯示、打印輸出、數(shù)據(jù)通信等各項(xiàng)功能均應(yīng)正常。 36 36 27～ 48 42177。 表 (單位：伏特 ) 標(biāo)稱(chēng)電源電壓 電源電壓波動(dòng)范圍 極性反接試驗(yàn)壓 過(guò)電壓 12 9～ 16 14177。 電氣性能 要求 國(guó)標(biāo)規(guī)定，記錄儀的主電源應(yīng)為車(chē)輛電源。 3．整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的密封性。 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 4 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 的設(shè)計(jì)原則 1．汽車(chē)行駛記錄儀作為安裝在汽車(chē)上的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到能適應(yīng)不同車(chē)種的需要，應(yīng)具有功能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，價(jià)格低廉、低功耗等特點(diǎn)。 小結(jié)： 汽車(chē)行駛記錄儀 能完整、準(zhǔn)確地記錄汽車(chē)行駛狀態(tài)下的有關(guān)情況，能將汽車(chē)行駛軌跡完整記錄，并通過(guò)專(zhuān)用軟件在電腦上再現(xiàn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的基本目標(biāo)有： (1)采用功能強(qiáng)勁、適用性強(qiáng)、搞干擾好的主控制芯片，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力 、實(shí)時(shí)性及擴(kuò)展性； (2)深入了解汽車(chē)行駛參數(shù)、原理及其采集方法，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路，采集汽車(chē)行駛數(shù)據(jù)： (3)選擇合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，搭建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、長(zhǎng)期性； (4)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的接口電路，主要包括串口通信電路和 USB電路，在時(shí)間、能力允許的范圍內(nèi)可以設(shè)計(jì)網(wǎng)線接口。數(shù)據(jù)分析軟件具有原始數(shù)據(jù)讀取、查詢、統(tǒng)計(jì)、圖表生成、參數(shù)設(shè)置、操作權(quán)限管理等功能。 車(chē)速傳感器 主要 實(shí)現(xiàn)車(chē)輛速度信號(hào)采集的功能。如果主機(jī)本體上不包含顯示器、打印機(jī)，則應(yīng)留有相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示和打印輸出接口。 汽車(chē)行駛記錄儀的 結(jié)構(gòu) 記錄儀主要由主機(jī)、車(chē)速傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件三部分組成。 數(shù)據(jù)通信：?jiǎn)纹瑱C(jī)與 PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。記錄儀以 l min 的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并存儲(chǔ)車(chē)輛在最近 720h 內(nèi)的行駛速度數(shù)據(jù)，其中車(chē)速是以 l min 的間隔記錄實(shí)時(shí)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的每分鐘間隔內(nèi)的平均行 駛速度值；對(duì)車(chē)速的記錄誤差不大于177。記錄汽車(chē)每次的剎車(chē)時(shí)間及剎車(chē)時(shí)的車(chē)速。 車(chē)輛行駛狀態(tài)、速度的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)：記錄 儀以 0． 2s的時(shí)間間隔持續(xù) 記錄并存儲(chǔ)停車(chē)前 20s 實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車(chē)輛行駛速度。 汽車(chē)行駛記錄儀的 基本情況 汽車(chē)行駛記錄儀的功能 l、實(shí)時(shí)時(shí)鐘：記錄儀提供北京時(shí)間的日期和時(shí)鐘，該日期和時(shí)鐘被用于為記錄 儀實(shí)現(xiàn)所有功能 (記錄、輸出、數(shù)據(jù)通信等 )標(biāo)注日期和時(shí)間；記錄儀可對(duì)連續(xù)駕駛時(shí)間進(jìn)行記錄；連續(xù)時(shí)間 24h 的誤差177。也使 汽車(chē)行河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 2 駛記錄儀 的功能和質(zhì)量不斷完善和提高，有了不斷創(chuàng)新和進(jìn)步的發(fā)展趨勢(shì)。 汽車(chē)行駛記錄儀的發(fā)展前景 現(xiàn)在，我國(guó) 正在積極推進(jìn)汽車(chē)行駛記錄儀安裝使用和監(jiān)管工作，上海、廣州、深圳、西安、哈爾濱等地還將 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)與汽車(chē)行駛記錄儀組合使用，在網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大支持