汽车碰撞实验车载测试系统中数据采集板的设计

在汽车被动安全性研究中，碰撞实验是一项关键性的实验，而通过合适的测量技术取得整车或零部件和模型假人的实验数据才能保证实验的成功。汽车碰撞实验中的电测量技术主要有两大类:一类是拖长线测量方式;一类是车载数据采集。随着研究的深入和对测量技术要求的提高，对后一种测量方式的需求更加迫切。

　　汽车碰撞实验作为一项高速大冲击的实验，车载测试系统需要具备能承受大冲击、通道数多、大容量数据可靠存储及触发准确的特点。国外的碰撞实验车载测试系统已形成比较成熟的产品，但价格相当昂贵。而国内的测试设备也都是在各自领域研制，不适合在碰撞实验的恶劣环境条件下使用。

　　数据采集板是这种车载测试设备的核心，本文比较深入研究了一种用于该车载设备中的数据采集板。按照正面碰撞乘员保护的设计规则(CMVDR294)中对测试仪器的规定，将本车载测试系统中的数据采集板每个通道采样频率设计为10kHz，模拟信号转换为数字量采用12位的数字长度。考虑到信号后续分析处理的需要，在系统设计上使各通道信号采集完全同步。

1 数据采集板的设计原理

　　车载测试系统采用多块数据采集板并行工作的方式，由单独主模块负责触发判断。每个数据采集板作为整个测试系统中的一个独立子模块，使用单独的MCU完成采集板的控制工作。同类采集板中大多是用一块A/D芯片负责一路通道信号采集来满足同时性的要求，但这样使大数目通道扩展很困难，并且使整个系统很庞杂，降低了碰撞时的可靠性。在本板设计中每块数据采集板使用一块A/D芯片实现四个通道信号的同步采集。这样通过减少芯片数量使采集板的可靠性得到提高。采集板结构示意图如图1。

在测试系统工作时，数据采集板不断把传感器信号转换为数字量，循环存储在数据采集板的存储器中。当数据采集板接收到控制模块产生的碰撞结束信号时会产生中断，停止数据采集，等待与地面微机的通信。

2 硬件组成

2.1 MCU和地址空间

　　数据采集板的MCU采用MOTOROLA公司的高档8位单片机MC68HC-711E9[3]，这种单片机在汽车的复杂工况下有着广泛的应用，并且在某安全气袋控制器中也得到了实际应用，实践证明它的耐冲击性符合本数据采集板的要求。它在扩展模式下有8根数据线和16根地址线，可以寻址64KB的空间。这种MCU对数据存储器和程序存储器的寻址是统一的，都在这64KB空间内，通过设置相关寄存器重新安排单片机的RAM区和寄存器区，使在配置后的地址空间中＄0000～＄CFFF是连续的数据存储器区。

　　但是受单片机最大寻址64KB的限制，数据存储器的空间很小。由于每块数据采集板要存储四个通道模拟量的转换结果，数据存储器的容量必须有足够大才能保证存储较长时间的信号。为此使用了两片512KB的SRAM芯片628512作为外扩数据存储器。MCU只有16根地址线，所以采用分页扩展存储器技术，用4根PORT A的输出端口线，使每片628512形成8个64KB的页面。在每个页面上＄0000～＄CFFF可以用来存储数据。从而系统可用的数据存储空间是16×52=832KB，即每个通道的数据存储器容量是208KB。若采样速率以10kHz计算，而每个转换结果为12bit，最大占用2个字节空间，所以系统可以保存的每个通道数据时间是208÷(10×2)=10.4s，满足系统要求。

2.2 信号调理电路

　　汽车碰撞实验中采用EG&G公司的压阻式传感器，它内部集成了稳压装置，还具有温度补偿功能，自带放大，使传感器的输出范围变成了±2V。本信号调理电路首先对传感器的信号放大2倍，这样传感器的信号输出范围可与一般的A/D模拟端输入范围±5V相匹配，提高了系统的转换精度。此放大电路部分采用了AD公司的仪表放大用芯片AD620，并且硬件上使放大倍数可以在档位1、2、5、10间调节，这样在不同冲击强度的实验中都可使信号转换的分辨率较高。放大后的信号还被MAX291构成的程控滤波器滤波后送入A/D转换电路。按碰撞法规要求，滤波频率设定为2kHz。

2.3 A/D转换电路

　　A/D转换器是数据采集板的核心，此板设计中选择了MAXIM公司的12位高速A/D转换芯片MAX120[2]，它具有双极性±5V的电压输入范围，完成一次转换的时间为1.6微秒，内部具有采样保持电路和低漂移的电压基准，具有标准的微处理器(μP)接口。利用这种芯片组成的A/D转换电路如图2。

图2中的MAX308[2]是MAXIM公司的多路开关，它具有低导通电阻(小于100Ω)、低泄漏电流的特点，典型开关切换速度为85纳纱。

　　MAX120的输入阻抗为6kΩ，如果A/D芯片与多路开关直接连接，输入信号在多路开关上的分压将会引起的误差近似为这个误差超出了要求的精度范围，为此在A/D芯片前加上输入缓冲器。在此选用MAXIM公司的高速缓冲放大器MAX405[2]，它的输入阻抗为2.5MΩ，输出阻抗为0.01Ω，这样信号在多路开关上引起的压降误差只有缓冲器本身近于零内阻，保证了信号在传输到A/D芯片的输入端不会引起大的失真。实际设计中采用这一方式大大提高了系统的精度。