CN110712607B - 一种车用加速度和角速度测量系统 - Google Patents

一种车用加速度和角速度测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于车用传感器技术领域，公开了一种车用加速度和角速度测量系统。所述测量系统包括上位机和下位机，所述上位机包括微控制器集成开发环境IDE、串口助手和CAN分析仪；所述下位机包括电源供电电路、加速度传感器、角速度传感器、微控制器MCU和LED电路；所述微控制器MCU上设置有UART端口、第一PORT端口、第二PORT端口、CAN通信电路和IIC/SPI端口；所述电源供电电路包括电源保护电路和电压转换电路；所述的电源保护电路包括欠压保护复位电路和电源反接过压保护电路。本发明中，下位机具有应对多种复杂多变环境的电路，而且下位机具有不同方式与上位机交互，用户能够和测量系统实现丰富的信息交互。

Description

一种车用加速度和角速度测量系统
技术领域
本发明涉及车用传感器技术领域，尤其涉及一种车用加速度和角速度测量系统。
背景技术
加速度和角速度是感知汽车运行状态的重要物理量，在汽车的自动变速控制、电子稳定性控制、电子导航、坡起助力等电子控制系统中，加速度和角速度作为控制系统中的重要参量广为采用，同时，在汽车的操纵性和平顺性评价实验中，精确采集加速度和角速度是评价汽车品质的关键步骤。因此，对加速度和角速度的精确测量，无论是在汽车实验评价还是汽车电子控制中，都显得格外重要。
当前技术针对加速度和角速度测量中，主要是利用加速度传感、角速度传感器、微控制处理器、变压芯片及其一些外围电路，通过CAN通信或者模拟量电压输出测量信号。根据现有的测量系统，对电源供电时接入传感器的反接、过压情况考虑的比较多，但是对电源欠压的情况却几乎没有考虑，然而随着车用电子电力器件的增多，车载电源经常出现电压不稳定，小幅波动的情况，而这对于传感器测量系统中微控制器的一般阻容复位电路来讲，很容易导致微控制器在经历了电压波动后重新开始运行，而复位电路无法正常复位微控制器，进而导致复位失败，整个测量系统出现一些不可预知的错误，这比电源的过压和反接导致的问题更为严重。而且汽车处于复杂多变的环境，与外界进行信息交互的CAN通信接口缺少安全保护处理，没有高压误接入的保护电路，宏观上看测量加速度和角速度的硬件系统适应度差；现有测量加速度和角速度的硬件系统开放接口少，一般只给用户预留了CAN通信接口，用户不能灵活的与微控制器进行信息交互，进而不能有效的了解微控制器内部运行情况，从而难以对出现的问题进行排查。
综上所述，现有车用加速度和角速度测量系统，用户与微控制器交互的接口偏少，同时对CAN通信保护电路和电源欠压的保护电路欠缺，因此，有必要提供一种更加安全便利的加速度和角速度测量系统来弥补现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车用加速度和角速度测量系统，以解决现有技术中加速度和角速度测量系统开放给用户交互接口偏少的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种车用加速度和角速度测量系统，包括上位机和下位机，所述上位机和下位机之间通过USB接口通信；所述上位机包括微控制器集成开发环境IDE、串口助手和CAN分析仪；
所述下位机包括电源供电电路、加速度传感器、角速度传感器、微控制器MCU和LED电路；所述微控制器MCU上设置有UART端口、第一PORT端口、第二PORT端口、CAN通信电路和IIC/SPI端口；所述UART端口配合USB转串口电路，与所述上位机的所述串口助手通信；所述第一PORT端口与所述LED电路连接；所述第二PORT端口连接Jlink接口电路，所述Jlink接口电路与所述集成开发环境IDE连接并通信；所述CAN通信电路的一端连接到整车CAN总线，另一端通过USB转CAN接口电路，与所述上位机的所述CAN分析仪连接和通信；所述IIC/SPI端口连接所述角速度传感器和加速度传感器并进行信息交互；
所述电源供电电路为所述微控制器MCU、LED电路、加速度传感器和角速度传感器供电；所述的电源供电电路包括电源保护电路和电压转换电路；所述的电源保护电路包括欠压保护复位电路和电源反接过压保护电路，所述的电压转换电路包括5V电压转换电路和3.3V电压转换电路。
作为优选，所述微控制器MCU采用的芯片型号为STM32F103C8T6；所述的角速度传感器采用的芯片型号为SCR2100-D08；所述的加速度传感器采用的芯片型号为SCA3300-D01。
作为优选，所述欠压保护复位电路包括复位芯片DS1811、电阻R0和电阻R0′，所述复位芯片DS1811是一款三脚电压监视器，其中，脚1连接VCC电源，脚2接地，脚3连接串联的电阻R0和电阻R0′后接地，所述微控制器MCU的复位接口
Figure BDA0002252474330000031
接入所述电阻R0和电阻R0′之间，并且所述电阻R0′连接在所述复位接口
Figure BDA0002252474330000032
和地之间；所述电源反接过压保护电路包括单向二极管D3、稳压二极管D4、滤波电容C4和滤波电容C5，车载电源的输入电压Vbatt的正极连接所述单向二极管D3，所述单向二极管D3输出端连接所述滤波电容C4一端并接地，输入电压Vbatt的负极连接所述滤波电容C4的另一端，同时所述单向二极管D3的输出端连接所述稳压二极管D4的输出端，所述稳压二极管D4的输入端接地，所述滤波电容C5的一端连接所述稳压二极管D4的输出端，另一端接地；输出电压V1即为VCC电源电压，提供给5V电压转换电路。
作为优选，所述电阻R0的阻值为1KΩ，所述电阻R0′的阻值为1.5KΩ。
作为优选，所述的电源供电电路采用芯片TLE6365G把输入电压转换为5V，采用芯片AMS1117-3.3把5V转换为3.3V。
作为优选，所述CAN通信电路包括CAN收发电路、共模干扰抑制电路、高压误接保护电路，其中，所述CAN收发电路采用CAN收发器U1，输入端的RX引脚和TX引脚分别连接CAN总线的RX端口和TX端口，所述CAN收发器U1的CANH引脚和CANL引脚作为输出端口，连接共模干扰抑制电路U2的输入，所述共模干扰抑制电路U2的两个输出端分别连接R1和R2两个零欧姆电阻，然后接入所述高压误接保护电路；所述的高压误接保护电路中，电阻R1与电阻R4连接，电阻R2与电阻R3连接，所述电阻R3与所述电阻R4并联连接后接入电容C1，所述电容C1分别与电容C2、电容C3连接，所述电容C3与所述电阻R1连接，同时所述电容C3与二极管D1正极连接，所述电容C2与二极管D2的正极连接，所述二极管D1和二极管D2的负极连接后共同接地，所述电容C1、电容C2和电容C3都接地；所述电阻R1的输出端即为CAN总线上的CANH，连接到整车CAN总线的CANH或者CAN分析仪的CANH，所述电阻R2的输出端即为CAN总线上的CANL，连接到整车CAN总线的CANL或者CAN分析仪的CANL。
作为优选，所述CAN收发器U1芯片型号为TLE6250G，所述共模干扰抑制电路U2芯片型号为ZJYS81。
作为优选，所述电阻R3和电阻R4为60欧姆的电阻，所述电容C1、电容C2和电容C3为三个47pF的滤波电容，所述二极管D1和二极管D2为两个瞬态抑制二极管TVS，其型号为NUP2105L。
作为优选，所述集成开发环境IDE通过USB接口与所述Jlink接口电路连接，对所述微控制器MCU进行程序刷写和调试；所述串口助手通过USB接口与所述USB转串口电路连接，实现所述串口助手与所述下位机的串口通信；所述CAN分析仪通过USB接口与所述USB转CAN电路连接，实现所述CAN分析仪与所述CAN通信电路的连接通信。
本发明的有益效果是：
(1)本发明面对复杂多变的车辆运行环境，采用保护电路提高安全性能，包括对车载电源欠压、过压、反接的情况保护，CAN通信电路对高压的误接入的保护。
(2)本发明的测量系统与用户有着丰富的信息交互方式，包括LED灯、串口通信、Jlink调试和CAN通信。
附图说明
图1为本发明所述的车用加速度和角速度测量系统整体结构原理图；
图2为本发明实施例中电源供电电路由于电压瞬变和电压过低产生的电压波动示例；
图3为现有技术中普遍采用的一般的阻容复位电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的欠压保护复位电路结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的CAN通信电路结构示意图；
图6为本发明实施例中过压保护电路和反接保护电路结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明提供一种车用加速度和角速度测量系统，通过有效的保护电路和丰富的用户接口进行多重保护，即使车本身处于复杂多变的环境下，测量系统也能够应对车载电源欠压、过压、反接的情况。采用集成芯片和零欧姆电阻抑制共模干扰，采用瞬态抑制二极管对高压误接入进行保护，确保CAN通信安全可靠的进行，同时用户能够和测量系统实现丰富的信息交互。
如图1所示，本发明提供的所述车用加速度和角速度测量系统包括上位机和下位机，所述上位机包括微控制器集成开发环境IDE(Integrated Development Environment)、串口助手和CAN(控制器局域网络，Controller Area Network)分析仪，所述的上位机通过USB接口与下位机连接通信。所述的集成开发环境IDE通过USB接口与Jlink接口电路连接，对微控制器MCU进行程序刷写和调试；所述的串口助手通过USB接口与USB转串口电路连接，实现串口助手与下位机的串口通信；所述的CAN分析仪通过USB接口与USB转CAN电路连接，实现CAN分析仪与下位机的CAN通信电路的连接通信。
所述下位机包括电源供电电路、加速度传感器、角速度传感器、微控制器MCU和LED电路；所述上位机和下位机之间通过USB接口通信。
所述微控制器MCU采用的芯片型号为STM32F103C8T6，所述微控制器MCU上设置有UART端口、第一PORT端口、第二PORT端口、CAN通信电路和SPI端口。
所述UART端口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器)为微控制器MCU(Micro Controller Unit)的串口功能，配合USB转串口电路，与上位机的串口助手通信，为用户提供串口信息的输出。微控制器MCU的第一PORT端口与外部LED电路连接，通过外部LED电路来标明微控制器内部的运行情况，实现与用户间的交互。微控制器MCU的第二PORT端口连接Jlink接口电路，Jlink接口电路与集成开发环境IDE连接并通信。所述的Jlink接口电路为微控制器MCU刷写程序并作为用户交互信息的方式。微控制器MCU的CAN通信电路，一端连接到整车CAN总线，另一端通过USB转CAN接口电路，与上位机的CAN分析仪连接和通信，给用户提供加速度和角速度信息。微控制器MCU的SPI端口与角速度传感器和加速度传感器连接并进行信息交互。所述的角速度传感器和加速度传感器还可以通过IIC与微控制器MCU连接和通信。所述电源供电电路为微控制器MCU、LED电路、加速度传感器和角速度传感器供电。
所述的角速度传感器采用的芯片型号为SCR2100-D08；所述的加速度传感器采用的芯片型号为SCA3300-D01，二者共用的芯片型号为MPU6050。本发明的测量系统为用户提供了丰富的信息交互手段，所述的加速度传感器和角速度传感器与用户交互信息的方式包括LED灯、串口通信、Jlink调试和CAN通信。
所述的电源供电电路包括电源保护电路和电压转换电路；所述的电源保护电路包括欠压保护复位电路和电源反接过压保护电路。所述的电压转换电路包括5V电压转换电路和3.3V电压转换电路；所述的欠压保护复位电路与微控制器MCU相连接。所述的电源供电电路提供5V和3.3V电压，输入电压范围为5～35V，采用芯片TLE6365G把输入电压转换为5V，采用芯片AMS1117-3.3把5V转换为3.3V。
如图2所示为电源供电电路由于电压瞬变和电压过低产生的电压波动曲线，图2中横轴为时间轴，纵轴为电压，图2中曲线描述了电源供电电压两种不正常的情况，点划线为微控制器MCU正常工作的电压，在T1时间附近，出现“电压瞬变”，微控制器MCU将不工作，系统停止运行，当电源恢复时，系统将以正常的方式复位工作；在T2时刻附近，微控制器MCU在T2时刻前一段时间正常工作，但是由于一些车用电力电子附件的介入，导致输入给微控制器电路的电压逐渐减小，如果电源电压下降到最小工作电压以下时，微控制器将会停止工作；如果电压在小幅降低后又开始上升，如在T2时刻以后电压上升，微控制器MCU将会继续工作。图3所示为现有技术中通常采用的一种阻容复位电路，由于在电压降低后又开始上升到T2时刻过程中，阻容复位电路中的电容C0不会有太大压降，因此微控制器将不会复位，对于这种情况，将会出现无法预知的错误。
为了避免现有的阻容复位电路在欠压电路中的不安全性，本发明实施例提出了一种新的可靠的欠压保护复位电路，利用集成的复位芯片，代替原有的阻容复位电路，防止电源波动导致欠压的情况而引起复位失败。如图4，本发明提供的所述欠压保护复位电路包括复位芯片DS1811、电阻R0和电阻R0′，所述复位芯片DS1811是一款三脚电压监视器，其中，脚1连接VCC电源，脚2接地，脚3连接串联的电阻R0和电阻R0′后接地，微控制器MCU的复位接口
Figure BDA0002252474330000081
接入电阻R0和电阻R0′之间，并且电阻R0′连接在复位接口
Figure BDA0002252474330000082
和地之间。
图4中VCC电源为输入电压转换为5V电路后的输出电压，在正常供电情况下，图4中VCC电源为5V，然后通过5V转3.3V电路后提供给微控制器MCU，采用专用复位芯片为电路进行复位，本发明选用DS1811型号的专用复位芯片，同时考虑了复位芯片电压和微控制器MCU电压的关系，采用电阻R0和电阻R0′进行分压。进一步地，电阻R0的阻值为1KΩ，电阻R0′的阻值为1.5KΩ，如果供电电压出现图2中T2时刻附近的电压降低后上升的情况，在输入电压欠压时，复位芯片DS1811输出低电平，当电压恢复时，微控制器MCU被重新复位，开始正常运行。
如图5，微控制器MCU中CAN通信电路结构示意图，其中，A、B、C三个虚线框分别代表CAN收发电路、共模干扰抑制电路、高压误接保护电路。其中，CAN收发电路采用为CAN收发器U1，输入端的RX引脚和TX引脚分别连接CAN总线的RX端口和TX端口，U1的CANH引脚和CANL引脚作为输出端口，连接共模干扰抑制电路U2的输入，U2的两个输出端分别连接R1和R2两个零欧姆电阻，然后接入高压误接保护电路。
优选地，U1芯片型号为TLE6250G，U2芯片型号为ZJYS81。
如图5，所述的高压误接保护电路中，电阻R1与电阻R4连接，电阻R2与电阻R3连接，电阻R3与电阻R4并联连接后接入电容C1，电容C1分别与电容C2、电容C3连接，电容C3与电阻R1连接，同时电容C3与二极管D1正极连接，电容C2与二极管D2的正极连接，二极管D1和二极管D2的负极连接后共同接地，电容C1、电容C2和电容C3都接地。优选地，电阻R3和电阻R4为60欧姆的电阻，电容C1、电容C2和电容C3为三个47pF的滤波电容，二极管D1和二极管D2为两个瞬态抑制二极管TVS，其型号为NUP2105L。电阻R1的输出端即为CAN总线上的CANH，连接到整车CAN总线的CANH或者CAN分析仪的CANH，R2的输出端即为CAN总线上的CANL，连接到整车CAN总线的CANL或者CAN分析仪的CANL。
如图6，所述电源反接过压保护电路，利用单向二极管D3防止电源的反接，利用稳压二极管D4防止电源的过压，配合滤波电容C4和C5，为整个加速度传感器和角速度传感器提供安全可靠的输入电压；其中，Vbatt为车载电源的输入电压，正极连接D3，D3输出端连接C4一端并接地，负极连接C4的另一端，同时D3的输出端连接D4的输出端，D4的输入端接地，C5的一端连接D4的输出端，另一端接地。输出电压V1即为VCC电源电压，提供给5V电压转换电路。
所述的电源供电采用芯片TLE6365G把输入电压转换为5V，采用芯片AMS1117-3.3把5V转换为3.3V。所述的CAN通信电路采用5V电压进行供电；所述的微控制器MCU采用5V或者3.3V供电电压；所述的加速度传感器和角速度传感器采用5V或者3.3V供电电压。
本发明中所涉及的加速度传感器电路、角速度传感器电路、微控制器电路、USB转串口电路，按照加速度芯片、角速度芯片、微控制器芯片、USB转串口芯片各自芯片手册推荐的电路搭建。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，包括上位机和下位机，所述上位机和下位机之间通过USB接口通信；所述上位机包括微控制器集成开发环境IDE、串口助手和CAN分析仪；
所述下位机包括电源供电电路、加速度传感器、角速度传感器、微控制器MCU和LED电路；所述微控制器MCU上设置有UART端口、第一PORT端口、第二PORT端口、CAN通信电路和IIC/SPI端口；所述UART端口配合USB转串口电路，与所述上位机的所述串口助手通信；所述第一PORT端口与所述LED电路连接；所述第二PORT端口连接Jlink接口电路，所述Jlink接口电路与所述集成开发环境IDE连接并通信；所述CAN通信电路的一端连接到整车CAN总线，另一端通过USB转CAN接口电路，与所述上位机的所述CAN分析仪连接和通信；所述IIC/SPI端口连接所述角速度传感器和加速度传感器并进行信息交互；
所述电源供电电路为所述微控制器MCU、LED电路、加速度传感器和角速度传感器供电；所述的电源供电电路包括电源保护电路和电压转换电路；所述的电源保护电路包括欠压保护复位电路和电源反接过压保护电路，所述的电压转换电路包括5V电压转换电路和3.3V电压转换电路；
所述欠压保护复位电路包括复位芯片DS1811、电阻R0和电阻R0′，所述复位芯片DS1811是一款三脚电压监视器，其中，脚1连接VCC电源，脚2接地，脚3连接串联的电阻R0和电阻R0′后接地，所述微控制器MCU的复位接口
Figure FDA0002777838230000011
接入所述电阻R0和电阻R0′之间，并且所述电阻R0′连接在所述复位接口
Figure FDA0002777838230000012
和地之间；所述电源反接过压保护电路包括单向二极管D3、稳压二极管D4、滤波电容C4和滤波电容C5，车载电源的输入电压Vbatt的正极连接所述单向二极管D3，所述单向二极管D3输出端连接所述滤波电容C4一端并接地，输入电压Vbatt的负极连接所述滤波电容C4的另一端，同时所述单向二极管D3的输出端连接所述稳压二极管D4的输出端，所述稳压二极管D4的输入端接地，所述滤波电容C5的一端连接所述稳压二极管D4的输出端，另一端接地；输出电压V1即为VCC电源电压，提供给5V电压转换电路。
2.根据权利要求1所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述微控制器MCU采用的芯片型号为STM32F103C8T6；所述的角速度传感器采用的芯片型号为SCR2100-D08；所述的加速度传感器采用的芯片型号为SCA3300-D01。
3.根据权利要求1所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述电阻R0的阻值为1KΩ，所述电阻R0′的阻值为1.5KΩ。
4.根据权利要求1所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述的电源供电电路采用芯片TLE6365G把输入电压转换为5V，采用芯片AMS1117-3.3把5V转换为3.3V。
5.根据权利要求1所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述CAN通信电路包括CAN收发电路、共模干扰抑制电路、高压误接保护电路，其中，所述CAN收发电路采用CAN收发器U1，输入端的RX引脚和TX引脚分别连接CAN总线的RX端口和TX端口，所述CAN收发器U1的CANH引脚和CANL引脚作为输出端口，连接共模干扰抑制电路U2的输入，所述共模干扰抑制电路U2的两个输出端分别连接R1和R2两个零欧姆电阻，然后接入所述高压误接保护电路；所述的高压误接保护电路中，电阻R1与电阻R4连接，电阻R2与电阻R3连接，所述电阻R3与所述电阻R4并联连接后接入电容C1，所述电容C1分别与电容C2、电容C3连接，所述电容C3与所述电阻R1连接，同时所述电容C3与二极管D1正极连接，所述电容C2与二极管D2的正极连接，所述二极管D1和二极管D2的负极连接后共同接地，所述电容C1、电容C2和电容C3都接地；所述电阻R1的输出端即为CAN总线上的CANH，连接到整车CAN总线的CANH或者CAN分析仪的CANH，所述电阻R2的输出端即为CAN总线上的CANL，连接到整车CAN总线的CANL或者CAN分析仪的CANL。
6.根据权利要求5所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述CAN收发器U1芯片型号为TLE6250G，所述共模干扰抑制电路U2芯片型号为ZJYS81。
7.根据权利要求5所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述电阻R3和电阻R4为60欧姆的电阻，所述电容C1、电容C2和电容C3为三个47pF的滤波电容，所述二极管D1和二极管D2为两个瞬态抑制二极管TVS，其型号为NUP2105L。
8.根据权利要求1所述的车用加速度和角速度测量系统，其特征在于，所述集成开发环境IDE通过USB接口与所述Jlink接口电路连接，对所述微控制器MCU进行程序刷写和调试；所述串口助手通过USB接口与所述USB转串口电路连接，实现所述串口助手与所述下位机的串口通信；所述CAN分析仪通过USB接口与所述USB转CAN电路连接，实现所述CAN分析仪与所述CAN通信电路的连接通信。
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