采用ARM控制器的制动性能测试仪设计

　　摘要：制动性能测试仪是一种以测量机车充分发出的平均减速度来检验机车制动性能，同时具有其它辅助项目的综合性测试仪器。新一代制动性能测试仪的硬件采用ARM控制器，SD存储卡，USB通信接口以及触摸式人机界面，软件采用基于μC/OS-II的面向任务的设计方法。实际测试表明，新仪表的性能指标达到设计要求。本文系统地介绍了该仪器的测量原理、硬件设计和软件设计。

　　引言

　　《机动车行车安全技术条件》^[1]GB7258-2012中规定了行车制动性能检验的若干种方法，其中包括用制动距离检验行车制动性能、用充分发出的平均减速度检验行车制动性能等，制动性能测试仪正是根据这些测试要求开发出来的一种仪器。除了上述制动性能测试功能外，仪表同时还具有测量加速性能、踏板力、路面坡度以及车速表校验等功能。

　　此次研发的新一代制动性能测试仪采用ARM单片机作为主控制器，SD卡作为存储媒介，人机界面采用触摸式液晶屏，增加了与GPS模块和电脑通信的USB接口，软件使用了基于μC/OS-II的面向任务的设计方法。新的硬件及软件的应用使仪表性能在原有基础上得到了大幅提升。

　　测量原理

　　由基本物理量的关系可知，对加速度进行积分计算可以得到速度：

　　对速度进行积分计算可以得到距离：

　　有了速度和距离，根据《机动车行车安全技术条件》^[1]GB7258-2012中关于MFDD的定义就可计算得到机车充分发出的平均减速度：

　　式中：MFDD——充分发出的平均减速度，单位为米每平方秒(m/s²);

　　由上分析可知测量MFDD的关键是测量加速度。测量原理如图1所示，首先由加速度传感器把加速度转换为电信号，然后经过放大电路放大输入A/D转换器，A/D转换器把模拟量转换为数字量，再由单片机对采集的数据进行积分计算得到速度、距离和MFDD。

　　加速度传感器采用的是硅微电容式固态加速度传感器。其内部有一个对加速度敏感的质量块，这个质量块通过具有弹性的悬臂固定在敏感器壳体上，质量块的上方和下方分别设置一个电极板，它们与质量块相隔一个很窄的相等的间隙，这两个极板分别与质量块形成一个相等的电容，当壳体在沿着这个质量块的上下方向发生加速度时，惯性力使质量块产生位移，改变了间隙，因而电容量发生变化。这两个电容量的差值与加速度成正比，这就构成了电容式加速度传感器^[2]。其结构图如图2所示。

　　制动性能测试仪还可对踏板力进行测量，其原理与加速度测量基本相同，首先由力传感器把踏板力转换为电信号，然后经过放大电路放大输入A/D转换器，最后计算得到踏板力值。

　　踏板力测量使用的是轮辐式应变传感器，传感器以金属弹性体变形原理和电阻应变片的应变原理为基础，传感器结构如图3所示。电阻应变片被热固性树脂粘结剂牢固地粘贴在踏板力弹性体应变区表面，四片电阻应变片连接成惠斯登电桥线路，如图4所示。在外力作用下，电阻应变片随踏板力传感器弹性体变形而改变电阻值，其中R1、R3的电阻变化方向和R2、R4相反，这样就使应变电桥产生一个与外力成正比的电压输出信号^[2]。

　　硬件设计

　　新一代制动性能测试仪的硬件组成如图5所示：

　　测试仪的核心控制部件采用ST公司的32位的ARM芯片STM32F107VC，其工作频率达到72MHz，存储器包括256KB Flash存储器和64KB SRAM，外部设备包括2个12位ADC、4个通用16位定时器、2个I2C、3个SPI、2个I2S、5个USART、1个全速USB等^[3]。

　　测试仪采用SD存储卡存储测试数据。SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制。而SPI方式采用4线制。SD方式比SPI方式数据传输速度更快，但由于仪表存储数据是在测试完成后进行，对存储速度的要求不高，而且ARM控制芯片上有现成的SPI接口，使用SPI方式控制更为方便，所以我们采用SPI方式的总线。

　　测试仪的USB接口有两个应用，一个应用是与GPS模块通信，此时仪表的USB接口工作于主机模式，向GPS模块提供5V电源。另一个应用是与电脑通信，此时USB接口工作于设备模式，电脑会把SD存储卡识别为一个可移动磁盘，上位机程序可通过读取磁盘文件的方式访问存放在SD存储卡中的数据。

　　电脑获取仪表中的测试数据还可以通过无线的方式，即使用无线通信模块把数据上传到电脑，无线通信模块使用Zigbee无线通信协议，Zigbee工作在2.4GHz免费频段，具有设备功耗低，网络容量大，传输距离远(1~1000米)，数据安全性高等特点。无线通信模块与ARM控制芯片之间通过串口连接。

　　测试仪通过红外线接口控制微型热敏打印机打印测量数据。ARM控制芯片本身没有红外线驱动接口，所以需要外接红外编码/解码器芯片。红外编码/解码器芯片将串口数据信号按照一定的编码规则转换为驱动红外发光管的信号，对于编程者来说可看作直接通过串口控制打印机，而不需要了解编码转换的细节。

　　测试仪采用4.3吋，分辨率为272*480的触摸式液晶屏作为人机交互界面。界面内容、触摸设置等都被固化在触摸屏的Flash ROM中，不占用仪表主控制芯片的内存。ARM控制器对触摸屏的控制也是通过串口进行的。

　　软件设计

　　制动性能测试仪的软件设计基于μC/OS嵌入式操作系统，μC/OS是一个多任务的实时操作系统，它的工作原理是把程序分割为多个相对独立的任务，每个任务有自己的优先级，在操作系统的调度下运行。任务之间的通信通过信号量和消息邮箱方式实现^[4]。

　　根据仪表的功能，我们把程序划分为不同的任务，各任务间的关系如图6所示，其中人机界面任务负责根据用户指令启动其它各项任务。

　　现以制动性能测试任务为例介绍测量任务的实现以及与人机界面任务之间的交互通信。图7是制动性能测试任务的工作流程图，在测量前首先进行传感器校准，然后由踏板开关启动测量过程，开始采样加速度传感器数据，在测量过程中需要保证采样时间间隔的精确和稳定，为了达到这一要求，我们利用定时器中断来触发A/D转换。数据计算主要根据积分近似计算原理。测量结束后通过文件系统把测量数据和结论存储到SD卡上。制动性能测试任务与人机界面任务的交互过程采用消息邮箱方式，如图8所示，其中OS_Mbox_Brake1、OS_Mbox_Brake2是消息邮箱名称。制动性能测量任务在校准过程完成后设置OS_Mbox_Brake1的值为字符A。在系统中运行的人机界面任务不断地读取该邮箱，当邮箱收到字符A后该任务控制触摸屏显示“准备”，然后设置OS_Mbox_Brake2的值为字符B，以通知制动性能测量任务进入测试准备状态。两个任务之间就是通过这种方式实现同步的。

　　其它测量任务的实现与制动性能测试任务类似，在此不再赘述。实践表明，面向任务的软件设计方法非常适合团队式协同开发。

　　测试仪保存和读取测试数据是通过文件系统实现的。文件系统我们采用FatFs模块，FatFs是一个为小型嵌入式系统设计的通用FAT(File Allocation Table)文件系统模块，采用ANSI C编写，模块提供了创建目录、创建文件、写文件以及读取文件等函数，应用程序通过调用这些函数实现相应的功能。FatFs模块独立于硬件架构，它的底层为磁盘I/O驱动程序。

　　制动性能测试仪的车速表校验以及上传数据功能涉及对USB接口的编程。USB接口有两种工作模式：主机模式和设备模式。USB主机软件主要负责提供电源、检测设备、检查错误、管理数据以及与设备交换数据等工作。USB设备软件主要负责检测通信、检查错误、响应标准请求以及与主机交换数据等工作。USB规范定义了4种传输类型：控制传输、块传输、中断传输和同步传输^[5]。在我们的程序中主要用到控制传输和块传输。ST公司提供了USB开发软件包，其中包括各种USB应用的范例，程序开发者只需在例程基础上进行少量修改即可移植到自己的系统中。

　　人机界面任务的底层是对触摸屏的操作。仪表的触摸屏软件设计分为两部分，第一部分是使用上位机软件设计人机交互界面，其中包括为触摸区域分配上传代码，界面设计完成后需要把设计文件下载到触摸屏的Flash ROM中。第二部分是按照触摸屏的通信协议编写主控制器串口通信程序，在通信协议中定义了对触摸屏操作的各类命令格式，通过这些命令我们可以实现诸如文本显示、画面切换、按钮处理等各项功能。

　　结语

　　制动性能测试仪通过对加速度传感器和力传感器的测量得到机车的充分发出平均减速度、最大初速度、制动距离、踏板力等与汽车制动性能相关的指标。新一代制动性能测试仪的硬件在原有测试仪器的基础上采用了ARM控制器，大容量的SD存储卡，USB通信以及触摸式人机界面，软件采用了基于μC/OS-II操作系统的面向任务的设计方式。这些改进使得仪表在很多方面的性能得到提高，比如计算速度更快，可支持更多测试功能，兼容目前主流的通信接口，人机交互方面更加友好等。这些提高给用户带来了全新的测量体验。经过实际测试，新一代仪表的性能完全达到设计要求。

　　参考文献：
　　[1] GB7258-2012机动车运行安全技术条件 [S].中华人民共和国国家标准,2012
　　[2] 徐弢,高文翔,陈建国,黄海.制动性能测试仪在交通事故车辆鉴定中的应用[J].自动化仪
,2011,(11).72-75
　　[3] 范书瑞,李琦,赵燕飞.Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011
　　[4] 张勇,方勤,蔡鹏,许波.μC/OS-II原理与ARM应用程序设计[M].西安:西安电子科技大学出版
,2010
　　[5] 李英伟,王成儒,练秋生,胡正平.USB2.0原理与工程开发[M].第2版.北京:国防工业出版社.2007