汽车运动状态信号采集系统的软硬件设计

摘要

汽车状态信息的测量和采集是汽车操纵稳定性研究和设计的基本问题，也是汽车电子控制及辅助驾驶系统实现的必要条件。汽车的运动状态信息的准确显示，可以为驾驶员迅速准确地操控车辆提供必要信息。
　　 本课题针对汽车运动状态的特点，结合MEMS惯性传感器、FPGA技术和USB技术，设计了汽车运动状态信号采集系统。在设计中采用了先进的微惯性传感器取代传统的惯性传感器，使得利用惯性传感器来测量车辆运动状态成为可能。系统采用FPGA+USB2.0的架构模式，既充分利用FPGA的在线可编程特性简化了电路设计，又有效的利用USB2.0的高速传输模式提高了数据获取效率，增强了系统的可靠性，并降低了整个系统的成本。论文从总体方案、硬件电路、软件程序、性能测试等几个方面详细地阐述本系统。
　　 首先介绍微惯性测量单元的组成、原理和设计方法，角速度陀螺和加速度传感器的原理、应用、性能指标以及外围电路的设计。
　　 然后从软硬件方面详细介绍本系统。硬件设计中，采用了现场可编程门阵列实现了硬件电路的软件化，简化了电路设计减小了电路体积，并且通过下载电缆实现了在线可编程便于今后的功能改进。完成硬件平台的搭建工作。并应用Protel2004 DXP设计系统的原理图及PCB图。软件方面完成两个方面设计，一是FPGA时序控制部分，以FPGA做为控制的核心，采用模块化的设计方法。该部分选择CycloneⅡ系列芯片EP2C8Q208C8作为主控制芯片，控制A/D转换，乒乓缓存及USB接口芯片CY7C68013A读写的时序。采用硬件描述语言VerilogHDL设计各功能模块。二是USB相关的软件设计，包括USB固件程序、USB设备驱动程序以及界面应用程序。固件程序在Keil uVision3环境下开发，负责处理PC机发来的各种USB请求，以完成主机和外围电路间的数据传输；设备驱动程序应用Driverstudio3.2开发，驱动程序的功能是使Win32应用程序能正确访问本数据采集系统的硬件设备；应用程序采用VC++6.0开发，主要负责处理系统硬件所传输的数据采集结果，实时显示波形，并完成数据的存储。
　　 最后开展了实车道路试验来验证本系统，结果表明系统工作稳定可靠，达到了技术指标要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题的提出及研究意义

1.2相关技术简介

1.2.1微电子机械系统

1.2.2 FPGA技术

1.2.3 USB接口技术

1.3数据采集系统的现状与发展趋势

1.4论文的主要内容

1.5本章小结

第二章微惯性测量单元的设计

2.1微惯性测量单元的设计

2.1.1传感器的布置

2.1.2六面体的设计

2.2角速度陀螺

2.2.1角速度陀螺的工作原理

2.2.2角速度陀螺的性能特点

2.2.3角速度陀螺的电路实现

2.3加速度传感器

2.3.1 ADXL203加速度传感器的性能特点

2.3.2 ADXL203工作原理

2.3.3 ADXL203参数设定

2.3.4 ADXL203的放置方向对输出电压的影响

2.3.5 ADXL203外围电路设计

2.4传感器的标定

2.4.1角速度陀螺仪的标定

2.4.2加速度传感器的标定

2.5本章小结

第三章系统硬件设计与实现

3.1 USB相关电路

3.1.1 USB接口芯片CY7C68013A介绍

3.1.2电源电路

3.1.3 USB接口电路

3.1.4 CY7C68013A电路设计

3.2 FPGA电路设计

3.2.1 FPGA特性

3.2.2 FPGA电源电路设计

3.2.3 FPGA的配置与编程

3.3 A/D电路设计

3.3.1 AD7685芯片简介

3.3.2AD7685芯片外围电路设计

3.4多路开关电路设计

3.5异步SRAM存储器接口电路

3.6电压变换电路

3.7 PCB板的设计与电路实现

3.8硬件设计时需考虑的问题

3.9抗干扰措施

3.10本章小结

第四章FPGA控制模块设计

4.1现场可编程逻辑器件FPGA概述

4.2 FPGA的开发设计

4.2.1基于Quartusll的FPGA设计

4.2.2硬件描述语言Verilog HDL

4.2.3自顶向下(Top-Down)设计思想

4.3系统总体方案

4.3.1系统的组成

4.3.2系统的主要功能

4.4 FPGA时序电路设计

4.4.1 FPGA主控模块

4.4.2 A/D控制模块

4.4.3 FIFO缓存模块

4.4.4 SRAM缓存模块

4.4.5 USB控制模块

4.5本章小结

第五章软件设计及系统测试

5.1 USB固件程序的设计

5.1.1 CY7C68013A固件功能

5.1.2 CY7C68013A固件框架

5.1.3 USB描述符

5.1.4固件驱动程序的实现

5.2 USB设备驱动程序

5.2.1 WDM概述

5.2.2 WDM驱动程序的分层

5.2.3 USB驱动程序

5.3 INF文件

5.4户应用程序设计

5.4.1应用程序与驱动程序的通信

5.4.2应用程序界面设计及其功能

5.5应用程序功能测试

5.6实车试验

5.7本章小结

第六章结论与展望

6.1论文的研究结论

6.2展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文