基于于HMR3000和MCU實現車輛模擬駕駛動感數據采集系統的設計

1、引言

車輛模擬駕駛訓練系統是一種利用現代技術手段模擬真車駕駛的仿真系統，它可以使汽車駕駛訓練更加安全、經濟、高效和逼真。與現有車輛模擬駕駛訓練系統相比，新型車輛模擬駕駛訓練系統的獨特之處是增加了動感系統。該動感系統可以使駕駛員在模擬駕駛室內真實感受到模型車所行駛的沙盤路面的狀況，與實車在正常路面上行駛的感覺一樣，從而彌補現有車輛模擬駕駛訓練系統的不足，提高駕駛訓練的效果。

2、系統的組成及工作原理

新型車輛模擬駕駛訓練系統中的動感系統主要由動感數據采集系統、動感數據無線發收系統、動感平臺及其控制系統組成。

工作原理是：安裝于模型車上的動感數據采集系統實時采集模型車行駛過程中姿態的動感數據，通過無線收發系統將動感數據實時傳送到動感平臺控制系統，進而使動感平臺產生相應的動感。

3、硬件設計

3.1 動感數據采集系統

動感系統的動感數據采集使用HMR3000型數字羅盤模塊。HMR3000是Honeywell公司的產品，它不僅可以測量磁場，還可以測量物體的姿態，實時準確地輸出被測物體的俯仰角、橫滾角和航向角。用單片機和HMR3000組合構建適用于機載或車載的測控系統，可廣泛應用于航海、通信雷達、微波定向、海上平臺控制、天線安裝、無人機、機器人、運動定向、自動控制等方面。

HMR3000體積小、功耗低、精度高、價格便宜，是姿態測量用戶的理想選擇。

3.1.1 HMR3000的數據輸出格式

HMR3000數字羅盤按照NMEA0183的格式，通過所帶的RS-232接口輸出數據。輸出6種格式：HDG格式、HDT格式、XDR格式、HPR格式、RCD格式和CCD格式。動感系統采用的是如下所示的HPR格式：$PTNTHPR，x..x（航向），a，x..x（俯仰角），a，x..x（橫滾角），a*hh該數據輸出格式將HMR3000的3個重要測量結果和相應的測量狀態結合在一起。數據中的x..x為所測的相應航向角、俯仰角和橫滾角的值，形式為n位ASCⅡ碼，單位可以是“度”也可以是“mils”。數據中的“a”表示測量狀態。測量狀態有以下6種：

L=LOW ALARM（低級報警）；

M=LOW WARNING（低級警告）；

N=NORMAL（正常）；

O=HIGH WARNING（高級警告）；

P=HIGH ALARM（高級報警）；

C=TUNING ANALOG CIRCUIT（調節模擬電路）。

如果1個輸出語句的3個狀態指示中有任何1個報警，航向位置將為空白。報警和警告的閾值可以在EEPROM中更改。

3.1.2 HMR3000的控制指令

工作：羅盤啟動，指令為#FAO.3=1*26《1f》；

停止：羅盤停止，指令為#FAO.3=0*27《1f》；

詢問：詢問羅盤啟動、停止狀態，指令為#FA0.3？*15；

響應：有二種響應，工作狀態響應為#1*31；停止狀態響應為#0*30《1f》。

3.1.3 HMR3000的數據單位和進制的設定指令

數據單位可以分為“度”和“mils”二種。度=mils×9/160，其中，度的數值是0.0~359.9，而mils的數值是0~6 399。進制分為十進制和十六進制二種。設定數據單位和進制的指令如下：

#FA0.4=1*21 ∥殳定羅盤數據單位為“度”

#FA0.4=0*20 ∥設定羅盤數據單位為“mils”

#FA0.5=1*20 ∥設定羅盤數據為十進制

#FA0.5=0*21 ∥設定羅盤數據為十六進制

3.1.4 HMR3000數據采集速率的設定指令

HMR3000的數據輸出有6種格式，對應的數據采集速率格式也有6種，其中HPR格式更新速率指令為

#BAD=I*hh ∥設定HPR的更新速率為“I”句/s

其中I的值可以設為0、l、2、3、6、12、20、30、60、120、180、300、413、600、825、1200。

3.1.5 HMR3000姿態數據的查詢指令

HMR3000啟動后會按照指定的工作模式發送數據，一般會選擇連續工作方式。需要查詢當前的數據狀態和具體數值時需要使用查詢指令。HPR格式的查詢指令為

$PTNT，HPR*78 ∥查詢HPR格式的數據狀態

3.1.6 HMR3000與MCU的接口連接

由于HMR3000與外界的串行通信采用的是自身所帶的RS-232接口，與MCU串行數據傳輸的TTL電平不匹配，所以需要MAX232型電平轉換器，如圖1所示。

基于于HMR3000和MCU實現車輛模擬駕駛動感數據采集系統的設計

3.2 動感數據無線收發系統

動感數據無線收發系統采用nRF905型無線收發模塊，該模塊具有以下突出特點：

●三頻段收發合一，工作頻率為國際通用的ISM頻段433/868/915 MHz；

●GMSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制領域；

●采用DSS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性極好；

●靈敏度高，達到-100 dBm；

●工作電壓低（2.7 V），功耗小，待機狀態僅為1 μA，可滿足低功耗設備的要求；

●最大發射功率達+10 dBm；

●具有多個頻道（最多170個以上），能滿足需要多信道工作的特殊應用；

●工作速率最高可達76.8 kb/s；

●外圍元件數目少（僅10個），基本上無需調試；

●由于采用低發射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，使用距離最遠可達l 000 m。

此外，由于nRF905是一款收發一體化的無線傳輸電路，帶有調制器和解調器，發送時可以自動打包，接收時可以自動進行地址匹配、自動CRC檢驗，發送或接收完畢后，其DR引腳會自動設置高電平，以示發送或接收完畢，并且采用SPI接口與MCU通信，因此編程非常方便。它可廣泛應用于車輛監控、遙控、遙測、工業數據采集、水文氣象監控、非接觸RF智能卡、機器人控制、數字音頻和數字圖像無線傳輸等領域。

nRF905除了負責動感系統中動感數據的無線傳輸外，還可傳輸新型車輛模擬駕駛訓練系統中模擬駕駛室向模型車發送的油門、燈光、制動、轉向、分動箱、離合等控制指令。nRF905與MCU的連接如圖2所示，引腳功能說明見表1。

3.3 動感平臺及其控制系統

動感平臺是動感系統的執行部分，它由6個液壓泵和模擬駕駛室的底板構成。其工作原理是MCU根據傳來的動感數據通過繼電器驅動電路控制相應繼電器，使相應液壓泵的相應電磁閥開啟或閉合，進而模擬駕駛室上下顛簸、前后俯仰或左右搖擺，如圖3所示。

4、軟件設計

由于HMR3000和nRF905分別通過RS-232接口和SPI接口與MCU進行通信，故整個系統的硬件電路相對比較簡單，但是，由于HMR3000采用NMEA0183協議格式輸出數據，nRF905收發數據又有嚴格的時序要求，因而軟件設計相對比較復雜。

4.1 HMR3000與MCU的通信協議

HMR3000的串行通信是根據NMEA0183標準制定的簡單的ASCⅡ協議，可以在單片機系統中使用RS-232或RS-485接口電路。ASCⅡ碼的傳輸和接收使用1位起始位、8位數據位、無奇偶校驗位和I位停止位，每個碼有10位。數據傳輸率可選擇l200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s、19 200bit/s、38 400 bit/s。

4.2 MCU接收HMR3000的數據

啟動HMR3000后，設定好HMR3000的數據單位、進制及其數據采集速率，每次數據采集后HMR3000自動向MCU發送數據。由于它采用NMEA0183協議標準的HPR格式即“$PTNTHPR，x..x，a，x..x，a，x..x，a*hh”格式輸出，此格式中不僅含有效數據“x..x”和其狀態“a”，還包含有‘$’、‘P’、‘T’、‘*’、‘h’等相關格式字符，因此在程序中要加以區分。動感系統中將字符‘$’作為一組有效數據傳輸的開始，將字符‘*’作為一組有效數據傳輸的結束，并通過計算接收逗號‘，’的個數判斷有效數據的開始。MCU接收HMR3000的數據流程如圖4所示。

4.3 nRF905與MCU的通信協議

nRF905與MCU之間的通信采用SPI通信協議，使用2條控制信號線CSN、SCK和2條數據信號線MOSI、MISO進行通信。CSN用來控制外圍設備的選通（低電平有效），SCK提供同步時鐘，MOSI、MISO分別為主從設備的輸入/輸出線。在SPI通信過程中，主從設備均在時鐘的下降沿從各自的輸出線輸出1位數據，在時鐘的上升沿從各自的輸入線讀入l位數據。

4.4 nRF905發送和接收數據

nRF905發送或接收數據時必須嚴格遵守發送或接收時序，否則將導致發送或接收失敗。

4.4.1 發送數據

nRF905的發送時序如圖5所示，其中．TA-TB是nRF905的命令字寄存器、匹配地址寄存器和發送數據寄存器編程時間；TD-Tl是發送啟動脈沖，至少為10μs；T1-T2是nRF905的自動編碼，至少為650 μs；T2-T3是自動發送數據；T3是發送結束時DR置高電平，表示發送結束。具體步驟如下：