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1、GPS及加速计组合测量车速的发展趋势和应用摘 要车辆速度是汽车道路试验中的重要参数，它与车轮力(力矩)、踏板力、车轮转速(转角)等参数相结合，对汽车整车动态性能的分析、制动系统的性能匹配和ABS(防抱死制动系统)的开发有着重要的意义和应用价值。目前车速的测量主要使用五轮仪和相对式光电编码器。五轮仪有两种，一种是常规的五轮仪，车轮由被检车辆拖曳前进测量出距离信号，另一种是非接触式五轮仪，利用光学原理测量出车辆与地面的相对移动距离信号。这两种五轮仪体积都比较大，安装复杂，精度高的往往价格很高。光电式编码器使用测周法或测频法，通过测量相连脉冲的间隔时间或单位时间内的脉冲数转换算出车速，但路况和安装不
2、当会使编码器在行使过程中产生抖动，影响测量精度。本设计采用GPS信号与加速度计相结合的方式测量车速，实现速度信号的高精度实时采集。关键词：GPS；加速速度传感器；卡普曼滤波法；数据融合；车速ABSTRACTSpeed is the important parameters of automotive road test, and the wheel (moment), pedal force, the wheel speed (corner etc), combined with parameters of automotive dynamic performance analysis, br
3、aking system performance and ABS (ABS) development has important significance and application value. Currently the main use of measuring speed and five rounds relative photoelectric encoder. Five round apparatus has two kinds, one kind is the conventional five rounds, wheel by screening vehicle haul
4、ing measured distance signal, another is noncontact five rounds, optical instrument measuring principle and ground vehicles relative distances signal. These two kinds of five rounds instrument installation is larger, the volume of high accuracy is complex, often high price. Photoelectric encoder USE
5、S measuring method of frequency measurement method, or weeks, by measuring the time interval or connected pulse unit time pulses of several conversion speed, but calculate road, and improper installation will make encoder in exercise generated during the jitter, measuring precision. This design USES
6、 GPS signal with a combination of accelerometer measurement speed, high speed signal of the real-time data acquisition.Keywords: GPS, Accelerating Speed Sensor, Kalman Filtering Method, Data Fusion, SpeedIII 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 概述11.2 课题研究的目的和意义11.3 课题国内外研究现状21.4本课题研究内容2第2章 车速测量系统硬件设计42.1 G
7、PS系统的定位原理42.1.1 GPS系统的理论基础42.1.2 GPS系统的工作原理42.1.3 定位误差分析52.2 GPS信号接收模块62.3 GPS坐标转换72.3.1 投影变换72.3.2 坐标变换92.3.3 坐标转换公式的简化及其有效性92.4 MMA7260Q加速度传感器功能特点及工作原理112.4.1 功能特点112.4.2 结构原理112.5 加速度信息采集模块122.6 加速度信号转换132.7 数据采集卡132.8 本章小结15第3章 测量车速系统系统软件设计163.1 引言163.2 LabVIEW软件介绍163.3软件流程设计183.4串口通讯技术及数据接收183.
8、4.1串口的配置193.4.2串口程序193.5数据的处理213.5.1时间和速度213.5.2电压和加速度223.5.3 将速度信息和加速度信息结合233.6数据的显示233.6.1文本框显示233.6.2波形图显示233.7 本章小结24第四章 基于GPS和加速度测量测速系统室外实验分析254.1 单独GPS室外实验分析254.2 加速度传感器信号采集设施264.3 GPS与加速度传感器测量车速系统室外实验分析284.4 本章小结29结 论30参考文献31致谢32附 录A 外文文献33附 录B 外文文献的中文译文37 第1章 绪 论1.1 概述全球定位系统(GPS)是英文Global Po
9、sitioning System的字头缩写词的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。随着定位导航技术的飞速发展车载导航系统在相关领域得到了越来越广泛的应用。车载导航系统的
10、功能是帮助用户确定车辆位置并提供正确的操纵指示，目前，常用的定位手段有GPS卫星定位、惯性导航定位和组合导航定位等。本文将要设计的是基于三轴向低重力加速度传感器MMA7260Q的GPS盲区定位方法应用。在车载导航系统中，加速度传感器完成车辆瞬时加速度的数据采集任务，然后根据推算定位法计算出当前位置相对于已知参考位置之间的偏移从而得到车辆的绝对位置。在短时间内，利用这种方法得到的定位精度很高，例如：在平均加速度284mg的情况下，10s钟范围内，得到的定位误差大约是0.5m。与GPS单点平均定位误差15m20m相比，是微不足道的；特别在GPS盲区中，可以起到继续准确定位。因此，加速度传感器通常和
11、GPS一起组合成为组合导航系统，以提高定位精度，增强系统性能。1.2 课题研究的目的和意义车辆速度是汽车道路试验中的重要参数，它与车轮力(力矩)、踏板力、车轮转速(转角)等参数相结合，对汽车整车动态性能的分析、制动系统的性能匹配和ABS(防抱死制动系统)的开发有着重要的意义和应用价值。本设计根据汽车道路试验的需要，设计研制了一种基于GPS和加速度计的车速采集装置。采用GPS与加速度计二者信号相结合的方式，并在上位机进行相应的数据融合，实现车速实时采集。进入本世纪之后，国家根据汽车工业发展的需要，颁布了新的汽车行业标准，使得当前各汽车公司对汽车的各项性能参数的重视超过以往任何时候，各大汽车试验场
12、性能试验样车数量越来越多，对采集各项参数的系统的准确性要求也越来越高。因此，本文的研究目的是结合GPS和加速计的高精度实时采集，研制出的汽车车速测量系统软件，对汽车道路试验技术的发展具有重要的技术意义和应用价值。1.3 课题国内外研究现状全球GPS产品制造商已超过30家，主要厂商有 Garmin、Trimble 和 Javad 等，产品包括航空、航海、导航、定位、测绘等各个领域。目前我国导航设备制造和运营的公司虽然数掇众多，但普遍勰模较小，还没有出现具有垄断地位的太公司。规模较大的麦格天宝、台众思壮、北斗星通等公司业务主要是代理国际产品，不具备GPS核心技术，使得国内公司只能从事GPS应用的二
13、次开发，如车辆监控、车辆导航等。随着GSM和GPRS的普及，汽车导航系统和结合无线通信的GPS产品成为推动GPS市场高度成长的重要因素。2005年，这两类产品占GPS应用产品市场的比率合计约为38.7%，到了2008年则为53.6%，其它产品，如航空、航海、测量和农业等结合起来仅占46.4%。由于电子地图与消费电子技术的高度发展，再加上智能型运输系统的成熟，使得日本成为目前全球汽车导航系统普及率最高的国家，据相关市场调研报告显示，日本的GPS车载系统使用率高达59%，欧美约为25%。ABI的研究表明，汽车和物流将成为GPS市场收入的重要来源，占50以上的份额，而且这种趋势在2010年还将加剧，
14、估计到2010年全球GPS市场总值将达320亿美元。在我国，GPS有三大领域应用的比较广泛，大地测量(测绘、勘探)、海上渔用以及车辆定位监控。交通部的绫统计显示，2005年中国有430万辆货运车、170万辆客运车、90多万船只需要加装卫星导航系统，同时，新车选装系统的需求量增长迅速。截止2008年底，国内配备GPS导航设备的汽车不足90万辆，与2008年中国全年938万量的汽车销售量相比，汽车装备GPS车载系统的比率不到10，远远低于国外的平均水平。今后几年汽车对卫星导航系统需求量将以每年15以上的速度迅猛发展。据监内专家谈测，GPS车辆自主导航系统的市场需求，根据我国未来五年轿车产量计算，从
15、2003年至2008年的起步阶段，出厂原装的市场销量累计将有可能达到147万套，售后选配的市场销量累计将有可能达到82万套。数据还显示，到2010年中国安装GPS系统的汽车至少将增加5倍，产值至少超过800亿元人民币。1.4本课题研究内容全球定位系统(GPS)是利用导航卫星进行测时和测距以构成全球定位系统。它具有全球性、全能性、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS信号用于相对定位时精度较高，但信号频率较低，不能满足汽车道路试验数据分析需求。加速度计可以实时提供被测物体的加速度信息。若已知被测物体的起始速度，便可以将加速度积分得到物体各个时刻的速度。但加速度计会随着时间的增长而发生漂移
16、，产生较大的误差，不能单独长时间使用。现采用数据融合算法，由GPS信号提供基准的低频速度信息，校正补偿误差；采用加速度计信号积分得出相邻GPS信号间的速度信息，可高频、精准地测量车辆的速度。研究内容包括：1. 查阅文献资料，了解当前国内外车速测量系统的组成、测量方法和标准，并学会使用最新版本的LabVIEW8.6语言2查阅GPS相关资料，根据具体实验要求掌握GPS设备连接、命令操作和使用的方法，并学习GPS信号处理原理。3查阅加速度传感器相关资料，根据实验要求分析加速度传感器数据。4系统软件测试：软件设计结束之后进行室内系统测试，检查系统漏洞，分析系统误差；在室内测试完毕后进行实车试验，根据实
17、验的要求进一步完善软件功能。第2章 车速测量系统硬件设计2.1 GPS系统的定位原理2.1.1 GPS系统的理论基础全球卫星定位系统(Global Positioning SyStem)简称GPS，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能，是美国政府从1973年开始发展的一套精确卫星导航定位计划，最后于1994年3月lO日全部建成，投入使用。GPS系统由三部分组成：空间部分、地面控制和GPS用户接收机部分。空间部分由24颗卫星组成(其中3颗为备用卫星)，均匀分布在6个轨道面上(如图2-1)，每个轨道平面
18、上有4颗卫星，它们按与地球成55的相同方向运行，空间间隔约为90，这就可保证全球任何地区任何时刻都可以至少观测到4颗卫星。地面平均高度约为20200千米，周期约为12个小时。图2.1 GPS空间模型利用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗(或3颗以上)的CPS卫星信号，用户利用这些信息测量出测站点至3颗(或3颗以上)GPS卫星的距离，并计算出该时刻GPS卫星的三维坐标，根据距离交会原理解算出测站点的三维坐标。然而，由于卫星和接收机的时钟误差。因此，GPS卫星定位测量应至少对4颗卫星进行观测来进行定位计算1。2.1.2 GPS系统的工作原理GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。工作
19、卫星分布在6个等间隔的轨道萄内，每个轨道面分布4颗卫星，卫星轨道倾角为55。各轨道平面升交点的赤经相差60。在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30。轨道为近圆形，最大偏心率是0.01，半长轴为26 560公里，轨遵平均高度为20 200公里，卫星运行周期为ll小时58分，如图所示。这样的布局间一观测站上每天出现的卫星分布圈相同，并保证至少4颞卫星可用。新一代扩展功能卫星的产生、发射和替换老一代卫星的实施，将在来米的10_20年内逐步实现，新的卫疆使标准定位服务更糟确和更强健。计划为民用用户提供两个额外的信号：一个在L2载波上的叭码，一个较强的宽带信号。该信号调制载波的带叫做L5，中心频率为117
20、6.45MHz。在L5频段上的新民用信号在2005年发射的Bkk脾卫星上才有。在Ll和L2频段上的P(Y)码在卫星BlockR.M和Bkk上仍然是有效的，以保证当前的GPS接收机向前兼容。一个完整的在L5频段上具有新的民用码的星座不大可能在2015年之前投入运转。现在，美国正在着手研发第三代GPS系统，即“GPSIII”。它将选择全新的优化设计方案彻底放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组成。“GPSIII”的第一颗卫星将于2009年发射，全部卫星在轨运行将在2015-2020年实现。与GPS相比，“GPSIII”的信号发射功率将提高100倍，信号抗干扰能力提高10
21、00倍以上，授时精度将达到1ns，定位精度提高到0.2m0.5m这样可使“GPS一III”制导精度达到1m之内2。2.1.3 定位误差分析GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点较精确的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。在高精度的GPS测量中(如地球动力学研究)，还会注意到
22、与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等的影响。表2.1给出了GPS测量的误差分类及各项误差对距离测量的影响表2.1 GPS测量误差及对距离影响误差分类误差来源对测量距离的影响（m）卫星部分星历误差；时钟误差；相对论效应1.5-15信号传播电离层；对流层；多路径效应1.5-15信号接收钟的误差；位置误差；天线相位中心变化1.5-5其他影响地球潮汐；负荷潮1.0上述误差，按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是从对定位结果的危害性讲都比偶然误差大得
23、多，它是GPs测量的主要误差源。但系统误差有一定的规律可循，因此可以采取一定的措施加以消除3。2.2 GPS信号接收模块GPS的数据处理方法：在动态定位数据处理中，一般用最小二乘法或卡尔曼滤波方法。利用最小二乘法处理GPS动态定位数据的特点是模型简单、无须了解动态接收机的运动学特征，使用的是静态函数模型。在GPS动态定位中，动态接收机的天线是一个遵循一定规律不断变化的动态系统，不同时刻对该系统的状态所进行的观测存在一定的相互联系，最小二乘法难以充分利用这些规律和相互联系。卡尔曼滤波是在线性无偏最小方差估计原理下推得的一种递推滤波方法，它引入了状态空间的概念，借助系统的状态转移方程根据前一时刻的
24、状态估值和当前时刻的观测值递推估计新的状态估值。与最小二乘法相比，卡尔曼滤波方法更适合于GPS动态定位数据处理。导航型GPS输出的数据格式有两种一种是十进制ASCII码，一种是二进制码，市面上以使用ASCII码的NAME一0813的最为普遍。NAME一0813是美国国家海洋电子协会制定的通讯格式其中规定了海用和陆用GPS接收设备输出的定位位置数据、时间、卫星状态、接收机状态等信息，目前被广泛采用的是NAME0813 2.0版。NAME一0813协议规定的GPS信号语句有GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC等多种，每种语句格式相同，所表达的定位信息各有侧重。表2.2 GPS数据格式说明
25、名称实例格式说明讯息代号$GPRMCUTC时间062209.000HHMMSS.SSS时时分分秒秒.秒秒秒定位状态AA或者VA（数据有效）；V(数据无效)纬度3641.8471DDMM.MMMM度度分分.分分分分南/北半球指示器NN或者SN（北半球）；S（南半球）经度10905.1234DDMM.MMMM度度分分.分分分分东/西半球指示器EE或者WE（东半球）；W（西半球）对地速度000.0XXX.X对地方向203.3XXX.X单位为度日期260504DDMMYY日日月月年年磁极变量001.4，WXXX.X，Y单位为度，Y（东西方向）语句结束目前市场上的GPS接收机(OEM)有很多种，由加拿大
26、马可尼公司所研制开发的Superstar II以其低价和高可靠性的优点在车辆导航定位方面得到广泛应用。Superstar II具有超强的接收能力，可在苛刻的条件下给用户提供高可靠性的三维坐标、速度、时间、卫星星历以及其他状态信息，并能处理编译来自基站的差分改正4。2.3 GPS坐标转换GPS接收机所得到的定位数据使用的是WGS84坐标参考系，而一般的数字地图(这里仅讨论矢量数字地图)的位置信息是用某种用户坐标系，经过投影变换后形成的投影平面直角坐标系。因此，要使GPS位置信息显示在已建立好的数字地图上，必须进行相应的坐标转换以实现坐标系的统一。一般来说，车载GPS坐标转换有两种方式：其一是先将
27、WGS84的大地坐标转换为1954年北京大地坐标或1980年国家大地坐标，而后通过投影变换(如高斯投影变换)以及在投影平面上进行坐标强制转换(仅对局部任意坐标系)来实现相应的坐标转换；另一方式是先将GPS接收的WGS84大地经纬度以WGS84的参考椭球为基准进行高斯投影，然后通过平面坐标强制转换(如仿射变换、完整二次多项式变换等)，将高斯投影后的平面坐标强制统一到国家54坐标系、国家80坐标系或是局部任意坐标系中，以实现相应的坐标匹配。目前在实际的车辆导航和实时监控系统中，主要采用的坐标转换方式是后一种。这里存在两个原因，一是前一种方法要进行三维坐标系参考基准的统一，对于非测绘专业人员来说有一
28、定的技术难度，其可操作性也较差，再且这种方式计算公式复杂，转换过程多，故相对后一方式而言，所占用的计算机时要长一些，效率要低一些；另一个原因是在实际的车辆导航系统及监控系统中，对车辆的实时定位精度要求不高，而对实时性要求较高。以下就实际的车辆导航和实时监控系统中所用到的GPS坐标转换公式及相应的坐标转换过程作详细论述，对车载GPS坐标转换公式进行一些必要的简化，并对简化公式的有效性及可行性作相应的论证5。2.3.1 投影变换车载GPS接收机所得到的定位数据使用的是WGS84坐标参考系，其定位数据包括经度L和纬度日按前面提及的第二种方式，将(L，B)转换为高斯平面坐标(x，y)，高斯投影可用高斯
29、投影正算公式 式(1)和式(2)中：X为赤道至纬度为B的子午线弧长；卯酉圈曲率半径：辅助变量： 第二偏心率平方：；辅助变量：；椭球点经度与相应中央子午线之差：；a和b分别表示参考椭球的长短半径。上述高斯正算公式，是其泰勒级数的展开式，它舍去了6次以上高次项，其子午线弧长计算式舍去8次以上高次项。该式纵横坐标(x，y)的计算精度能够达到0.00l m，在一般的车辆导航和实时监控系统中，实际并不需要如此高的计算精度，所以，可以根据车载GPS导航的实际精度要求，再忽略掉部分高阶项，以期提高计算速度。2.3.2 坐标变换在通常情况下，平面坐标系间的变换方式有相似变换、仿射变换、双线性变换以及二次及三次
30、多项式变换等。相似变换完全是两平面坐标体系间的转换，未考虑系统误差，仿射变换在相似变换的基础上考虑了纵横坐标尺度因子的差异，而为了消除和削弱两坐标系统之间的平移、旋转、缩放、地球曲率以及地同投影引起的误差，一般需要二次或高次曲线方程来建立相互间的映射关系。下面是实际的车辆导航和实时监控系统中常用到的坐标变换公式，式中的(，)及(，)对应两坐标体系及为待定系数： 式(2.3)是相似变换公式，有4个参数，至少需要2对控制点来求取相应的未知转换参数。式(2.4)是仿射变换公式。有6个参数，至少需要3对控制点来求取相应的未知转换参数。式(2.5)是完整的二次多项式，有12个参数，至少需要6对控制点来求
31、取相应的未知转换参数。在有多余控制点的情况下，一般采用最小二乘法来解算相应的未知参数。在获得相应的未知转换参数后，即建立起了两平面坐标系之间的一一映射关系，即可实现相应的坐标转换。在车辆导航和实时监控系统中，应针对实际情况，根据其对车辆的动态定位精度要求来选择相应的坐标变换公式。2.3.3 坐标转换公式的简化及其有效性在车辆导航和实时监控系统中，就目前的设备性能和技术水平来看，对不加差分改正的车辆，动态定位的最好精度在30 m左右，而对加了差分改正的车辆，动态定位的最好精度也在25 m左右。前面给出的式(2.1)和式(2.2)，计算精度能达到0.001 m，它已经可以用于大地测量及工程测量中的
32、控制点坐标投影了。这样的精度对车辆动态定位来说，显然高出几个数量级，一般的车辆动态定位的最好精度在25 之问，所以计算精度再高，对整体定位精度的提高意义不大。用前面的式(2.1)和式(2.2)参与计算，要占用更多的机时，这将影响整个系统的效率，所以对式(2.1)和式(2.2)进行适当的简化是必要的。对前面的高斯正算公式，若舍去3次以上高阶项则得式(2.6)，若舍去5次以上高阶项则得式(2.7)。为了考察式(2.6)和式(2.7)的有效性及适用性，作者利用车载GPS接收机在成都市进行了实地采样，并编制了相应的计算程序，对WGS84大地坐标对应3种不同的投影公式(即式(2.1)、式(2.6)和式(
33、2.7)的高斯平面坐标，并将两套简化公式的计算结果与式(2.1)的计算结果进行了相关比较，详细结果如表2.3。 从上面的比较可以看出，式(2.6)与式(2.1)投影坐标相差达到了10m级，对于未加差分改正的GPS车辆定位来说，还勉强可用，因为种GPS车辆的定位精度般来说都在50l00m之间，但对于加差分改正的GPS车辆定位，其定位精度一般都能到达m级，此时如采用式(2.6)，就将产生较大的计算误差。式(2.7)与式(2.1)投影坐标间的计算较差在cm级，故无论是对加差分改正的GPS车辆定位还是对未加差分改正的GPS车辆定位来说，都是适用的。表2.3 式(1)与式(6)、式(7)投影坐标的比较(
34、绝对值)比较对象最小纵坐标差最大纵坐标差最小横坐标差最大横坐标差式(1)与式(6)投影坐标比较15.0341415.225351.858252.70230式(1)与式(7)投影坐标比较0.029110.046490.000030.00006目前国内的基于广域差分的区域性高精度车辆导航系统或监控系统还不多见，而一般的高精度车辆导航系统或监控系统，主要应用于城市及城市近郊，由于其应用范围相对较小，经度差和纬度差较小，涉及到跨带坐标匹配的可能性较小，即是说，在系统服务范围内要进行换带计算的可能性是不大的。当然，如果在系统服务范围内确实存在跨带坐标匹配问题，则在系统设计中，必须增加一判定当前车辆所在高
35、斯投影带的功能，并根据实际情况改变用于投影计算的中央子午线的数值。在进行了投影计算后，还必须通过一定的数学变换建立高斯投影坐标系和数字地图所在坐标系间的映射关系，以实现相互问的坐标转换。如果数字地图本身就是国家54高斯平面坐标或国家80高斯平面坐标，则可以直接将GPS定位信息用式(2.3)进行转换，而后与数字地图进行匹配显示；如果数字地图是局部任意坐标系(如某些自由设置的城建坐标系)，则应当采用式(2.4)或式(2.5)进行坐标强制转换，因为此时两平面坐标系间可能存在较大的旋转角度，同时还应考虑到纵横向尺度的差异等因素影响。在大多数情况下，采用式(2.7)和式(2.4)就足以满足目前车辆动态定
36、位对坐标计算精度的要求6。2.4 MMA7260Q加速度传感器功能特点及工作原理2.4.1 功能特点MMA7260Q是一种低成本、单芯片、三轴向、高灵敏度加速度传感器，基于表面微机械结构，集成信号调理电路、单极点低通滤波器和温度补偿部分，并且具有4种不同的灵敏度选择模式。滤波器截止频率已在出厂前设定，不需要外部调整。同时它包含一种睡眠模式，使其成为小型电池供电便携式设备的理想之选。MMA7260Q能在、 三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。主要具有以下特点：在一个设备中提供三轴向(，)检测灵敏度；可选灵敏度
37、为1.5、2、4和6 g；低功耗，500出；睡眠模式，3uA，是电池供电的手持电子产品的理想之选；低压运行，2.2V3.6V；快速启动，l ms；低噪声，达到更高的分辨率、更高的精确度；6 mm6 mm1.45 mm的QFN(无引线四方扁平)封装。2.4.2 结构原理 图2.2 MMA7260Q功能框图 图2.3 MMA7260Q芯片实物图2.4 MMA7260Q芯片电路图IC内部主要由双芯片构成，即蘑力检测单元(负责加速度的检测)和IC控制单元(负责信号处理)。重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到容压转换电路，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪声，在温度补偿处
38、理后即可输出加速度信息。2.5 加速度信息采集模块汽车道路试验在制动时车体的加速度最大，大约1 g，因此加速度范围是01 g。选用Freescale公司生产的MMA7260Q芯片。这款基于微机电系统的芯片在3个轴向上能灵敏地捕捉到被测物体的坠落、倾斜、移动，并将这3轴的加速度信息以模拟量的方式分别从3个引脚输出。通过设置芯片g-selectl和g-select2这两个引脚的电平，可以选择1.5g、2 g、4 g和6 g的不同范围的灵敏度。它的3A睡眠模式、500A低运行电流，以及6mm 6mm1.45 mm的QFN小巧包装等特性，满足了车载工况的要求。MMA7260Q的G-CELL(重力感测单
39、元)由基于半导体材料的微机械结构构成。物理模型可以构造成一对固定的面板，中间包含一块可移动的面板，见图2.5。图2.5 G-CELL 物理模型当系统具有加速度时，中间板就会漂移。中间板移动时，它到一边(固定的面板)的距离增加，而到另一边的距离相应地减少，这种距离的变化可用来表征加速度。G-CELL的面板构成了两个背对背的电容，当中间面板随着加速度变化而移动时，两个面板之间的电容值就会改变，C=A8D。这里A为面板面积。8为介电常数，D为面板间距。在ASIC(专用集成电路)中使用开关电容测量出GCELL的电容值，并从差值中算出加速度数据。ASIC再进行信号调理和信号滤波(使用开关电容)，最后输出
40、正比于加速度的电压。灵敏度选择(g-Select)：根据g-Selecd、g-Select2两引脚的输入电平，MMA7260Q具有4种灵敏度选择模式。根据不同的产品应用可以选择不同的灵敏度，而且在应用时可以任意改变。睡眠模式(Sleep Mode)：当为MMA7260Q的12引脚(Sleep Mode)提供低电平时，传感器在低功耗模式下运行，此时运行电流仅为3斗A。当为其提供高电平时，传感器就会保持正常的运行模式。滤波器：MMA7260Q的ASIC中包含一个单极点滤波器。此滤波器是用开关电容实现的，不需再外接被动元件(电阻、电容)来没置截止频率7。2.6 加速度信号转换由于加速度传感器信号输出
41、为电压信号，需要将电压信号转化为加速度信号，根据生产厂家提供的加速度传感器模块资料，可以得出在水平放置的情况下，电压转化为加速度的公式:轴：轴： 轴：由于轴测量的是地心加速度，所以要多减去一个重力的电压信号。2.7 数据采集卡数据采集(DAQ：Data Acquisition)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离,放大,滤波等.对待某些传感器，还需要提供
42、激励信号。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、电源线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等总线接入个人计算机。图2.6 数据采集卡原理图图2.7 数据采集卡实物图在科技飞速发展的今天，工业自动化等各种自动控制都离不开数据。如何获取需要控制的各种状态，这个就是数据采集卡所起的作用了。在各种繁杂的数据采集过程中，数据的流量和精确度是相当大的一个问题。为了解决让数据传输更快更多的数据，USB高速数据采集卡带来了解决方案。USB高速数据采集卡，顾名思义，就是数据采集卡采集数据后输入电脑设备的接口是US
43、B接口。在今天流行的计算机接口中，USB首当其冲（参见USB接口），尤其从1.0到2.0的发展其传输速率大大提高。为数据卡采集的数据传输奠定了理论基础。用数据采集的原理，使用USB高速传输的方式来实现的数据采集卡，最终实现了今天的USB高速数据采集卡8。2.8 本章小结硬件是进行测速系统的基础，根据试验要求正确地选择硬件直接关系到系统结果的准确性，要求仪器有较高的精度。GPS可以用于物体空间位置的测量，且通过坐标变换后可以得到物体的运动轨迹和速度。在卫星信号良好的情况下，单点定位精度能达到2m，测量精度能达到6cm。使用加速度传感器单元后，可以完全消除卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误
44、差，绝大程度上消除传播延迟误差，使定位精度提高到0.45m，测试精度达到2mm。加速度传感器单元可以测量运动物体沿坐标轴三个方向的角速度和加速度，其精度可达到0.8/S、5mg，因此，这两个仪器的选择完全满足试验要求。本章对试验过程中用到的GPS及加速度传感器的结构组成、通讯原理、技术指标和信息采集进行了介绍和分析，为下一章的软件编制奠定了基础。第3章 测量车速系统系统软件设计3.1 引言LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C语言和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Lab
45、VIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。本设计主要将LabVIEW程序代替单片机并将最后实验结论通过图形显示出来，这将是今后软件设计发展的必然趋势。3.2 LabVIEW软件介绍LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美国国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI)推出的一种虚拟仪器开发平台。在该环境下，LabVIEW用图标连线方式的图形语言代替了传统程序语言的文字编程方式，使用者可以灵活自如地设计各种应用程序。同时LabVIEW提供了丰富的
46、元件库、函数库和子程序库，用户可以很方便地组成自己需要的虚拟测试系统。LabVIEW还提供了DLL接口和CIN节点，使用户能够在LabVIEW平台上使用其它软件平台编译的模块。本文设计GPS与加速计测量车速系统用LabVIEW8.0为软件开发平台，支持仪器的所有功能，运行后用户完全可以不用手动操作仪器就能完成波形的产生、存储、输出功能与C语言和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），输出量被称为显示（Indicators）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按