汽車駕駛模擬器單片機系統設計

汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車的駕駛操縱動作，獲得實車駕駛感覺的模擬系統。目前的汽車駕駛模擬器集合了感測器、計算機三維實時動畫、計算機介面、人工智慧、數據通信、網路、多媒體等多種先進技術，主要用於駕駛員的培訓，也可以對微觀交通進行模擬，對汽車的控制特性進行研究。汽車駕駛模擬器具有安全性高、再現性好的特點。利用駕駛模擬器來進行研究和訓練，可方便地模擬各種道路環境、天氣狀況，分析汽車的技術性能指標，從而可以節省大量的自然資源，具有很高的經濟價。

在汽車駕駛模擬器中，感測控制系統的性能直接影響到整個汽車駕駛模擬系統的交互性和實時性，是衡量汽車駕駛模擬器實用性能的重要指標。感測控制系統主要由各種感測器、數據採集和處理系統、以及介面電路等組成。其中，數據採集和處理系統是整個感測控制系統的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器採用數據採集卡實現操縱數據的採集，這種基於數據採集卡的數據採集和處理系統成本相對較高，採集模擬量時不是很穩定，必須在模擬程序中採用專門的演算法對模擬量進行處理，同時介面的數量也很有限，這為後續的開發帶來了一些困難。而基於單片機的數據採集系統雖然開發周期較長，但成本相對較低，介面的可擴展性好，同時，模擬量和開關量的預處理工作也可以由單片機來完成，完全可以滿足模擬器系統的交互性和實時性要求。下面介紹汽車駕駛模擬器單片機系統的設計思路。

1系統的工作原理

在模擬汽車運動時，感測器採集駕駛員的操縱數據，通過介面電路對這些信號進行放大和濾波，並對其中的模擬信號進行A/D轉換，最後單片機系統將控制信號通過RS-232介面傳送給主控計算機。在模擬程序中，計算機根據控制信號、汽車的運動狀態、駕駛操作規則等來控制視景系統、音響系統、儀錶系統、評價系統。利用單片機系統驅動程序中相應的功能函數，可以將單片機系統採集的信號轉換為控制汽車運動狀態和位置的參數。當駕駛員進行模擬駕駛時，單片機系統採集的數據會根據駕駛員的駕駛操作實時地發生變化，從而實現對駕駛模擬器視景系統中汽車運動狀態和位置的控制，控制系統的精度由模擬程序內部的演算法保證。

汽車駕駛過程的基本操縱部件是方向盤、油門、離合器、剎車和檔位，另外還有點火開關、轉向指示燈等輔助性操縱部件。與實車駕駛相同，這些操縱部件的協同工作可以對虛擬視景中的汽車模型進行控制，駕駛訓練者與視景的變化是實時的、交互的。駕駛訓練者對操縱部件的操作通過感測器被系統感知後，系統經過處理和運算得到汽車模型的控制參數，最後根據這些參數控制視景系統的渲染輸出，駕駛訓練者就在虛擬視景中實時地觀察到所駕駛車輛的運行情況。系統的工作流程如圖1所示。

2 單片機系統的設計

2.1 感測器的選擇

汽車駕駛模擬器主要的控制信號如表1所示。

汽車駕駛模擬器主要有方向盤、離合器、制動器、油門、6個擋位、手剎等信號需要採集，使用的感測器包括開關感測器、位移感測器、角位移感測器三類。方向盤採用角位移感測器；離合器、剎車、油門採用位移感測器；點火、手剎、換檔等採用開關感測器。

經過綜合考察與比較後，選用TWZ型直流位移感測器、QXJ-BZ-V型角位移感測器、ITR8102型對射式光電開關分別作為線位移量、角位移量以及開關量感測器。其中，TWZ型直流位移感測器的解析度為10μm，QXJ-BZ-V型角位移感測器的解析度為0.01o，ITR8102型對射式光電開關的響應時間為20μs。實踐證明，所選的感測器完全滿足了汽車駕駛模擬器的控制要求，取得了較好的效果。

2.2硬體電路的設計

汽車駕駛模擬器感測控制系統需要完成開關量和模擬量的採集與處理，指示燈與儀錶的顯示控制，以及與主控計算機之間進行數據傳輸等功能。根據以上要求，主控晶元選用Atmel公司生產的AT89C52, AT89C52是一種低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，與標準MCS-51產品的引腳和指令系統完全兼容。

AT89C52片內含8K的閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM），256 B的內部隨機數據存儲器(RAM),已經可以滿足本系統程序設計的需要，因此不需要進行外部程序存儲器和數據存儲器的擴展。

由於本系統中需要處理的開關量和模擬量較多，因此選用8255對輸入輸出介面進行了擴展。將AT89C52的P1口作為A/D、D/A轉換介面，用於模擬量的輸入和輸出，A/D、D/A轉換晶元分別選用ADC0809和DAC0832,片選信號由高位地址線P2口提供。8255的擴展介面用作開關量的輸入和輸出，8255的埠選擇和片選信號由經74LS373鎖存後的低位地址線提供。

另外，AT89C52還提供了一個具有多級 通訊功能的全雙工串列介面，可以用作與主控計算機之間進行通訊。由於RS-232串列通信埠是PC機的標準介面，而且RS-232用作雙向數據通信時接線十分簡潔，因此選用RS-232作為通訊介面。但是，RS-232的輸出信號不但有正電壓，還有負電壓，所以選用半導體公司的RS-232介面晶元MAX232實現信號轉換。圖2為汽車駕駛模擬器單片機系統硬體電路簡圖。

2.3軟體系統的設計

汽車駕駛模擬器單片機軟體系統需要完成模擬量和開關量的採集和處理、串列數據的發送與接收、控制信號的輸出與顯示、故障的監控與保護等功能。軟體採用模塊化設計思想，通過彙編語言編製而成，主要由主程序、定時器中斷服務程序、串列口中斷服務程序、數據採集和處理程序、信號的輸出與顯示程序等幾部分構成。

主程序主要完成系統的初始化工作；定時器中斷服務程序主要完成看門狗功能，在單片機發生異常情況時，能使程序及時複位，保證單片機系統能夠正常工作；串列口中斷服務程序主要實現單片機與主控計算機之間的通訊；數據採集和處理程序主要完成模擬量和開關量的採集，獲取駕駛員的操控數據；信號的輸出與顯示程序將主控計算機的控制信息傳送給單片機，用於控制指示燈和儀錶的顯示輸出。圖3為汽車駕駛模擬器單片機軟體系統的程序流程圖。

3結論

基於單片機的數據採集系統成本相對較低，介面的可擴展性好，同時，模擬量和開關量的預處理工作也可以由單片機來完成。系統完全可以滿足汽車駕駛模擬器的交互性和實時性要求，已在所開發的汽車駕駛模擬器中得到了應用，取得了較好的效果。

圖文整理自網路

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