摘 要

数据采集已经渗透到生产生活的各个领域，在汽车生产领域，数据采集起着不可或缺的作用。为了更好的了解汽车运行状况，更好的发展汽车，数据采集系统的重要性不言而喻，它是获取车身姿态的重要工具。本课题便是设计一套数据采集系统，用以测量汽车行驶过程中的加速度、角速度、横摆以及速度。

本课题以遥控小车为实验对象，将Mti-g传感器测出来的数据实时传入到LabVIEW中。在LabVIEW中编写程序，使之能够读取传感器的数据，还需解析数据，并以波形图和具体数值的方式在前面板上共同显示出来，最后将程序存储到TDMS文件中，以便进行离线分析处理。其中实时传输是通过ZigBee来实现，由于技术的不断发展，有线通信往往会受到多方面的限制，如地理位置的限制，而无线通信能突破这些限制，使系统灵活性增强，本次采用XBee模块，辅以合适的设置与操作，实现无线传输数据。

最后进行具体的实验操作，将传感器放置在小车上，用手柄操作小车，模拟不同工况，包括转向试验、侧翻试验、加速试验等，并根据采集到的数据对小车的行驶性能进行分析。

关键词：数据采集 车身姿态 labview ZigBee

ABSTRACT

Data collection has penetrated into every area of production and life. In the field of automobile production, data collection plays an indispensable role. In order to better understand the running status of the car and develop the car better, the importance of the data acquisition system is self-evident. It is an important tool for obtaining the body posture. The subject is to design a data acquisition system to measure the acceleration, angular velocity, yaw, and speed of the car during driving.

This topic uses the remote control car as the experimental object, and passes the data measured by the Mti-g sensor into LabVIEW in real time. Write a program in LabVIEW so that it can read the data from the sensor. Analyze the data and display it on the front panel in the form of waveforms and specific values. Finally, save the program in a TDMS file for off-line analysis. deal with. The real-time transmission is achieved through ZigBee. Due to the continuous development of technology, wired communication is often subject to many restrictions, such as geographical restrictions, and wireless communication can overcome these limitations and enhance system flexibility. This time, the XBee module is used. , With appropriate settings and operations, wireless transmission of data.

Finally, the specific experimental operation, the sensor placed on the car, using the handle to operate the car, simulation of different conditions, including steering test, rollover test, acceleration test, etc., and based on the collected data on the car's driving performance analysis.

Keywords: data acquisition; body posture; labview; ZigBee

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 本课题研究意义 3

1.3 国内外研究现状 4

第2章 采集系统的硬件组成 6

2.1 传感器的介绍 6

2.1.1 陀螺仪 7

2.1.2 加速度计 8

2.1.3 GPS 9

2.2 单片机 10

2.2.1 MC9S12XS128MAL介绍 10

2.2.2 单片机最小系统 11

2.2.3 SCI串行通信接口模块 13

2.2.4 RS-232 15

2.3 Zigbee模块 17

2.3.1 ZigBee简介 17

2.3.2 XBee模块 18

2.4本章小结 18

第3章 软件系统 19

3.1 虚拟仪器 19

3.2 LabVIEW 20

3.3 LabVIEW程序设计 22

3.3.1 数据读取程序 23

3.3.2 数据处理程序 25

3.3.3 数据显示程序 31

3.3.4 数据存储 32

3.3.4.1 数据存储方式 32

3.3.4.2 数据储存程序 33

3.4 XBee参数设置及调试 35

第4章 试验操作 38

4.1 试验准备 38

4.2 试验内容 39

4.3 试验过程 40

4.3.1 侧倾试验 40

4.3.1.1 试验目的与操作 40

4.3.1.2 试验现象与分析 41

4.3.1.3 试验结论 42

4.3.2 平顺性试验 43

4.3.2.1 试验目的与操作 43

4.3.2.2 试验现象与分析 44

4.3.2.3 试验结论 46

4.3.3 转向试验 46

4.3.3.1 试验目的与操作 46

4.3.3.2 试验现象与分析 47

4.3.3.3 试验结论 48

4.3.4 启动加速试验 48

4.3.4.1 试验目的与操作 48

4.3.4.2 试验现象与分析 49

4.3.4.3 试验结论 50

4.4 试验总结 50

4.5 本章小结 50

第5章 全文总结与展望 51

致谢 52

参考文献 53

附录 55

第1章 绪论

1.1 引言

如今的时代是一个数据时代，数据采集系统受到越来越多的关注，热度不断的提高。数据采集是一门综合性的技术，它包括传感器及转换技术、接口技术、计算机控制技术、PLC技术等先进技术^[1]。数据采集作为获取信息的重要工具，也是前提条件，存在于生产生活的各个领域，如汽车试验、地质勘探、生物医药等领域都广泛运用了数据采集系统^[2]。

所谓数据采集是指利用传感器来测量加速度、压力、速度、位移等物理量，并将传感器输出的模拟量经过一定调理后转变为数字量，再传送给计算机或者其他的上位机，再对信号进行各种处理、储存、显示等操作。同时，相应的系统统称为数据采集系统。数据采集的整个流程大致如下：

图1.1 数据采集流程图

每种信号都有每种信号的特点，对系统的性能要求也不尽相同，在设计数据采集系统时，需要考虑被测信号的特点，如信号传输速率、需要的通道数等等，另外价格也是一方面，不能只追求性能不考虑价格，综合这些要求采用适当的结构形式，以满足系统需求。数据采集系统往往可以分为以下几种：

（1）单通道数据采集

图1.2 单通道数据采集

单通道数据采集即只用一个通道来采集数据，这种方式比较简单，一般在只有一个模拟信号时，采用这种方式，如图1.2所示。

（2）多路共享A/D转换器

该类型数据采集系统结构如图1.3。它采用分时转换的工作方式，因为在这种情况下，被测的信号比较多，但是A/D转换器只有一个，由于每一通道的信号都配有一个采样保持器，因而可以对所有的信号同时进行采样，模拟多路开关按照一定规律分时地将信号传送给A/D转换器进行模数转换，这种形式的数据采集系统也存在弊端，该系统中只有一个A/D转换器，因而这种结构的信号采集速率比较慢^[1]。

图1.3 多路共享A/D转换器

（3）多路径共享采样/保持器以及A/D转换器

这种形式也是采用分时转换的工作方式，除了合用一套A/D转换器外，还共用一套采样/保持器，在特定时刻，模拟多路开关只能将其中一路信号传输到采样/保持器中。这种形式的采集速率也较慢，并且同一时刻的各种参数不能同时采集，但是由于只用了一套采样/保持器和A/D转换器，可以减少硬件的使用。原理如图1.4：

图1.4 多路径共享采样/保持器和A/D转换器

（4）多路径并行数据采集系统

这种形式的数据采集系统，有多少个信号通道就有多少个采样保持器和A/D转换器，相当于由多个单通道数据采集系统并联组合而成，各个通道相互独立，互不影响，可以在同一时刻同时采集不同的参数，采集效率比较高，并且最高采样频率不受影响，但是这种类型的系统也有许多缺点，最大的缺点是使用的硬件较多，使系统的成本也相应的提高。这种结构适用于高速系统、分散系统等。该系统工作原理如图1.5：

图1.5 多路径并行数据采集系统

在不同行业中对数据采集系统的要求也不同，有的对数据的精确度要求较高，有的需要及时传输。因而数据采集系统的设计需要满足不同的使用条件，常见的要求主要有：

系统抗干扰性：系统抗干扰性越高，获得的数据就越精确，对问题的分析与研究会更准确；

实时传输：能够及时得到所需的数据，提高主机运行效率；

低功耗性：可以用于电池供电以及受空间限制的工作环境；

高速数据采集。能够提高采集效率，另外在模数转换中，需要高性能的A/D转换器^[3]。

1.2 本课题研究意义

近些年来，汽车已经成为人们日常生活中必不可缺的一部分，我国汽车的人均保有量也在逐年增加，截至2017年底，中国的机动车保有量已经达到3.10亿辆，其中2.17亿辆为汽车；机动车的驾驶人有3.85亿人，其中绝大部分为汽车驾驶人，有3.42亿人。随着汽车保有量及驾驶人员不断增加，面临的一个巨大的挑战便是安全性，安全性也是汽车发展必须要考虑的一个因素，也是各大汽车企业面临的一个巨大挑战。交通事故的发生不仅会给民众带来物质上的损失，更会造成人员的伤亡，如何能够及时有效的避免交通事故的发生成了重要的研究方向。另外，随着社会不断地进步，人们的生活水平不断提高，人们对汽车的要求不仅仅满足其运输功能，对汽车驾驶的舒适性要求也不断提高。

美国的印第安纳大学通过一项调查得知，交通事故中85%是由驾驶人造成的，10%是由车辆本身因素引起的，5%是由外界环境因素导致的。可知绝大部分的交通事故都是由驾驶人造成的，如屡禁不止的酒后驾驶，以及疲劳驾驶、超速行驶、违反交通信号等等。如果直接对驾驶行为进行研究则显得有点困难，转而对汽车车身姿态的研究会相对容易点^[4]。可以设计一套车身姿态数据采集，在汽车行驶过程中，实时地监控汽车的运行状态，并采集汽车运行时的参数，如车速、加速度、角速度等，才能够及时预判汽车可能遇到的危险，可以采取相应的措施及时控制以避免危险的发生。如利用GPS传感器对汽车车速的监测可以判断汽车是否超速，可以在超速前及时提示驾驶员；利用陀螺仪传感器对车身横摆角速度进行监测，可以判断汽车是否有失去操作稳定性的可能，对侧倾角的监控，预测汽车是否有侧翻的可能。

除此之外，当交通事故发生时，可以调用在事故发生时各车辆的运行状态参数，再结合监控以及其他措施作为判别事故的责任方依据；公交公司、出租车公司等，可以根据根据采集的数据判断驾驶员的驾驶行为，作为考核评判的依据；如今是个大数据的年代，对采集到的数据综合分析可以制定出更合理的交通法规。因而利用数据采集系统对车身姿态的研究有助于提高行驶的安全性和舒适性。并且能够通过采集的数据对车辆运行性能进行评估，为车辆的改善和下一代的研究提供数据支持^[5-7]。

本次课题也涉及到无线传输，数据传输是数据采集系统关键的一个环节。相对于有线传输来说，无线传输的技术要求也越高。而有限传输使用时往往会受到多方面的限制，最大的限制便是距离，注定不能用于远距离的传输。如今随着技术不断发展，数据采集系统也变得越来越庞大，试验场地与数据接收场地往往相相距较远，传统的有线传输往往不能满足这些要求，而无线传输能突破这一障碍。本次课题涉及Zigbee无线传输技术。

1.3 国内外研究现状

在车身姿态研究方面，国外的Tung等利用三轴加速度计和三轴陀螺仪组成的六轴惯性传感器对车身姿态预估，这是一种常用的车身姿态测量方法；英国RT公司设计出一款SPEEDBOX-INS车辆数据采集系统，这种设备结合使用了惯性技术和全球定位系统技术，能够避免只使用GPS或INS进行数据采集的缺点，有效采集汽车行驶车速、路程、车身姿态等参数；法国机械电气通用公司研发出了一款姿态测量系统：Crystall100，这个系统含有加速度计和陀螺仪，还能够和GPS以及雷达等组成联合姿态测量系统，能够根据需要进行不同组合^[8-9]。