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引言 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仿真系統(tǒng)。目前的汽車駕駛模擬器集合了傳感器、計算機三維實時動畫、計算機接口、人工智能、數據通信、網絡、多媒體等多種先進技術，主要用于駕駛員的培訓，也可以對微觀交通進行仿真，對汽車的控制特性進行研究[1]。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(huán)境、天氣狀況，分析汽車的技術性能指標，從而可以節(jié)省大量的自然資源，具有很高的經濟價值[2]。 在汽車駕駛模擬器中，傳感控制系統(tǒng)的性能直接影響到整個汽車駕駛模擬系統(tǒng)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。傳感控制系統(tǒng)主要由各種傳感器、數據采集和處理系統(tǒng)、以及接口電路等組成。其中，數據采集和處理系統(tǒng)是整個傳感控制系統(tǒng)的核心。目前，很多汽車駕駛模擬器采用數據采集卡實現操縱數據的采集，這種基于數據采集卡的數據采集和處理系統(tǒng)成本相對較高，采集模擬量時不是很穩(wěn)定，必須在仿真程序中采用專門的算法對模擬量進行處理，同時接口的數量也很有限，這為后續(xù)的開發(fā)帶來了一些困難。而基于單片機的數據采集系統(tǒng)雖然開發(fā)周期較長，但成本相對較低，接口的可擴展性好，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(tǒng)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(tǒng)的設計思路。 1系統(tǒng)的工作原理 在模擬汽車運動時，傳感器采集駕駛員的操縱數據，通過接口電路對這些信號進行放大和濾波，并對其中的模擬信號進行A/D轉換，最后單片機系統(tǒng)將控制信號通過RS-232接口傳送給主控計算機。在仿真程序中，計算機根據控制信號、汽車的運動狀態(tài)、駕駛操作規(guī)則等來控制視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、評價系統(tǒng)。利用單片機系統(tǒng)驅動程序中相應的功能函數，可以將單片機系統(tǒng)采集的信號轉換為控制汽車運動狀態(tài)和位置的參數。當駕駛員進行模擬駕駛時，單片機系統(tǒng)采集的數據會根據駕駛員的駕駛操作實時地發(fā)生變化，從而實現對駕駛模擬器視景系統(tǒng)中汽車運動狀態(tài)和位置的控制，控制系統(tǒng)的精度由仿真程序內部的算法保證。 
圖1 系統(tǒng)的工作流程 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(xié)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傳感器被系統(tǒng)感知后，系統(tǒng)經過處理和運算得到汽車模型的控制參數，最后根據這些參數控制視景系統(tǒng)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(tǒng)的工作流程如圖1所示。 2 單片機系統(tǒng)的設計 2.1 傳感器的選擇 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、手剎等信號需要采集，使用的傳感器包括開關傳感器、位移傳感器、角位移傳感器三類[3]。方向盤采用角位移傳感器；離合器、剎車、油門采用位移傳感器；點火、手剎、換檔等采用開關傳感器。 經過綜合考察與比較后，選用TWZ型直流位移傳感器、QXJ-BZ-V型角位移傳感器、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傳感器。其中，TWZ型直流位移傳感器的分辨率為10μm，QXJ-BZ-V型角位移傳感器的分辨率為0.01o，ITR8102型對射式光電開關的響應時間為20μs。實踐證明，所選的傳感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硬件電路的設計 汽車駕駛模擬器傳感控制系統(tǒng)需要完成開關量和模擬量的采集與處理，指示燈與儀表的顯示控制，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，主控芯片選用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(tǒng)完全兼容[4]。 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(tǒng)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。 由于本系統(tǒng)中需要處理的開關量和模擬量較多，因此選用8255對輸入輸出接口進行了擴展。將AT89C52的P1口作為A/D、D/A轉換接口，用于模擬量的輸入和輸出，A/D、D/A轉換芯片分別選用ADC0809和DAC0832,片選信號由高位地址線P2口提供。8255的擴展接口用作開關量的輸入和輸出，8255的端口選擇和片選信號由經74LS373鎖存后的低位地址線提供。 另外，AT89C52還提供了一個具有多級 通訊功能的全雙工串行接口，可以用作與主控計算機之間進行通訊。由于RS-232串行通信端口是PC機的標準接口，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作為通訊接口[4]。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接口芯片MAX232實現信號轉換。圖2為汽車駕駛模擬器單片機系統(tǒng)硬件電路簡圖。 
圖2 系統(tǒng)硬件電路簡圖
2.3軟件系統(tǒng)的設計 汽車駕駛模擬器單片機軟件系統(tǒng)需要完成模擬量和開關量的采集和處理、串行數據的發(fā)送與接收、控制信號的輸出與顯示、故障的監(jiān)控與保護等功能。軟件采用模塊化設計思想，通過匯編語言編制而成，主要由主程序、定時器中斷服務程序、串行口中斷服務程序、數據采集和處理程序、信號的輸出與顯示程序等幾部分構成。 
圖3 軟件系統(tǒng)程序流程圖 主程序主要完成系統(tǒng)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(fā)生異常情況時，能使程序及時復位，保證單片機系統(tǒng)能夠正常工作；串行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；數據采集和處理程序主要完成模擬量和開關量的采集，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，用于控制指示燈和儀表的顯示輸出。圖3為汽車駕駛模擬器單片機軟件系統(tǒng)的程序流程圖。 3結論 基于單片機的數據采集系統(tǒng)成本相對較低，接口的可擴展性好，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(tǒng)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(fā)的汽車駕駛模擬器中得到了應用，取得了較好的效果。 參考文獻： [1]尹念東,陳定方,李安定.基于OpenGVS的分布式虛擬汽車駕駛視景系統(tǒng)設計與實現[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2006年06期
[2]李安定, 陳定方.基于OpenGVS的汽車駕駛模擬器場景建模技術研究[J].工程設計學報, 2006年05期
[3]董浩明.基于汽車模擬駕駛器的三維視景交互式優(yōu)化建模研究.武漢：武漢理工大學（碩士論文）2006年6月
[4]蔡朝洋.單片機控制實習與專題制作[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006年11月，第一版 本文來源：EDN 作者：黃石理工學院機電工程學院 邱旋 尹念東 李安定 |
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