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1、摘要随着汽车工业及高速道路的快速发展，人们对汽车的舒适性、安全性要求越来越高，对汽车的维修检测技术也提出了新的要求。作为车辆检测的一项重要内容，车轮定位参数的检测对整车性能的影响举足轻重，其中汽车前束测量是汽车四轮定位检测的一个重要环节。汽车四轮定位仪作为测量和校准四轮定位参数的基本检测一起，越来越被汽修行业所重视，且成为汽修厂的必备设备。美国MOTOR杂志评选的2008年度全美20佳维修工具就有三个是四轮定位仪。目前，国产四轮定位仪在性能和可操作性上都与进口产品存在一定差距，而进口四轮定位设备价格昂贵，售后服务困难。因此，研制性能优异、功能完善的四轮定位仪，不仅具有一定的实用意义，而且拥有良
2、好的市场前景。本文首先介绍了四轮定位中前束测量技术的现状，然后在研究汽车前束的主要参数测量原理的基础上，探讨一种高可靠性、高精度的汽车前束测量单元。本文针对四轮定位中前束测量单元，研究一种基于ARM7处理器控制下的前束测量解决方案。该前束测量单元实现了蓝牙无线通讯、8束封闭式红外PSD检测。关键字：前束；PSD；ARM7；四轮定位；蓝牙 AbstractWith the rapid development of Chinese auto industry and the growing length of high-speed road, people want more comfortabl
3、e and higher safety. And it also put forward a new demand in car repairing and testing technology. As an important aspect of car tasting, the detection of car wheel alignment parameters holds the balance of the car capability. And，an impertant part of the four wheel alignment instrument is the toe-i
4、n measurements. For the reason above, car wheel alignment instrument, a basic detecting instrument that measures and adjusts the parameters of four wheels alignment mast pretend an important role in car repairing industry and be absolutely necessarily. The best 20th repairing instruments chosen by A
5、merican MOTOR magazines through public appraisal in 2008 contain 3 four wheel alignment instrument.Nowadays, our own four wheel alignment instrument has a disparity with importation in handling and capability. And also the importation is costliness and has bad services. To this point, it has a pract
6、ical significance and good market prospects to develop a high-performance and full-featured four wheel alignment. First, this paper introduces the actuality of the toe-in measurements technology, and then reaches the principle of the detection of measuring the toe-in alignment parameters, above whic
7、h a high-reliability, high-precision toe-in alignment instrument based on embedded system is developed. The toe-in alignment instrument sensor system is developed based on ARM7（LPC2132）, which integrated the digital circuit. The system realize the Bluetooth communication, 8 closed infrared PSD detec
8、tion. Key words：toe-in；PSD；ARM7；four wheel alignment；bluetooth；目录1 绪论11.1 汽车前束检测的必要性11.2 汽车前束测量技术发展概况21.3 课题研究的意义31.4 研究目标、研究内容31.5 拟解决的关键问题42 汽车前束检测理论52.1 汽车前束定义及其作用52.2 汽车前束测量的测量原理62.2.1 汽车前束的测量原理62.2.2 汽车前束测量的数学模型73 基于ARM7的汽车前束测量系统93.1系统总体方案93.2 硬件系统93.3 软件系统104 汽车前束测量系统总体硬件实现114.1单片机单元设计114.1.1
9、单片机选型114.1.2 LPC2132芯片引脚124.1.3 LPC2132 结构框图124.1.4 单片机电源模块设计134.1.5 系统复位电路模块144.1.6 数据标准转换电路144.1.7 JTAG接口电路154.1.8 系统时钟电路164.2传感器单元设计174.2.1 PSD传感器选型174.2.2 PSD结构及原理184.2.3 PSD信号处理电路194.2.4 红外发光电路214.3 蓝牙通信单元设计224.3.1蓝牙选型234.3.2蓝牙模块及其接口电路244.4 显示单元设计244.4.1 液晶显示选型244.4.2 LCD192x64液晶显示屏概述254.4.3 LC
10、D192x64的引脚功能254.4.4 LCD192x64液晶与LPC2132连线电路图264.5 键盘单元设计275 汽车前束测量系统软件部分295.1 开发调试环境305.2数据采集模块设计305.3 液晶显示模块程序设计325.3.1 LCD19264读写时序335.3.2 LCD19264液晶显示模块的指令代码335.3.3 程序设计355.4 蓝牙通信部分386 传感器标定及试验验证426.1 传感器的零点标定426.2 轮辋补偿436.3 前束的调整447 技术经济分析457.1 技术经济定义457.2技术经济评价458 结论48致谢49参考文献50附录A51附录B.581 绪论近
11、年来，随着我国汽车工业的快速发展和汽车保有量的大幅增加，汽车检测技术也得到了巨大的进步。汽车检测设备的功能、质量都在不断提高，正逐步向数字化、智能化、便携化方向发展。前束测量单元是用于测量和校准汽车的车轮定位参数的汽车维修行业核心设备四轮定位仪的重要组成部分。1.1 汽车前束检测的必要性为保证汽车稳定的直线行驶，应使转向轮具有自动回正作用，即当转向轮在偶然遇到外力(如碰到石块)作用发生偏转时，在外力消失后能立即自动回到直线行驶的位置。这种回正作用是由转向轮的定位参数来保证实现的。前轮前束就是这些定位参数中的一种。为了消除车轮外倾带来的不良后果，在安装车轮时，使汽车两前轮的中心面不平行，两轮前边
12、缘距离小于后边缘距离，两者的距离之差即为前轮前束。为了保持合适的前轮前束值，需要定期进行四轮定位。现代轿车的四轮定位是指车轮的悬架系统零部件及转向系统零部件安装到车架上的几何尺寸必须符合规定要求的程度，从而确保汽车直线行驶的平稳性、转向时操作的轻便性以及转向轮回正的正确性。四轮定位仪是一种反映四个车轮相互角度变化的一种检测仪器，它不能忽略因后轮角度变化对前轮乃至整个车行驶的影响，它通过装夹在汽车四个轮胎上的定位传感器，准确测得车轮定位状态参数，并由电脑自动与相应车型的存储值对比，计算出被检汽车车轮定位的偏差值，维修人员只需按照仪器的提示进行修正，即可将四轮定位参数调整到出厂值。如果车轮定位失准
13、，就会加剧轮胎、转向部件的不正常磨损，导致前轮摆振，操纵性能变坏，同时严重的影响车辆的行驶安全，其后果不堪设想。因此，在车辆的使用过程中做好车辆的车轮定位检查是一项关键性工作。以下情况需要做四轮定位：(1) 每行驶10000公里或六个月后；(2) 新驾驶3000公里后；(3) 直行时车子往左或往右拉；(4) 直行时需要紧握方向盘；(5) 感觉车身会漂浮或摇摆不定；(6) 前轮或后轮单轮磨损；(7) 安装新的轮胎后；(8) 碰撞事故维修后；(9) 换新的悬挂或转向有关配件后。1.2 汽车前束测量技术发展概况为保证汽车的操纵稳定性，汽车的车轮、转向节和车轴三者之间的安装具有一定的相对位置，这种具有
14、一定相对位置的安装称为前轮定位。前轮定位包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。对两个后轮来说也同样存在与后轴之间安装的相对位置，称为后轮定位。后轮定位包括后轮外倾和后轮前束。前轮定位和后轮定位总称四轮定位。由此可知，汽车前束测量系统是四轮定位仪的重要组成部分之一。所以从一定程度上，可以说汽车前束测量技术的发展等同于四轮定位技术的发展。车辆在出厂时，定位角度都是根据设计要求预先设定好的。这些定位角度用来共同保证车辆驾驶的舒适性和安全性。车轮定位检测技术的研究较早，在上世纪50年代国外就研制了相应的检测诊断设备，如美国、法国、德国、荷兰、日本以及意大利等。发展至今，其自动化程度和检测精度以及
15、人性化方面都有了很大的提高。车轮定位检测技术的发展主要经历了三个阶段：第一阶段为几何中心线定位：即以几何中心线为参考做前轮定位；第二阶段为推力线定位阶段：即通过测量后轮找到推力线定位前轮，仍为两轮定位；第三阶段就是完全四轮定位阶段：即首先做单独后轮定位，检测出两个后轮的单独前束，调节后轮前束，使推力角为0，这样调节后的推力线应与几何中心线重合。前轮定位用重合的推力线和几何中心线作为参考。两个后轮也要独立调整，这就是新型轿车设计四轮独立悬挂结构的原因，实现了完全四轮定位。按四轮定位仪的通讯方式何以分为有线通讯和无线通讯两种方式。有线通讯是指四轮定位仪上位机和传感器系统之间，传感器系统和传感器系统
16、之间采用电缆进行数据同步。有线通讯一般采用RS485总线进行通讯，抗干扰性强，稳定可靠。但是有线通讯的相对故障率高，使用的方便性低。无线通讯主要采用红外、蓝牙以及其他RF模块等进行数据的同步。红外通讯采用非常成熟的红外通讯技术，且成本较低，因此也是一种好的无线通讯方式，至于它的不好处都是相比较而言的，它与蓝牙通讯比较，有怕强光、怕阻挡等不利因素，因此对环境要求较高。而蓝牙通讯便不存在这种问题，它不怕阻挡，不怕光，数据吞吐量较大，但它怕强无线电干扰，（比如2003年的太阳黑子对整个世界的无线电通讯都造成影响），另外由于其历史短，成本较高。其他RF模块，如zigbee等，正在逐渐成熟，并应用到四轮
17、定位仪中。1.3 课题研究的意义如今，汽车前束测量技术的发展仍处于产品的成长期，国外四轮定位厂家只有不超过10家，国内生产四轮定位的有近50家，除去贴牌生产的后，真正能够自己生产的也就在20家左右。他们或是同国外厂家合作授权生产国外中低端产品，或是干脆盗用他人技术自行生产，而真正拥有研发能力，并用之于生产的不超过5家。据估计，2012年左右，当年中国新车销售量将逾1000万辆；2020年，可能超过2000万辆，成为世界最大的汽车消费市场。按照正规要求，汽车行驶5000公里或6个月左右就应重新做定位，所以，以通过定位角度测量诊断车辆的上述不适病因并予以治疗使其符合出厂时的技术要求为目的的四轮定位
18、仪市场潜力剧增。汽车前束测量技术涉及了机械、光学、电子、计算机软件、数学模型等多个领域的知识，且互相联系、缺一不可。伴随着科学进步，汽车前束测量产品也将得到进一步完善和提高。由于汽车前束测量涉及多个领域的技术，导致很长的时间内，进口品牌技术优势的不可撼动，高端市场的稳固，而对于国内品牌来说，发展将是一个乱战的漫长过程，由于缺乏自身成熟的品牌文化和技术实力，仅能借鉴或开发先进技术逐步向中高端市场的渗透。因此，开展此方面的研究是很有必要的。1.4 研究目标、研究内容汽车前束检测是汽车四轮定位的一部分。四轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。由于各
19、汽车生产厂家对四轮定位原设计的不同、制造的不同，使得各轮的各种倾角和束值就各有不同，并且有可调部分和不可调部分之分。做四轮定位就是通过四轮定位仪，检测出被测车辆的各轮倾角和束值是否符合原厂标准，如不符合可做随机调整。换句话说，当驾驶员感到方向转向沉重、发抖、跑偏、不正、不自动复位或者发现轮胎单边磨损、波状磨损、块状磨损、偏磨等不正常磨损以及驾驶时车感飘浮、颠颤、摇摆等不正常的驾驶感觉，行驶中转向盘不正或行车方向的跑偏现象出现时，就应考虑做四轮定位了。汽车前束就是四轮定位相关的因素之一。前束：前轮前束是从车辆前方看，于两轮轴高度相同之下测量，左右轮胎中心线其前端与后端距离之差值称为总前束。前束的
20、作用是消除由于外倾角所产生的轮胎侧滑。随着汽车数量的迅猛增长，汽车检测设备的数量和质量都在不断的提高。作为车辆检测的一项重要内容，车轮定位参数检测对整车安全性能的影响举足轻重。如果车轮定位参数不正常，将导致轮胎的异常磨损、行驶跑偏、车轮摆振、转向沉重、油耗增加等问题，直接影响汽车的行驶安全。四轮定位仪涉及多个领域的技术，这也导致在很长的时间内，进口品牌技术优势的不可撼动，高端市场的稳固，而对于国内品牌来说，发展将是一个乱战的漫长过程，由于缺乏自身成熟的品牌文化和技术实力，仅能借鉴或开发先进技术逐步向中高端市场的渗透。因此，开展此方面的研究是很有必要的。1.5 拟解决的关键问题主要解决以下方面的
21、问题：1、汽车前束参数测量原理和测量数学模型的研究；2、硬件设计:传感器的选型；传感器信号处理电路的设计；下位机控制系统设计等；3、软件设计:下位机程序设计；4、对传感器的标定。2 汽车前束检测理论 汽车前束测量技术随着汽车、发动机、传动装置/驱动桥、汽车转向系以及电子悬架的技术发展而迅速进步。随之导致汽车的前轮定位迅速淘汰，先进的四轮定位技术已经集成于现代汽车之中，四轮电子悬挂驱动逐渐取代前轮驱动。在电子信息化的汽车系统中，一个测量技师可以容易的校正汽车车轮同轴度，避免了繁琐的步骤。然而不正确的定位角度会影响发动机的性能、行驶跑偏、转向沉重、轮胎的异常磨损，因此，四轮定位是十分重要的。图2-
22、1 汽车前束Fig.2-1 Toe-in of the car2.1 汽车前束定义及其作用 从车辆后方看，左右轮胎垂直中心线与车轴等高水平中心线相交的两点距离与转到前方180度同一两点间距离的差值称为前束值，如图2-1所示。前端距离大于后端距离为负前束，总前束是由左右两个车轮的分前束角之和来计算的，是以车轮几何中心线为基准的；单独前束是指车辆中心线与单个车轮旋转平面间的夹角。合适的汽车前束有降低轮胎磨损与滚动磨擦的作用。如果正前束太大会造成轮胎外侧快速磨损。对子午胎，会有类似正外倾角太大所形成的磨损形态。磨损形式为锯齿状或块状。当用手由轮胎之内侧向外侧抚摸，胎纹内缘有锐利的感觉。如果负前束太大
23、会造成转向不稳定，直行性差，车轮发抖，轮胎内侧快速磨损。对子午胎，会有类似负外倾角太大所形成的磨损形态。磨损形式为锯齿状或块状。当用手由轮胎之外侧向内侧抚摸，胎纹内缘有锐利的感觉。2.2 汽车前束测量的测量原理目前常用的四轮定位仪有拉线式、光学式、电脑拉线式和电脑激光式四种，它们的测量原理是一致的，只是采用的测量方法(或使用的传感器的类型)及数据记录与传输的方式不同，下面介绍四轮定位仪可测量的几个重要检测项目的测量原理。2.2.1 汽车前束的测量原理在测量前束时，必须保证车体摆正且方向盘位于中间位置，为了提供车轮前束值（或前束角）的测量精度，无论是拉线式、光学式还是电脑式的四轮定位仪，在检测车
24、轮前束之前，常通过拉线或光线照射或反射的方式形成一封闭的直角四边形如图2-2所示。将待检车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上的光学镜面或传感器不仅可以检测前轮前束、后轮前束，还可以检测出左右车轮的同轴度（即同一车轴上的左右车轮的同轴度）及推力角。因为四轮定位仪系统采用的传感器不同，测量方法亦有所不同。 图2-2 封闭四边形示意图Fig.2-2 Schematic Diagram of Closed Quadrilateral2.2.2 汽车前束测量的数学模型车轮定位参数的测量包括方向盘打直测量、后轮各参数的测量、前轮各参数的测量、轴距轮距差的测量等内容。1、方向盘打直测量 (2-1) (2-2
25、) 其中和分别为右前轮和左前轮的前束；、分别为各PSD传感器的测出值；、分别为各PSD传感器的标定值；X为轴距；Y为轮距。2、后轴前束的测量左后轮前束： (2-3)右后轮前束： (2-4)其中，和分别为右后轮和左后轮的前束。后轮总前束：左后轮前束与右后轮前束之和，即 (2-5)其中，是后轮总前束。3、前轮前束的测量左前轮前束： (2-6)右前轮前束： (2-7)其中， 和分别为左前轮和右前轮的前束。前轮总前束：左前轮前束与右前轮前束之和，即 (2-8)其中，是前轮总前束。3 基于ARM7的汽车前束测量系统3.1系统总体方案汽车前束的测量采用了PSD传感器，沿袭了传统的传感器选择。但是本系统传感
26、器是用了ARM7作为处理芯片，在汽车前束测量单元中使用ARM系列芯片目前很少见。由于ARM系列芯片优越的处理性能，这将引领和推动汽车前束测量技术的发展。3.2 硬件系统下位机硬件系统包括传感器主板、PSD传感器模块、红外发光电路、蓝牙通讯模块。下位机主板选用飞利浦公司的ARM7-LPC2132作为处理芯片。本汽车前束测量单元包含4个传感器系统。传感器系统为ARM7控制的PSD数据采集系统，分别位于左前轮、左后轮、右前轮和右后轮机头的壳体内。8个PSD传感器用于测量水平平面内车轮各定位角度。传感器系统之间通过蓝牙模块进行无线数据传输，如图3-1所示。本系统中采用的是红外敏感的一维PSD，该PSD
27、传感器光源由红外发光二极管产生。每个PSD传感器组件由红外发光二极管、透镜和PSD传感器等三部分组成，PSD的光敏面位于透镜的焦点处。测量时，被测车轮对面的发光二极管发出的红外光经透镜聚焦到PSD光敏面上，在PSD两个电极形成两个电流，该电流与光照强度成正比。对所测处理后可计算出四轮定位中的前束和推进角等。图3-1下位机硬件系统结构Fig.3-1 The system structure of the PXI3.3 软件系统汽车前束测量传感器系统的软件主要包括PSD数据采集、蓝牙通讯、数据处理以及测量控制等组成。当传感器系统接收到上位机所发出的控制指令时，便进入相应的操作状态。每步操作传感器系
28、统会发出相应的数据，并将数据发送给上位机。同时同侧的传感器还要相互联系，这些协调工作都是由单片机软件系统控制实现的。图3-2下位机软件系统结构Fig.3-2 The system structure of the PXI4 汽车前束测量系统总体硬件实现从本章开始将进行实验装置的硬件系统设计，也就是汽车前束测量单元的硬件部分设计。嵌入式系统 (Embedded System)是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及一些特定的应用程序组成，用于实现对其它设备的
29、控制、监视或管理功能。本实验装置设计就是一个典型的嵌入式系统设计，主要包括四个部分：单片机单元设计；传感器单元设计；蓝牙通信单元设计；显示单元设计；键盘单元设计。本章是硬件系统设计，每个单元将分别对所用元件进行选型，详细介绍所用元件的详细资料，使用方法以及与单片机的连线图的设计。通过本章的设计，汽车前束测量单元的硬件设计将全部完成。实验支架的设计将在机械系统设计部分完成。4.1单片机单元设计4.1.1 单片机选型本试验装置是基于单片机设计的，单片机是整个汽车前束测量单元的大脑中枢，数据的采集和输出都是由它控制。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的
30、品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。但与全球PC市场不同的是没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以32位的CPU而言，就有100种以上嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。本实验装置拟采用ARM系列的LPC2132单片机。LPC21312具有众多优点，低功耗，兼容性好，这都是本实验装置所需要的。另外，指令集丰富、大量使用寄存器，为汽车前束测量单元的升级提供了方便。选择ARM系列的LPC2132是本实验装置的最佳选择。单片机设计单元主要构成部分有单片机LPC2132最小系统电路，数据标准转换电路，电源电路，系统手动复位监控电路，
31、系统时钟电路，JTAG接口电路。单片机的设计主要是单片机引脚的选择以及寄存器的设置，所以设计之前必须对所使用的单片机性能有透彻的理解，对单片机引脚描述以及寄存器的使用有准确的认识，以便能够正确的，合理的利用单片机的资源。4.1.2 LPC2132芯片引脚单片机的主要任务就是从计算机串口下载算法及数据，在单片机内进行处理后，手动开关转为运行模式后，就可以检测各引脚状态，单片机已经将64个引脚引出，方便调试，如图4-1所示。P0、P1口都是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制。P0口共有31个引脚，但P0.31仅为输出口，P0.24未用。除用作A/D输入的引脚外，所有P0引脚最大可承受5V
32、的电压。图4-1 LPC2132引脚Fig.4-1 Pin of LPC21324.1.3 LPC2132 结构框图LPC2132方框图，如图4-2所示。LPC2132包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线AHB（Advanced High-performance Bus）和连接片内外设功能的VLSI外设总线VPB(VLSI Peripheral Bus)。AHB与VPB通过桥相连。LPC2132的外设功能都连接到VPB总线。片内外设与器件引脚的连接由引脚连接模块控制，以符合外设功能与引脚在特定应用中的需求
33、。图4-2微控制器LPC2132结构框图Fig.4-2 LPC2132 microcontroller structure diagram4.1.4 单片机电源模块设计微控制器内核和I/O使用统一电源电压，只需工作电压为3V。本系统实验装置采用5V供给单片机。由USB接口输入5V直流电源，经转换电路转换为3.3V。系统电源电路图如图4-3所示，SPX1117M3-3.3的特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在1以内，还具有电流限制和热保护功能。图4-3电源Fig.4-3 Power Development Board4.
34、1.5 系统复位电路模块由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态相应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出更高的要求。本次的设计开发平台的复位电路使用了带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025，提高了系统的可靠性，电路图如图4-4所示。图4-4 系统复位电路Fig.4-4 System reset circuit在图4-4中，信号nRST连接到LPC2132芯片的复位脚。当复位键RST按下时，CAT1025的引脚立即输出复位信号，使LPC2132芯片复位。4.1.6 数据标准转换电路由于系统电源是3.3V，所以应该用MAX3221E（3V至5
35、.5V单通道RS-232线驱动器/接收器）进行RS-232电平转换，转换电路如图4-5所示。MAX3221包含一个线驱动器一个线接收器和一个带有15kV ESD保护的双电荷汞，该器件可满足TIA/EIA-232-F要求并在一个异步通信控制器和串行端口连接器之间提供接口电荷汞和四个小型外接电容器可在单路3V至5.5V电源电压下工作这些器件在数据信号率达到250 k bit/s且最大的30V/ s驱动输出回转率时工作。图4-5 RS-232数据标准转换电路接口Fig.4-5 RS-232 data interface standards converter circuit 4.1.7 JTAG接口
36、电路采用ARM提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义与LPC2132的连接如图4-6所示。图中，JTAG接口上的信号nRST 连接到LPC2132芯片的引脚，以达到控制LPC2132内部JTAG接口电路复位的目的。根据LPC2132的应用手册说明，在RTCK引脚接一个4.7K的下拉电阻，使系统复位后LPC2132内部的JTAG接口使能，这样就可以直接进行仿真调试了。对于LPC2132ARM7微处理器芯片来说，固化程序到片内Flash可通过两种方式实现：JTAG接口下载和使用ISP功能下载。不管shiyong 那一种方式，用户均要先设置编译链接的地址，即代码地址从0x00000
37、000地址开始。使用JTAG接口下载程序到Flash需要JTAG仿真器的支持。EasyJTAG仿真器可支持LPC2132微处理器的片内Flash下载这样就可以使用该功能将程序相爱在到Flash中，以便脱机运行。图4-6 JTAG仿真调试接口Fig.4-6 JTAG Debugging Interface Simulation4.1.8 系统时钟电路LPC2000系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率为130 MHz，外部时钟频率为150 MHz。若
38、使用了片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率为1025 MHz，外部时钟频率为1025MHz。实验开发平台使用了外部11.0592 MHz晶振，如图4-7所示。用11.0592 MHz晶振的原因是使串口波特率更精确，同时支持LPC2312为控制器芯片内部PLL功能和ISP下载功能。图4-7 系统时钟电路Fig.4-7 System clock circuit以上介绍了主控芯片 LPC2132 的芯片属性和主要功能模块，给出应用这一芯片对本系统的积极作用。4.2传感器单元设计位置敏感元件(Position Sensitive Detector，简称PSD)是一种对光敏面上入射光位置敏感的
39、光电探测器，即当入射光点落在器件光敏面的不同位置时，相应地输出不同的光电流信号，通过对输出信号的处理，确定入射光点在器件光敏面上的位置。PSD具有位置分辨率高、光谱响应范围宽(从可见光、红外光到微波)、响应速度快等主要特点。此外，位置信号与光斑大小、形状及焦点无关，仅与入射光斑的光通量密度分布的重心位置有关；受光面内无盲区，可同时测量位移及光功率；测量的位置信号连续变化，没有突变点，故能获得目标位置连续变化的信号，可达到极高的位置分辨准确度；使用中不需要扫描系统，极大地简化了外围电路。4.2.1 PSD传感器选型位置敏感探测器PSD作为80年代发展起来的一种新型位置探测器，与其它光电器件相比，
40、有许多独特的优点：( 1 ) 没有工作死区， 可以给出光点在整个光敏面上移动的连续性位置数据。( 2 ) 分辨率高，响应速度快，线性较好。( 3 ) 不需要扫描，从而简化了外围电路，具有较高的性价比。( 4 ) 检测时不受入射光束的形状以及光强波动的影响。综合PSD器件的特点，并结合本课题的技术要求，选择日本滨松光子株式会社生产的一维光电传感器：S3271硅PSD传感器，如图4-8所示。它有以下性能:( 1 ) 感光范围(nm) ：7001100( 2 ) 最大感光波长() ：960( 3 ) 感光强度( A / W) ：0.55( 4 ) 位置检测误差() ：-100+100( 5 ) 极间
41、阻抗() ：15( 6 ) 响应速度() ：1.0( 7 ) 位置分辨率() ：2.8( 8 ) 有效光敏面尺寸(mm) ：37x1 图4-8 PSD实物图 Fig .4-8 Position Sensitive Device 4.2.2 PSD结构及原理PSD的工作原理基于半导体的横向光电效应，图4-9显示了其结构原理图。PSD由三层构成，最上一层是P层，下层是N层，中间插入较厚的高阻I层，形成P-I-N结构，此结构的特点是I层耗尽区宽，结电容小，光生截流子几乎全部都在I层耗尽区中产生，没有扩散分量的光电流，因此响应速度比普通P-N结光电二极管要快得多。当PSD表面受到光照射时，在光斑位置处
42、产生比例于光能量的电子一空穴对流过P层电阻，分别从设置在P层相对的两个电极上输出电流I1和I2，由于P层电阻是均匀的，电极输出的光电流反比于入射光位置到各自电极之间的距离，光电流I1和I2可以用下面的两种方式表示： 图4-9 PSD原理图Fig.4-9 Schematic Diagram of PSD（1）当坐标原点在PSD中心时： (4-1) (4-2)（2）当坐标原点选在PSD一端时： (4-3) (4-4)由上式可知I1， I2是光能量（I0）与位置的函数，实际应用中，由于光源光功率的波动与PSD间距离的变化，I0并不是一个恒定值，为了消除I0的影响，通常把输出电流的差与和相除作为位置检
43、测信号，既：（3）当坐标原点在PSD中心时： (4-5)（4）当坐标原点选在PSD一端时： (4-6)因此，只要检测出了I1和I2的大小，即可以算出光点所处的位置。4.2.3 PSD信号处理电路当允许将PSD封装起来使用而且入射光比较强时，可以忽略背景光电流和暗电流，PSD的信号处理电路可采用最简单的直流模式，即采用恒定连续光源，光电流为直流信号，处理电路框图如图4-10所示，前置处理部分将从PSD两电极输出的微弱电流信号转换成电压并放大，运算处理部分按照位置公式将两路电压信号相加、相减和相除，最终输出位置信号。图4-10 PSD信号处理电路方框图Fig .4-10 Signal Proces
44、sing Circuit of PSDPSD以光电流形式输出两路信号I1和I2，由于红外发射管与PSD之间存在一定的距离，所以PSD光敏面上接收到的光能量较小，致使PSD输出的光电流极其微弱，因此适配合适的电路对光电流的提取是致关重要的。本文将坐标原点设置在PSD光敏面中心点，一种实用的一维PSD信号处理电路如图4-11所示，由反相放大器实现电流-电压变换，当运算放大器的输入基极电流很小时，输出电压与输入电流之间满足线性关系，即U1= -I1RF，该级运放的质量直接影响到系统的噪声和测量精度，为了达到比较高的测量精度，该级运放应选用输入基极电流小、输入偏置电流小、输入失调电压很小、温度系数小、
45、输入电阻高的运算放大器，并且在反馈电阻两端并联小电容以减小噪声。这种电路的输入电阻极低，约为： （4-7）Zi 为是运放开环输入阻抗，G是运放开环增益。图4-11 PSD信号处理电路Fig .4-11 Signal Processing Circuit of PSD反馈电阻的阻值根据入射光强度而定电流信号从JP4_3和JP4_4进入，经过反向比例运算，然后分别作反向加法（左上U1+U2 ）和差分比例运算（左下U1-U2）。根据公式（4-5），PSD的偏移量就等于：L*（U1-U2）/(U1+U2) 上述PSD信号处理电路中的前置放大、加法器、减法器和除法器都是模拟电路，电路的噪声、温漂等都会给
46、电路的精度带来很大的影响，这种处理电路通常不需要计算机进行信息处理与控制时采用。很显然,电路中的加法、减法和除法功能完全可以通过直接的数学运算来实现。对于需要通过计算机进行信号处理的PSD测量系统，可以采用软件来实现原PSD处理电路中的加法器、减法器和除法器的模拟运算，其原理框图如图4-12所示。图4-12 PSD信号处理电路Fig .4-12 Signal Processing Circuit of PSDPSD输出信号通过运放电路直接与数据采集卡相连,经A/D变换将PSD的两路模拟信号变换为数字信号，送入计算机进行加法、减法和除法的运算,得到入射光点在PSD上的位置.采用这一方法有以下几个优点：（1
