摘  要： 設計了駕駛操作數據采集系統。該系統包括傳感器和駕駛動作記錄儀兩部分。根據傳感器選型和布設的原則，結合需要采集的車輛狀態和操縱機構動作信息，對傳感器進行了設計；并從硬件、主程序設計兩方面對駕駛動作記錄儀進行了設計。通過在實車搭建駕駛操作數據采集系統采集數據，驗證了系統的可行性。
關鍵詞： 駕駛訓練； 數據采集系統； 坦克

    在我軍坦克駕駛訓練過程中，由于缺少信息化輔助手段，教員無法捕捉和再現駕駛員的操作細節，只能憑借主觀感覺來判斷訓練效果[1]，不利于實施針對性的指導，影響了訓練效率。本文通過對傳感器的選型和對駕駛動作記錄儀的設計，搭建了駕駛操作數據采集系統，實現了對駕駛操作的數字化記錄，為進一步深入分析駕駛動作和評價駕駛技能奠定了基礎。
1 傳感器設計
1.1 傳感器選型與布設的原則
　傳感器的合理選型與布設是準確采集駕駛動作數據以及后期深入分析與評判駕駛情況的基礎，是數據采集系統的重要組成部分。在傳感器的選型和布設上應考慮以下幾點[2]：
　(1) 在傳感器數量上，應盡量布設多的傳感器來采集數據，以確保識別與評判的全面性與準確性；
　(2) 在傳感器的性能上要達到：①傳感器自身工作性能的穩定可靠及抗干擾能力；②傳感器應該具有較高的響應速度和較寬的頻率響應頻帶；③傳感器應具有較高靈敏度和測量精度；④側重應用現有成熟技術，一方面考慮到經濟性和適用性，另一方面考慮到傳感器在車內相對惡劣的工作環境。
　(3) 在傳感器的布設上要做到與駕駛互不干涉。傳感器的布設不能影響正常的駕駛動作的進行，駕駛動作也不能影響到傳感器的工作。
1.2 傳感器的選型
　合格的駕駛員應對車輛和路面環境狀況進行全面掌握，并對操縱機構做出正確的操作。數據采集系統主要對車輛狀態、操縱機構動作進行實時采集。根據傳感器選型與布設的原則，本文通過在主離合器踏板、操縱桿、檔位桿、油門踏板和制動器踏板等操縱裝置上安裝傳感器，采集駕駛過程中動作信息。通過對現有發動機轉速表、車速里程表的改裝，采集車速和轉速信息，具體的傳感器選擇方案分析如下。
    油門踏板、主離合器踏板、制動器踏板等操縱桿件都是繞各自轉軸按照給定軌跡運動，狀態隨時間連續變化。相對于拉線式位移傳感器，角位移傳感器固定更加方便，受外界振動干擾更小。因此，選用角位移傳感器采集上述操縱件的動作信息。
　變速桿共有空擋、1擋、2擋、3擋、4擋、5擋、6擋7個狀態，采用光電開關傳感器采集變速桿的信息。
　本文對車速和發動機轉速信號采集裝置進行了自主設計。某型坦克發動機轉速表的工作原理是發動機曲軸旋轉后，通過聯動機構帶動轉速表感受器的轉子旋轉，轉子（2對永久磁鐵）的磁力線切割定子上的三相定子繞組，產生三相交流電，這個電壓、頻率均隨轉子轉速成正比變化的三相交流電通過三芯電纜輸送到轉速表的指示器，這樣，轉速的變化就轉變為頻率的變化，以脈沖信號的形式傳遞到轉速表指示器，經電磁耦合器處理后輸出。這個脈沖信號中包含了轉速的信息。基于此，選用頻率電壓轉換模塊將脈沖信號轉換成電壓模擬量輸出，實現對發動機轉速信號的采集。該方法不需要額外添置傳感器，選用的頻率電壓轉換模塊體積小，安裝方便可靠，具有較大的優勢。車速里程表的工作原理與轉速表類似，因此采用同樣的方法來采集車速信息。
　采用的傳感器類型及輸出方式如表1所示。表中，輸出通道總數共包括3路模擬量、6路數字開關量（變速桿包含6路數字開關量）和2路脈沖信號。采用NI公司的DAC0832芯片實現D/A轉換，將變速桿的6路數字開關量轉換成1路模擬量輸出,節省了采集通道，簡化了采集系統的結構。通過輸出量的模擬化處理，實現了所有狀態信息的模擬電壓輸出。

2 駕駛動作記錄儀設計
2.1 記錄儀總體設計
　駕駛動作記錄儀主要由微處理器、數據采集模塊、信號調理模塊、U盤/SD卡讀寫模塊、電源模塊和按鍵開關組成。總體設計如圖1所示。

2.2 系統硬件設計
2.2.1 微處理器選擇
　目前單片機的發展較成熟，能保證系統對實時性、大量數據的處理能力、擴展接口等各方面的要求，且價格相對較低，是記錄儀微處理器的首選[3]。單片機核心系統設計選用了飛思卡爾的S12X系列16 bit微控制器MC9S12XDP512及其外圍電路，硬件核心電路圖如圖2所示。它采用了增強核心和增強外圍設備，提高了總線頻率(最高可達40 MHz)，并且具備完全的CAN功能和一個平行處理的XGATE模塊。XGATE模塊是一種高效的協處理器，可提高高達80 MIPS的額外處理能力，能夠減少通信負擔,避免核心功能與中斷處理之間的沖突。系統采用微處理器內部的A/D轉換模塊,具有10 bit采樣精度和7 μs轉換時間(143 kHz)。CAN通信模塊和串口通信模塊能實現數據的遠程傳輸與快速通信。

2.2.2 數據采集模塊
    根據采樣定理：設信號采樣周期為TS，采樣頻率為f=1/TS，則采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍。為確保采樣后離散信號能恢復到原來的連續信號，需要遵循采樣定理，否則將會出現信號的嚴重畸變。因此需要首先找到所采集信號的最高頻率。
    在加速換擋過程中，加油沖車后，要求在松油門的同時踩下離合器,松油門與踩離合動作之間的時間差，反映了兩者的配合熟練與合理程度，以熟練駕駛員為依據，此時間差非常小，趨近于零[4]。挑選了10名等級駕駛員分別進行加速換擋過程，以500 Hz的采樣頻率采集該過程離合器踏板與油門踏板的信號。松油門與踩離合動作之間的平均時間差為0.052 s。根據采樣定理，要想得到該信號的真實信息，信號采樣頻率至少為39 Hz。在實際應用中，一般采樣頻率取被采樣信號最高頻率的5~10倍[2]。本文設置信號采樣頻率為100 Hz。
　駕駛動作記錄儀利用MC9S12XDP512芯片內置的A/D轉換模塊進行信號采集。按照傳感器選型方案設計8個傳感器接口。采用ECT定時中斷的方式實現狀態信息的定時采集，由于A/D轉換、數據處理以及數據的寫入所需時間小于1 000個周期，定時器的時鐘周期設置為4 μs，因此設置1 250個周期產生一個中斷，中斷的周期大約為10 ms，即設置的采樣頻率為100 Hz。
2.2.3 U盤/SD卡讀寫模塊模塊
　駕駛動作記錄儀數據存儲采用PB375單芯片，通過與微處理器進行串口通信實現駕駛訓練動作數據的U盤存儲。
2.2.4 電源模塊
    車載電源電壓為24 V，而傳感器所需電壓和單片機系統及各功能模塊所需電壓分別為5 V，因此駕駛動作記錄儀在電源設計上采用雙電源5 V供電模式，以避免傳感器外部短路造成微處理器等器件損壞。
2.2.5 按鍵開關
　駕駛動作記錄儀設計了電源開關和信號采集開關。電源開關實現記錄儀供電、斷電；信號采集開關實現信號采集開始和信號采集結束。
2.3 軟件設計

    軟件設計主要包括主程序設計和定時中斷程序設計兩部分。主控程序負責系統初始化，操縱每個模塊的硬件設備并與之交互數據，而各個模塊用中斷的方式向主控程序發出請求，要求主控程序完成相應的操作。
    主程序運行后，首先進行初始化，然后查詢是否有串口通信介質。如果沒有串口通信介質，則一直處于查詢狀態；如果有串口通信介質，則創建txt文件，并打開定時中斷，判斷信號采集開關狀態。如果信號采集開關斷開，則關閉定時中斷，并關閉介質讀寫；如果信號采集開關閉合，則繼續判斷是否為采集寫入狀態。如果是采集寫入狀態，則進行數據采集和處理，然后存入串口通信介質，完成一個采樣周期后關閉定時中斷；如果不是采集寫入狀態，則返回上一級判斷。
    定時中斷按照定時器的時鐘周期通過中斷的開關完成對信號的定時采集。
    基本程序流程圖如圖3所示。

3 系統應用
    在實車上布置駕駛操作數據采集系統，駕駛員完成起車和一擋換二擋操作過程。將U盤存儲的數據導入基于Labwindows軟件設計的信號處理程序，完成駕駛數據的讀取。圖4所示為該駕駛過程中油門踏板、主離合器踏板、變速桿、制動器踏板等操縱件的狀態變化和車輛狀態變化的曲線圖。橫軸表示采樣時長(17 s)，縱軸表示各采集要素隨時間的狀態變化（單位V）。

    本文自主設計了駕駛操作數據采集系統，該系統實現了對駕駛訓練過程中駕駛員的操作動作和車輛狀態信息的數字化記錄。利用該數字化信息可以實現駕駛操作的定量分析，對深入研究駕駛訓練規律，提高駕駛訓練的效率具有重要意義。另外，可以進一步探索智能識別駕駛動作的方法，進而實現對駕駛技能的智能化評判，以及探索信息化條件下新的訓練方式。
參考文獻
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[3] 趙光遠，李業德.基于單片機的汽車制動踏板力計的設計[J].微計算機信息,2007,08(23)：255-257.
[4] 楊明濤.基于仿真交通環境下駕駛員換檔品質評價研究[D].吉林：吉林大學，2008.