摘要：動感系統(tǒng)是新型車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)的重要組成部分，它可以增強模擬駕駛訓練的真實感，這是新型車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)的獨特之處。詳細介紹動感系統(tǒng)的總體構想及其軟硬件設計。

關鍵詞：HMR3000；數(shù)字羅盤；nRF905；無線收發(fā)；動感系統(tǒng)；模擬駕駛

1 引言

　　車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)是一種利用現(xiàn)代技術手段模擬真車駕駛的仿真系統(tǒng)，它可以使汽車駕駛訓練更加安全、經(jīng)濟、高效和逼真。與現(xiàn)有車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)相比，新型車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)的獨特之處是增加了動感系統(tǒng)。該動感系統(tǒng)可以使駕駛員在模擬駕駛室內真實感受到模型車所行駛的沙盤路面的狀況，與實車在正常路面上行駛的感覺一樣，從而彌補現(xiàn)有車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)的不足，提高駕駛訓練的效果。

2 系統(tǒng)的組成及工作原理

　　新型車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)中的動感系統(tǒng)主要由動感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動感數(shù)據(jù)無線發(fā)收系統(tǒng)、動感平臺及其控制系統(tǒng)組成。

　　工作原理是：安裝于模型車上的動感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集模型車行駛過程中姿態(tài)的動感數(shù)據(jù)，通過無線收發(fā)系統(tǒng)將動感數(shù)據(jù)實時傳送到動感平臺控制系統(tǒng)，進而使動感平臺產(chǎn)生相應的動感。

3 硬件設計

3.1 動感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　動感系統(tǒng)的動感數(shù)據(jù)采集使用HMR3000型數(shù)字羅盤模塊。HMR3000是Honeywell公司的產(chǎn)品，它不僅可以測量磁場，還可以測量物體的姿態(tài)，實時準確地輸出被測物體的俯仰角、橫滾角和航向角。用單片機和HMR3000組合構建適用于機載或車載的測控系統(tǒng)，可廣泛應用于航海、通信雷達、微波定向、海上平臺控制、天線安裝、無人機、機器人、運動定向、自動控制等方面。HMR3000體積小、功耗低、精度高、價格便宜，是姿態(tài)測量用戶的理想選擇。

3.1.1 HMR3000的數(shù)據(jù)輸出格式

　　HMR3000數(shù)字羅盤按照NMEA0183的格式，通過所帶的RS-232接口輸出數(shù)據(jù)。輸出6種格式：HDG格式、HDT格式、XDR格式、HPR格式、RCD格式和CCD格式。動感系統(tǒng)采用的是如下所示的HPR格式：$PTNTHPR,x..x(航向)，a,x..x(俯仰角)，a，x..x(橫滾角)，a*hh該數(shù)據(jù)輸出格式將HMR3000的3個重要測量結果和相應的測量狀態(tài)結合在一起。數(shù)據(jù)中的x..x為所測的相應航向角、俯仰角和橫滾角的值，形式為n位ASCⅡ碼，單位可以是“度”也可以是“mils”。數(shù)據(jù)中的“a”表示測量狀態(tài)。測量狀態(tài)有以下6種：

　　L=LOW ALARM(低級報警)；

　　M=LOW WARNING(低級警告)；

　　N=NORMAL(正常)；

　　O=HIGH WARNING(警告)；

　　P=HIGH ALARM(報警)；

　　C=TUNING ANALOG CIRCUIT(調節(jié)模擬電路)。

　　如果1個輸出語句的3個狀態(tài)指示中有任何1個報警，航向位置將為空白。報警和警告的閾值可以在EEPROM中更改。

3.1.2 HMR3000的控制指令

　　工作：羅盤啟動，指令為#FAO.3=1*26<CR><1f>；

　　停止：羅盤停止，指令為#FAO.3=0*27<CR><1f>；

　　詢問：詢問羅盤啟動、停止狀態(tài)，指令為#FA0.3？*15<CR><lf>；

　　響應：有二種響應，工作狀態(tài)響應為#1*31<CR><lf>；停止狀態(tài)響應為#0*30<CR><1f>。

3.1.3 HMR3000的數(shù)據(jù)單位和進制的設定指令

　　數(shù)據(jù)單位可以分為“度”和“mils”二種。度=mils×9/160，其中，度的數(shù)值是0.0~359.9，而mils的數(shù)值是0~6 399。進制分為十進制和十六進制二種。設定數(shù)據(jù)單位和進制的指令如下：

　　#FA0.4=1*21<CR><lf> ∥殳定羅盤數(shù)據(jù)單位為“度”

　　#FA0.4=0*20<CR><lf> ∥設定羅盤數(shù)據(jù)單位為“mils”

　　#FA0.5=1*20<CR><lf> ∥設定羅盤數(shù)據(jù)為十進制

　　#FA0.5=0*21<CR><lf> ∥設定羅盤數(shù)據(jù)為十六進制

3.1.4 HMR3000數(shù)據(jù)采集速率的設定指令

　　HMR3000的數(shù)據(jù)輸出有6種格式，對應的數(shù)據(jù)采集速率格式也有6種，其中HPR格式更新速率指令為

　　#BAD=I*hh<CR><lf> ∥設定HPR的更新速率為“I”句/s

　　其中I的值可以設為0、l、2、3、6、12、20、30、60、120、180、300、413、600、825、1200。

3.1.5 HMR3000姿態(tài)數(shù)據(jù)的查詢指令

　　HMR3000啟動后會按照指定的工作模式發(fā)送數(shù)據(jù)，一般會選擇連續(xù)工作方式。需要查詢當前的數(shù)據(jù)狀態(tài)和具體數(shù)值時需要使用查詢指令。HPR格式的查詢指令為

　　$PTNT，HPR*78<CR><lf> ∥查詢HPR格式的數(shù)據(jù)狀態(tài)

3.1.6 HMR3000與MCU的接口連接

　　由于HMR3000與外界的串行通信采用的是自身所帶的RS-232接口，與MCU串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡TL電平不匹配，所以需要MAX232型電平轉換器，如圖1所示。

3.2 動感數(shù)據(jù)無線收發(fā)系統(tǒng)

　　動感數(shù)據(jù)無線收發(fā)系統(tǒng)采用nRF905型無線收發(fā)模塊，該模塊具有以下突出特點：

　　●三頻段收發(fā)合一，工作頻率為國際通用的ISM頻段433/868/915 MHz；

　　●GMSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制領域；

　　●采用DSS+PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性極好；

　　●靈敏度高，達到-100 dBm；

　　●工作電壓低(2.7 V)，功耗小，待機狀態(tài)僅為1 μA，可滿足低功耗設備的要求；

　　●發(fā)射功率達+10 dBm；

　　●具有多個頻道(多170個以上)，能滿足需要多信道工作的特殊應用；

　　●工作速率可達76.8 kb/s；

　　●外圍元件數(shù)目少(僅10個)，基本上無需調試；

　　●由于采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，使用距離遠可達l 000 m。

　　此外，由于nRF905是一款收發(fā)一體化的無線傳輸電路，帶有調制器和解調器，發(fā)送時可以自動打包，接收時可以自動進行地址匹配、自動CRC檢驗，發(fā)送或接收完畢后，其DR引腳會自動設置高電平，以示發(fā)送或接收完畢，并且采用SPI接口與MCU通信，因此編程非常方便。它可廣泛應用于車輛監(jiān)控、遙控、遙測、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、水文氣象監(jiān)控、非接觸RF智能卡、機器人控制、數(shù)字音頻和數(shù)字圖像無線傳輸?shù)阮I域。

　　nRF905除了負責動感系統(tǒng)中動感數(shù)據(jù)的無線傳輸外，還可傳輸新型車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)中模擬駕駛室向模型車發(fā)送的油門、燈光、制動、轉向、分動箱、離合等控制指令。nRF905與MCU的連接如圖2所示，引腳功能說明見表1。

3.3 動感平臺及其控制系統(tǒng)

　　動感平臺是動感系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它由6個液壓泵和模擬駕駛室的底板構成。其工作原理是MCU根據(jù)傳來的動感數(shù)據(jù)通過繼電器驅動電路控制相應繼電器，使相應液壓泵的相應電磁閥開啟或閉合，進而模擬駕駛室上下顛簸、前后俯仰或左右搖擺，如圖3所示。

4 軟件設計

　　由于HMR3000和nRF905分別通過RS-232接口和SPI接口與MCU進行通信，故整個系統(tǒng)的硬件電路相對比較簡單，但是，由于HMR3000采用NMEA0183協(xié)議格式輸出數(shù)據(jù)，nRF905收發(fā)數(shù)據(jù)又有嚴格的時序要求，因而軟件設計相對比較復雜。

4.1 HMR3000與MCU的通信協(xié)議

　　HMR3000的串行通信是根據(jù)NMEA0183標準制定的簡單的ASCⅡ協(xié)議，可以在單片機系統(tǒng)中使用RS-232或RS-485接口電路。ASCⅡ碼的傳輸和接收使用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位和I位停止位，每個碼有10位。數(shù)據(jù)傳輸率可選擇l200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s、19 200bit/s、38 400 bit/s。

4.2 MCU接收HMR3000的數(shù)據(jù)

　　啟動HMR3000后，設定好HMR3000的數(shù)據(jù)單位、進制及其數(shù)據(jù)采集速率，每次數(shù)據(jù)采集后HMR3000自動向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。由于它采用NMEA0183協(xié)議標準的HPR格式即“$PTNTHPR，x..x,a,x..x，a，x..x，a*hh”格式輸出，此格式中不僅含有效數(shù)據(jù)“x..x”和其狀態(tài)“a”，還包含有‘$’、‘P’、‘T’、‘*’、‘h’等相關格式字符，因此在程序中要加以區(qū)分。動感系統(tǒng)中將字符‘$’作為一組有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，將字符‘*’作為一組有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y束，并通過計算接收逗號‘，’的個數(shù)判斷有效數(shù)據(jù)的開始。MCU接收HMR3000的數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

4.3 nRF905與MCU的通信協(xié)議

　　nRF905與MCU之間的通信采用SPI通信協(xié)議，使用2條控制信號線CSN、SCK和2條數(shù)據(jù)信號線MOSI、MISO進行通信。CSN用來控制外圍設備的選通(低電平有效)，SCK提供同步時鐘，MOSI、MISO分別為主從設備的輸入/輸出線。在SPI通信過程中，主從設備均在時鐘的下降沿從各自的輸出線輸出1位數(shù)據(jù)，在時鐘的上升沿從各自的輸入線讀入l位數(shù)據(jù)。

4.4 nRF905發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

　　nRF905發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時必須嚴格遵守發(fā)送或接收時序，否則將導致發(fā)送或接收失敗。

4.4.1 發(fā)送數(shù)據(jù)

　　nRF905的發(fā)送時序如圖5所示，其中．TA-TB是nRF905的命令字寄存器、匹配地址寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器編程時間；TD-Tl是發(fā)送啟動脈沖，至少為10μs；T1-T2是nRF905的自動編碼，至少為650 μs；T2-T3是自動發(fā)送數(shù)據(jù)；T3是發(fā)送結束時DR置高電平，表示發(fā)送結束。具體步驟如下：

　　(1)給nRF905上電后，MCU將TX_EN置為高電平，將TRX_CE置為低電平,使nRF905進入發(fā)送模式；

　　(2)MCU通過SPI接口按照SPI通信協(xié)議向nRF905寫命令字、匹配地址和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；

　　(3)使TRX_CE產(chǎn)生1個至少10 μs的發(fā)送脈沖；

　　(4)nRF905接到發(fā)送脈沖后自動編碼、自動發(fā)送。如果nRF905命令字寄存器中的AUTO_RE-TRAN位被設置為高電平，則nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置高電平；

　　(5)nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)后，DR自動置高電平。MCU可以通過DR判斷發(fā)送完畢與否。以便發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。

4.4.2 接收數(shù)據(jù)

　　nRF905接收時序如圖6所示，具體步驟如下：

　　(1)給nRF905上電后，MCU通過將TX_EN置低電平和TRX_CE置高電平，使nRF905進入接收模式(圖6中的TA時刻)；

　　(2)650μs后，nRF905開始檢測有無發(fā)送的數(shù)據(jù)(圖6中的T0時刻)；

　　(3)當nRF905探測到有接收頻率的載波時，將CD置高電平(圖6中的Tl時刻)；

　　(4)當nRF905接收完有效匹配地址后，將AM置高電平(圖6中的T2時刻)；

　　(5)當nRF905接收完有效數(shù)據(jù)且CRC檢驗正確后，將DR置高電平(圖6中的T3時刻)；

　　(6)MCU在DR變高電平后可以通過SPI讀取nRF905接收的數(shù)據(jù)。

4.5 動感控制部分的編程

　　根據(jù)硬件電路的連接，可以利用外部中斷0服務程序實現(xiàn)動感的實時控制，這樣，MCU在DR變成高電平后即可控制動感平臺動作，提高了實效性。程序流程如圖7所示。

5 結束語

　　據(jù)考證，國內現(xiàn)有的車輛模擬駕駛訓練系統(tǒng)均未安裝動感系統(tǒng)。車輛模擬駕駛動感系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。本文為該系統(tǒng)的設計提供了切實可行、安全可靠的參考設計方案。