碩士學(xué)位論i論文題目：基于ARM的汽車四輪定位系統(tǒng)的研究論文英文題目：ResearchonWheelAlignmentSystemBasedonARM學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果：論文研究了一種基于ARM的汽車四輪定位測量系統(tǒng)；開發(fā)了基于LPC2132單片機(jī)的控制系統(tǒng)；采用雙軸加速度傳感器MXD2020和CCD進(jìn)行測量；上位機(jī)使用ARM9+linuxQT嵌入式系統(tǒng)以取代龐大的PC機(jī)。摘要在中國四輪定位儀處于產(chǎn)品成長時期，大部分廠家是貼牌生產(chǎn)或是和國外廠家合作授權(quán)生產(chǎn)，有的甚至盜用國外技術(shù)生產(chǎn)，而真正擁有研發(fā)能力的國內(nèi)廠家不超過五家。國內(nèi)自行研發(fā)的四輪定位儀以PSD測量方式較多，極少數(shù)使用CCD測量方式，當(dāng)然掌握此項技術(shù)的廠家就極少。對于上位部分，據(jù)可靠調(diào)查，目前在國內(nèi)外所有的產(chǎn)品都是使用PC作為上位機(jī)，這是導(dǎo)致四輪定位儀體積龐大的原因。本文針對我國汽車四輪定位儀的現(xiàn)狀，研究出一種基于ARM的汽車四輪定位系統(tǒng)，它主要使用了CCD測量技術(shù)，加速度傳感器測量技術(shù)，紅外通信技術(shù)。上位機(jī)部分，本系統(tǒng)采用了嵌入式ARM+Linux+QT平臺，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。本文研制的汽車四輪定位儀是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端檢測儀器。本文嵌入式技術(shù)的成功運(yùn)用，將成為汽車四輪定位儀發(fā)展的必然方向，并將會對中國汽車安全做出重要貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：四輪定位，ARM，CCD，嵌入式碩士學(xué)位論iiAbstractInChina,carwheelalignmentisinitsstageofdevelopingperiod.ManyfactoriesareOEMs(OriginalEquipmentManufacture)orcooperators,evenstealingtechnologyfromcompaniesaboard.Athome,Lessthanfivefactoriescandesigntheirownproduction.Thefour-wheelalignmentdevicebasedonPSDtakesupthemainmarketinChina.TheseusedCCDtechnologytakesuponlyasmallmarket,aswellasfewfactoriesthatownthistechnology.Accordingtosurvey,astohostmachine,allfactorieshomeandaboardadoptPCtobehostmachine,whichcausesthewheelalignmentsystemtakesuplargeplace.Accordingtothecurrentdevelopmentofwheelalignmentsystem,anewwheelalignmentsystembasedonARMisdesigned,includingtechnologyofCCD,MMA,infraredcommunicationandembeddedtechnologyinARMsupportedbyLinuxandQT.Thesystemisregisteredwithself-ownedintellectualpropertyrights.Withthesuccessfulapplicationofembeddedtechnologyinthissystem,itwilldirectthefuturedevelopmentofcarwheelalignmentsanditwillmakegreatcontributiontothesafetyofcarindustry.Keywords:for-wheelalignment,Bluetooth,CCD,MMA6260Q碩士學(xué)位論iii目錄1緒論11.1汽車四輪定位的必要性11.2四輪定位儀產(chǎn)品市場發(fā)展現(xiàn)狀11.3課題研究的意義31.4研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題42汽車車輪定位參數(shù)檢測理論42.1車輪主要定位參數(shù)及其作用42.1.1車輪外傾角42.1.2主銷后傾角52.1.3主銷內(nèi)傾角62.1.4車輪前束62.1.5推力角72.1.6包容角72.1.7退縮角72.2車輪定位參數(shù)的測量原理82.2.1車輪前束和推力角的測量原理82.2.2主銷傾角的測量原理92.2.3車輪定位參數(shù)的數(shù)學(xué)模型103系統(tǒng)總體方案153.1硬件系統(tǒng)153.2軟件系統(tǒng)154測量系統(tǒng)的下位機(jī)硬件系統(tǒng)174.1處理器介紹174.2系統(tǒng)電源和開關(guān)控制電路194.3無線紅外通信電路214.4CCD電路224.3.1光電傳感器的選型224.3.2TCD1501D結(jié)構(gòu)和工作原理244.3.3時序要求254.3.4驅(qū)動參數(shù)分析264.3.5CCD驅(qū)動模塊284.3.6紅外光源與光學(xué)系統(tǒng)294.5CCD視頻信號處理294.5.1模擬信號預(yù)處理314.5.2模擬信號二值化處理324.6傾角測量系統(tǒng)324.6.3傳感器的溫度補(bǔ)償365測量系統(tǒng)下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)385.1主程序結(jié)構(gòu)385.2紅外通信軟件結(jié)構(gòu)385.3CCD驅(qū)動程序40碩士學(xué)位論iv5.4傾角測量程序416上位機(jī)系統(tǒng)436.1上位機(jī)核心處理平臺436.1.1ARM微處理器的應(yīng)用選型436.1.2微處理器的特點(diǎn)446.1.3微處理器的結(jié)構(gòu)446.2上位機(jī)平臺硬件466.2.1SDRAM接口466.2.2Flash存儲器接口466.2.3SD卡接口476.2.4USB接口476.2.5LCD顯示模塊486.3上位機(jī)軟件平臺496.3.1開發(fā)平臺的選擇496.3.2嵌入式Linux+QT系統(tǒng)介紹496.3.3軟件平臺的搭建506.4上位機(jī)應(yīng)用軟件程序開發(fā)516.4.1串口通信526.4.2數(shù)據(jù)庫模塊546.4.3客戶管理556.4.5測量與調(diào)整軟件設(shè)計566.4.6x86-qtopia環(huán)境與arm-qtopia環(huán)境的建立576.4.7軟件的編譯和移植617傳感器標(biāo)定及試驗(yàn)驗(yàn)證637.1加速度傳感器的標(biāo)定637.2傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定647.3輪輞補(bǔ)償657.4試驗(yàn)驗(yàn)證677.5調(diào)整68結(jié)論71致謝72參考文獻(xiàn)73攻讀學(xué)位期間已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及科研成果75遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論11緒論隨著汽車工業(yè)及高速道路的快速發(fā)展，人們對汽車的舒適性、安全性要求越來越高，對汽車的維修檢測技術(shù)也提出了新的要求，尤其是四輪定位儀是近來發(fā)展普及最快的高端檢測儀器術(shù)，越來越被修車行業(yè)所重視，且成為汽配廠的必備設(shè)備。1.1汽車四輪定位的必要性在現(xiàn)代汽車中，為了使汽車直線行駛、轉(zhuǎn)向輕便、受控力好，并減少輪胎及相關(guān)部件的磨損，在輪胎安裝和前、后輪的懸掛系統(tǒng)均設(shè)置車輪定位角度：前后輪前束、前后輪外傾、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角（各汽車生產(chǎn)廠家根據(jù)不同車型設(shè)置不同數(shù)據(jù)）1-3。由于更換輪胎或減震器、機(jī)械磨損、機(jī)件在劇烈顛簸中疲勞變形或車架和機(jī)件在碰撞和變形，都會導(dǎo)致車輪定位參數(shù)發(fā)生變化，特別是轉(zhuǎn)向輪的定位失準(zhǔn)，將直接產(chǎn)生輪胎的異常磨損、行駛跑偏、轉(zhuǎn)向沉重等現(xiàn)象。以下情況需要做四輪定位45：1)每行駛10000公里或六個月后2)新駕駛3000公里后3)直行時車子往左或往右拉4)直行時需要緊握方向盤5)感覺車身會漂浮或搖擺不定6)前輪或后輪單輪磨損7)安裝新的輪胎后8)碰撞事故維修后9)換新的懸掛或轉(zhuǎn)向有關(guān)配件后1.2四輪定位儀產(chǎn)品市場發(fā)展現(xiàn)狀如今市面上的四輪定位儀，種類繁多，五花八門，進(jìn)口、國產(chǎn)組裝，貼牌，更是魚龍混雜，使用戶眼花潦亂，混水摸魚者大為人在。到目前為止，因?yàn)樾袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)還沒有完全貫徹下去。再加上大多數(shù)用戶對四輪定位的概念不清，致使很多不法經(jīng)營者鉆空子，打擦邊球，蒙騙用戶。那么我們就來熟悉一下四輪定位技術(shù)發(fā)展歷程。首先出現(xiàn)的測量方式是最原始的拉尺測量，拉線式測量，四象限元件測量，光敏二極管陣列測量，進(jìn)而逐步發(fā)展到現(xiàn)在的PSD測量，CCD測量，后四種測量方式按照測量光源性質(zhì)遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論2又可分為激光式和紅外式。而近年來國外又發(fā)展出來新的3D影像式的動態(tài)測量方式。由于原始的測量方式缺點(diǎn)很多、精度很差，因此，這里重點(diǎn)介紹目前市場上常見的四輪定位儀的檢測方式主要有：激光、PSD、CCD及3D。其特點(diǎn)分別如下6：一)激光：激光是一種新型光源，它是作為測量系統(tǒng)的光源應(yīng)用于四輪定位儀，由于激光都是以垂直的直線輸出的，因此決定了激光產(chǎn)品束度的測量范圍較窄，無補(bǔ)償且需人工計算推力線，其測量精度低，檢測速度慢。因光點(diǎn)與刻度的關(guān)系，存在人為誤差，而且激光很容易受外界干擾，因此用激光做光源應(yīng)用于四輪定位儀并不理想。眾所周知，激光對人眼視力有一定傷害，所以UL、CE等安全認(rèn)證很難通過，歐美日本早已淘汰，只是在中國和部分東南亞國家還局部存在。二)PSD：PSD又稱光電位置傳感器，我們知道，幾乎所有的外國四輪定位都不使用，只有韓國的機(jī)器在大量使用，它的工作原理是：當(dāng)PSD的受光面某一位置存在光照的情況下，其輸出電流會有相應(yīng)變化，從而可以得到光照位置，它是一種模擬（DC/AC轉(zhuǎn)換，會有數(shù)據(jù)丟失）器件。雖然通過使用一些特殊的技術(shù)可以在一定程度上避免這些問題，但從原理上限制它只能測量單一光點(diǎn)卻是改變不了的。PSD只能使用在工業(yè)環(huán)境里，就是說PSD的溫度漂移嚴(yán)重并且受環(huán)境光線的影響。溫度變化可以使其輸出的零位變化幾十毫伏，光線的影響使系統(tǒng)取值不穩(wěn)定，這兩項疊加在一起，便使PSD失去了測量精度和設(shè)備穩(wěn)定性，這點(diǎn)是PSD的殺手（測不準(zhǔn)，重復(fù)性差）。三)CCD：CCD是一種半導(dǎo)體數(shù)字元器件（又稱光電藕合器件），它分為線陣CCD和面陣CCD兩種。它是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件，它是在一塊硅面上集成了數(shù)千個各自獨(dú)立的光敏元，當(dāng)光照射到光敏面上時，受光光敏元將聚集光電子，通過移位的方式，將光量輸出，產(chǎn)生光位置和光強(qiáng)的信息，因此CCD具有測量精度高（0.05度以內(nèi)）、無溫度系數(shù)、使用壽命長等特點(diǎn)。遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論3使用CCD有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。其他所有的技術(shù)都有各種各樣的使用上的限制，比如不能在光線復(fù)雜的地方使用、不能有強(qiáng)電磁場、溫度不能有太大的變化等等，而這些都是普通的修車車間的典型環(huán)境。那些不能開門，不能開窗，早晨涼快測量的數(shù)據(jù)和中午天熱測量就不同，不能有大的電機(jī)在附近的要求，對于四輪定位來說，實(shí)在是有點(diǎn)過分。因此歐美國家生產(chǎn)的四輪定位儀均采用CCD技術(shù)，如戰(zhàn)車、百事霸、戰(zhàn)神等，這也足以說明CCD產(chǎn)品的優(yōu)勢。四)3D：3D測量方式是采用圖像識別技術(shù)，用CCD數(shù)碼相機(jī)采集裝在車輪反光板上的圖像信息，以測量出車輪的相對精度，人工推動車輪前后移動，由CCD攝像頭采集信息，求出其坐標(biāo)和角度。這是一種相當(dāng)先進(jìn)的測量方式，目前歐美常用。但他對舉升機(jī)和轉(zhuǎn)角盤等有嚴(yán)格的機(jī)械精度要求，目前國內(nèi)舉升機(jī)和轉(zhuǎn)角盤無法與之匹配，影響檢測效果，況且標(biāo)定方式繁瑣，價格昂貴，檢測速度不快，售后維修較慢，并非國內(nèi)主流。顯然，四輪定位儀涉及了機(jī)械、光學(xué)、電子、計算機(jī)軟件、數(shù)學(xué)模型等多個領(lǐng)域的知識，且互相聯(lián)系、缺一不可。伴隨著科學(xué)進(jìn)步，四輪定位儀產(chǎn)品也將得到進(jìn)一步完善和提高。1.3課題研究的意義如今，四輪定位儀的發(fā)展仍處于產(chǎn)品的成長期，國外四輪定位廠家只有不超過10家，國內(nèi)生產(chǎn)四輪定位的有近50家，除去貼牌生產(chǎn)的后，真正能夠自己生產(chǎn)的也就在20家左右。他們或是同國外廠家合作授權(quán)生產(chǎn)國外中低端產(chǎn)品，或是干脆盜用他人技術(shù)自行生產(chǎn)，而真正擁有研發(fā)能力，并用之于生產(chǎn)的不超過5家。另外還有一些廠家不注重修煉內(nèi)功，為了自身的利益，不顧實(shí)際謊稱自己的產(chǎn)品是CCD或是藍(lán)牙傳輸?shù)幕蚴瞧渌裁聪冗M(jìn)技術(shù)，這樣也就造成了四輪定位市場的混亂，造成一段時間以來投訴率大幅上升。為此交通部檢測中心曾對市場上的四輪定位產(chǎn)品進(jìn)行了摸底調(diào)查，對16家送檢的產(chǎn)品進(jìn)行了測試，結(jié)果只有4至5家的產(chǎn)品通過了檢測，突顯市場的混亂7。國內(nèi)自行研發(fā)的四輪定位儀主要采用較原始的PSD測量方式，并且上位機(jī)都是采用PC機(jī)，體積龐大，價格昂貴。而基于CCD和視覺的四輪定位儀都源于國外的技術(shù)，國內(nèi)還很少。本項目主要工作是基于PSD四輪定位儀的原理，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論4研制開發(fā)出自己的基于CCD、加速度傳感器和無線通信技術(shù)的四輪定位儀，掌握檢測原理，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。1.4研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題根據(jù)四輪定位的基本測量原理，通過搭建CCD檢測電路和數(shù)學(xué)模型、無線通訊系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序等，設(shè)計出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的四輪定位儀。研究內(nèi)容：研究四輪定位儀檢測原理。實(shí)現(xiàn)線陣CCD對光束位置的數(shù)字檢測。實(shí)現(xiàn)加速度傳感器對傾角的數(shù)字檢測，完成傳感器檢測板的電路及程序設(shè)計。實(shí)現(xiàn)基于ARM9核心的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與傳感器間的無線通訊，實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)。解決的關(guān)鍵問題：1)根據(jù)檢測原理推倒出CCD檢測的數(shù)學(xué)模型。2)下位機(jī)電路板及程序的設(shè)計。3)上位機(jī)及下位機(jī)的通訊及CRC檢效，上位機(jī)嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計。4)系統(tǒng)的測試與校驗(yàn)。2汽車車輪定位參數(shù)檢測理論2.1車輪主要定位參數(shù)及其作用車輪定位參數(shù)包括：前輪前束、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾、后輪