单片机与8位可编程高速磁旋转编码器AS5030实现对旋转角测量与显示-毕业论文

常州工学院毕业设计 开题报告 引言 在工业自动化、航空、航海、军事、建筑、交通等领域要进行角度测量，测 量角度的主要方法有：机械测量方法、电磁测量方法、光学测量方法、光电测量 方法等1。机械测量方法简单、成本低，但其设备体积庞大、测量精度不够 高、实时性差，属于接触测量。几何光学测量方法精度高，但实现起来复杂，需 要设计高精密的光路，而且，往往需人工干预才能测量。而采用霍尔效应原理， 利用集成电路制造技术的磁感应角度传感器AS5040 具有精度高、体积小、重量 轻、功耗低、抗干扰能力强以及可维护性好等优点，具有广泛的应用领域。 课题的现状： 尽管在目前市场上的编码器中，光电编码器占有很大的份额，但由于磁旋转 编码器的一些独特优点，加上其成本低廉，近年来在高精度测量和控制领域的应 用不断增加。特别是对机器人、数控机床、测量仪、直接驱动电机和高密度侍服 盘读写机来说，已经是必不可少的组件，因此磁旋转编码器已经成为发展高技术 产品的关键技术之一。有关专家指出，随着小型化、高分辨率、高可靠性产品 的不断推出，磁性编码器的应用领域将更加广阔。 角度传感器又称轴角编码器在自动化控制、交通运输、航空航天、国防军事 工业等领域有着极其广泛的应用，常用轴角编码器的结构原理有机械式测量、光 电测量、电磁测量等。机械测量方法简单，但设备体积庞大、测量精度低、实时 性差，属于接触测量。光电采用AS5040的新型磁旋转编码器是一种利用霍尔 效应的编码器，属于非接触测量。 1.1 编码器的特点及用途 编码器是通过把机械角度物理量的变化转变成电信号的一种装置；在传感器的 分类中，他归属于角位移传感器。 根据编码器的这一特性，编码器主要用于测量转动物体的角位移量，角速度， 角加速度，通过编码器把这些物理量转变成电信号输出给控制系统或仪表，控 制系统或仪表根据这些量来控制驱动装置。 1.2.2. 编码器的主要应用场合编码器的主要应用场合 常州工学院毕业设计 数控机床及机械附件 最常用的有两种：绝对值编码器和增量式编码器。 信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,驱动方式：集电极 开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称 A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口 应与编码器对应。 机器人、自动装配机、自动生产线。 电梯、纺织机械、缝制机械、包装机械（定长） 、印刷机械（同步） 、木工机 械、塑料机械（定数） 、橡塑机械。 制图仪、测角仪、疗养器 雷达等。 1.3 编码器的应用场合编码器的应用场合 (1) 数控机床对加工工件自动检测就是通过编码器来进行检测的： 数控机床刀 架的对零校准也是通过编码器来实施的。 (2) 编码器在PLC上的应用：一般PLC上都有高速信号输入口，编码器可以作为 高速信号输入元件，使PLC更加迅速和精准地实施闭环控制。而在变频器上其一 般接变频器的PG卡上。 （3） 编码器用在电梯上，用于测量电梯的升降速度和位置。 1.4 磁编码器的分类 1.4.1 增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、 B和Z相； A、 B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉 冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以 上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的 绝对位置信息。 1.4.2绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径 向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码 常州工学院毕业设计 道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数， 在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不 同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进 制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个 固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于 一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进 行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光 的线条图形， 绝对编码器可有若干编码， 根据读出码盘上的编码， 检测绝对位置。 编码的设计可采用二进制码、 循环码、二进制补码等。它的特点是： 可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差； 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也 就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种 1.4.3 混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测 磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的 输出信息。 光电编码器是一种角度 （角速度） 检测装置， 它将输入给轴的角度量， 利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作 可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、 雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。 1.5 设计要求： 1、完成微处理器基本系统电路设计调试； 微处理器及复位电路； 调试接口电路； 键盘及显示电路； 常州工学院毕业设计 2、完成基本系统与 AS5030 的接口设计调试； 3、实现 1 线接口，2 线接口、3 线接口与微处理器的通信； 4、能够在微处理器上显示编码器输出角度； 5、完成毕业设计报告正文。 6、相关接口电路设计； 1. .6 完成的工作内容以及要求 内容： 本题设计通过单片机与8位可编程高速磁旋转编码器AS5030实现对旋转角 度的测量与显示。系统硬件主要有 89C51 与 AS5030 组成。要求三种方式实现 串行、3 线读写连接方式、串行双线连接方式、1 线 PWM 连接方式。系统软件 主要有接收程序、角度转换程序以及显示程序。 要求： 1、实现三种模式显示磁电编码器角度 2、实时显示磁旋转角度 3、要求 10 位显示精度； 4、作品能够演示 第2章 磁编码器的工作原理 2.1光电编码器原理 光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器.这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电 检测装置组成.光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔.由于 光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管 等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如图 1 所示; 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速.此外,为 判断旋转方向,码盘还可提供相位相差 90 的两路脉冲信号 常州工学院毕业设计 光源透镜码盘透镜光敏元件放大整形 图 1：光电编码器原理示意图 2.1.1 光电编码器的应用电路 2.1.1.1 光电编码器的应用 1、角度测量 汽车驾驶模拟器，对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器。重 力测量仪，采用光电编码器，把他的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连，扭转 角度仪，利用编码器测量扭转角度变化，如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试等。 摆锤冲击实验机，利用编码器计算冲击是摆角变化。 2、长度测量 计米器，利用滚轮周长来测量物体的长度和距离。拉线位移传感器，利用收 卷轮周长计量物体长度距离。 联轴直测， 与驱动直线位移的动力装置的主轴联轴， 通过输出脉冲数计量。介质检测，在直齿条、转动链条的链轮、同步带轮等来传 递直线位移信息。 3、速度测量 线速度，通过跟仪表连接，测量生产线的线速度角速度，通过编码器测量电 机、转轴等的速度测量 4、位置测量 机床方面，记忆机床各个坐标点的坐标位置，如钻床等自动化控制方面，控 制在牧歌位置进行指定动作。如电梯、提升机等 5、同步控制 通过角速度或线速度，对传动环节进行同步控制，以达到张力控制。 2.1.1.2 光电编码器在重力测量仪中的应用 采用旋转式光电编码器,把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连.重力 测量仪中补偿旋钮的角位移量转化为某种电信号量;旋转式光电编码器分两种, 常州工学院毕业设计 绝对编码器和增量编码器. 增量编码器是以脉冲形式输出的传感器,其码盘比绝对编码器码盘要简单得 多且分辨率更高.一般只需要三条码道,这里的码道实际上已不具有绝对编码器 码道的意义,而是产生计数脉冲.它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布 的透光和不透光的扇形区(光栅),但是两道扇区相互错开半个区.当码盘转动时, 它的输出信号是相位差为 90的 A 相和 B 相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的 第三码道所产生的脉冲信号(它作为码盘的基准位置,给计数系统提供一个初始 的零位信号).从 A,B 两个输出信号的相位关系(超前或滞后)可判断旋转的方向. 由图 3(a)可见,当码盘正转时,A 道脉冲波形比 B 道超前/2,而反转时,A 道脉冲 比 B 道滞后/2.图 3(b)是一实际电路,用 A 道整形波的下沿触发单稳态产生的 正脉冲与 B 道整形波相与,当码盘正转时只有正向口脉冲输出,反之,只有逆 向口脉冲输出.因此,增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转 动方向和相对角位移量.通常,若编码器有N个(码道)输出信号,其相位差为/ N, 可计数脉冲为 2N 倍光栅数,现在 N=2.图 3 电路的缺点是有时会产生误记脉冲造 成误差,这种情况出现在当某一道信号处于高或低电平状态,而另一道 信号正处于高和 低之间的往返变化状态,此时码盘虽然未产生位移,但 是会产生单方向的输出脉冲.例如,码盘发生抖动或手动对准位置时(下面可以看 到,在重力仪测量时就会有这种情况). 常州工学院毕业设计 图 3：增量式光电编码器基本电路和波形 常州工学院毕业设计 图 4：四倍计数方式的波形和电路 图 4 是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路.在这里,采 用了有记忆功能的D 型触发器和时钟发生电路.由图4可见,每一道有两个D触发 器串接,这样,在时钟脉冲的间隔中,两个Q 端(如对应 B道的 74LS175的第 2,7引 脚)保持前两个时钟期的输入状态,若两者相同,则表示时钟间隔中无变化;否则, 可以根据两者关系判断出它的变化方向,从而产生正向或反向输出脉冲. 当某道由于振动在高,低间往复变化时,将交替产生正向和反向 脉冲,这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响(下面仪器的读数也 将涉及这点).由此可见,时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值.由图4 还可看出,在原一个脉冲信号的周期内,得到了四个计数脉冲.例如,原每圈脉冲 数为 1000 的编码器可产生 4 倍频的脉冲数是 4000 个,其分辨率为 0.09.实际 上,目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元 件封装在一起,所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统 常州工学院毕业设计 (74159 是 4-16 译码器) 光电编码器具备良好的使用性能,在角度测量,位移测量时抗干扰能力很强, 并具有稳定可靠的输出脉冲信号,且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信 号.因此,我们在研制汽车驾驶模拟器时,对方向盘旋转角度的测量选用EPC-755A 光电编码器作为传感器,其输出电路选用集电极开路型,输出分辨率选用 360 个 脉冲/圈,考虑到汽车方向盘转动是双向的,既可顺时针旋转,也可逆时针旋转,需 要对编码器的输出信号鉴相后才能计数.图 2 给出了光电编码器实际使用的鉴相 与双向计数电路,鉴相电路用 1 个 D 触发器和 2 个与非门组成,计数电路用 3 片 74LS193 组成. 图 2：光电编码器鉴相计数电路 当光电编码器顺时针旋转时,通道A输出波形超前通道B输出波形90,D触发器 输出 Q(波形 W1)为高电平,Q(波形 W2)为低电平,上面与非门打开,计数脉冲通过 (波形 W3),送至双向计数器 74LS193 的加脉冲输入端 CU,进行加法计数;此时,下 面与非门关闭,其输出为高电平(波形 W4).当光电编码器逆时针旋转时,通道 A 输 出波形比通道 B 输出波形延迟 90,D 触发器输出 Q(波形 W1)为低电平,Q(波形 常州工学院毕业设计 W2)为高电平,上面与非门关闭,其输出为高电平(波形W3);此时,下面与非门打开, 计数脉冲通过(波形W4),送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD,进行计数. 汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时,其最大旋转角度均为两圈半,选用分辨率为 360 个脉冲/圈的编码器,其最大输出脉冲数为 900 个;实际使用的计数电路用 3 片 74LS193 组成,在系统上电初始化时,先对其进行复位(CLR 信号),再将其初值 设为 800H,即 2048(LD 信号);如此,当方向盘顺时针旋转时,计数电路的输出范围 为 20482948,当方向盘逆时针旋转时,计数电路的输出范围为 20481148;计 数电路的数据输出 D0D11 送至数据处理电路.实际使用时,方向盘频繁地进行 顺时针和逆时针转动,由于存在量化误差,工作较长一段时间后,方向盘回中时计 数电路输出可能不是2048,而是有几个字的偏差;为解决这一问题,我们增加了一 个方向盘回中检测电路,系统工作后,数据处理电路在模拟器处于非操作状态时, 系统检测回中检测电路,若方向盘处于回中状态,而计数电路的数据输出不是 2048,可对计数电路进行复位,并重新设置初值. 2.1.2 光电编码器的优缺点 1，优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术 在直径66 的编码器上可达到 54000cpr) ， 无接触无磨损;同一品种既可检测角 度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移;多圈光电绝对编码器可以检 测相当长量程的直线位移(如 25 位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富， 价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。 2，缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求;量测直线位移 需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差;检测轨道运行物体难以克服滑 差。 2.2 磁旋转编码器的工作原理 2.2.1 磁旋转编码器的基本结构 图 5 中给出了增量式磁旋转编码器的典型结构，主要部分由磁阻传感器探 头、充磁磁鼓、信号处理电路和机械结构组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极， 磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效 常州工学院毕业设计 应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电 阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成 计算机可以识别的数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能。 图 5： 旋转磁编码器的结构示意图 2.2.2 磁旋转编码器磁鼓材料 多极充磁磁鼓的制备是实现编码器旋转增量编码的关键技术。目前，通用的 磁鼓有 2 种。一种是塑料磁性体，是将磁性材料用适当的粘合剂混合后注射成型 的；另一种是对铝等非磁性材料涂敷某种磁性材料而成的 。在磁性传感器中， 由于电机轴的旋转振动，容易引起磁记录介质与磁性传感器的接触，从而导致传 感器和磁记录介质的损坏。为了防止这种情况，磁传感器和磁鼓记录材料之间通 常留有几十微米的间隙。 为了使磁鼓磁化后的漏磁信号可以透过这一间隙到达传 感器，磁鼓上的记录磁性层通常的厚度要达到数十微米以上。表 1 给出了迄今为 止用于磁性编码器上的磁记录材料的种类。就磁性薄膜和塑料磁铁来讲，由于使 用了作为磁性粒子的粘合剂树脂，当使用在温度超过 125oC，真空度超过 10 Torr 的真空机器人时，编码器磁鼓在耐热性和气体放出特性等方面就不能胜任 要求。压延磁铁(FeCo-Cr)和氧化铝磁铁膜可以胜任真空机器人的使用要求， 只是 FeCo-Cr 磁性材料成本较高，且受到形状的限制，录入的磁化信号在圆周 上难以达到均匀。氧化铝薄膜则存在制造工艺复杂、技术难度大、磁性体的充填 率底、从磁化体中穿出的磁通量少等问题 为了解决在高温和高真空度环境下磁 记录体的耐热性能以及气体放出特性、形状等对磁记录材料使用性能的影响，最 近安川公司开发成功了一种 COP 磁性镀膜磁记录介质。 该镀膜采用电解镀膜法 常州工学院毕业设计 在磁记录介质的基材表面上形成数十微米厚的镀膜层， 因而传感器的形状自由度 大，可生产性强，材料的成本底。由于是合金膜，耐热性和气体放出特性良好， 基本上满足表 1 的各项指标， 是目前使用在磁旋转编码器上颇为理想的磁记录材 料。 图 6： 磁旋转编码器磁阻元件与磁鼓空间尺寸示意图 2.2.3 磁电编码器的优缺点 磁电编码器是近年来发展起来的一种新型速度，位置检测数字传感器。磁 编码器在强磁性材料表面上记录等间隔的磁化刻度标尺， 标尺旁边相对放置磁阻 效应元件或霍尔元件，既能检测出磁通的变化，再通过信号转化卡处理成标准的 电信号输出。 优点：转速高，响应速度快；防尘、防油；抗震动等级高； 调试方便， 安装简单； 线驱动输出型，抗干扰能力强，适合长线输出。 缺点： 分辨度 1mm 不高;测量直线和角度要使用不同品种;不适于在精小处 实施位移检测（大于 260 毫米） 。 2.3 机电编码器 从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器。旋转单圈绝对式编码器，以转动 中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过 360 度时，编码又回到 原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围 360 度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。 如果要测量旋转超过 360 度范围，就要用到多圈绝对式编码器。 编码器 生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码 常州工学院毕业设计 盘（或多组齿轮，多组码盘） ，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大 编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机 械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优 点是由于测量范围大， 实际使用往往富裕较多， 这样在安装时不必要费劲找零点， 将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。多圈式绝对 编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中 图 7：机电编码器结构图 2.3.1 机电编码器的优缺点 1，优点：精密，本身分辨度较高（可达到 0.005mm）;体积适中，直接测量直线 位移;无接触无磨损，测量间隙宽泛;价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属 切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等） 。 2，缺点：测量直线和角度要使用不同品种;量程受限制（量程超过 4m，生产制 造困难价格昂贵） ，不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。 第 3 章 方案设计 3.1 AS5040 结构与工作原理 AS5040 是一个完整的片上系统解决方案，它将霍件、模拟前端和数字信号 处理器（DSP）、接口电路集成在单个芯片中。它提供磁钢的增量信号和绝对角 度位置， 磁钢可以放在芯片的上面或下面。AS5040 可通过对芯片内的一次可编程OTP 寄 存器进行编程来满足特殊用户要求。 AS5040 封装和引脚排列如图8 所示， VDD3V3 是内部调节器输出的3. 3 V 电源，MagINCn 和MagDECn 是磁场变化指示器，用 于检测磁场的变化。通过同步串行接口（SPI）可以读出磁铁的增长的位置和零 位置的数据。 常州工学院毕业设计 图 8 ： AS5040 封装引脚配置 3.23.2 1010 位绝对值角位置输出 3.2.13.2.1 同步串行接口 (SSI)(SSI) 图9：输出绝对值角位置数据的同步串行接口 如果CSn变成逻辑低电平，数据输出（DO）将从高阻态（三态）变为逻辑高电 平，并启动读取操作。 （1）经过最短时间tCLK FE 后，数据在CLK 的第1 个下降沿锁存至输出移位寄 存器。 （2）每个后续的CLK 上升沿将移出1 位数据。 （3）串行字包含16 位，前10 位是角度信息D9:0，后6 位包含系统信息，涉 及数据的有效性，诸如OCF、COF、LIN、奇偶性和磁场状态（增强/减弱）等。 (4)通过 CSn 处的逻辑“高”脉冲启动下一次测量，CSn 的最小持续时间为tCSn。 3.2.23.2.2 数据内容 D9:D0D9:D0 绝对值角度位置数据（ 首先同步输出MSB） OCFOCF （偏差补偿完成），逻辑高电平表示偏差补偿算法执行完毕。为了实现 常州工学院毕业设计 快速启动，可以通过外部微控制器查询此位。一旦此位置位，则表AS5040 已经 完成启动，并且数据有效。 COFCOF C Cordic 溢出)，逻辑高电平表示CORDIC 单元出现了超范围的错误。此 位置位时，D9:D0 的数据无效。绝对值输出保留最后1 个有效的角度值。通过将 磁铁位置调整至X-Y-Z 容限以内，可以消除这种报警故障。 LINLIN （线性度报警），逻辑高电平表示输入磁场产生了严重的输出线性度问 题。此位置位时，D9:D0 的数据仍然可以使用，但可能包含无效数据。通过将磁 铁位置调整至X-Y-Z 容限以内，可以消除此项告警。 MagINCnMagINCn, （磁场增强），磁铁被推向靠近IC 的位置时，会导致磁场强度增 大，该位将变成逻辑高。 MagDECn,MagDECn, （磁场减弱），磁铁被拉至远离IC 的位置时，会导致磁场强度减 小，该位将变成逻辑高。这两个信号均为逻辑高时，表明磁场强度超出了所允许 的范围（参见表1）。 MagINCnMagDECN说明 00 间距无变化。磁场输入正常（处于范 围之内） 01 间距增大：拉离功能。此状态是动 态变化的，只有当磁铁在Z轴方向远 离芯片时有效 10 间距缩短：按下功能。此状态是动 态变化的，只由当磁铁在Z轴方向移 近芯片时有效 11 磁场输入无效 超出范围：过强， 过弱（磁铁缺失） 表 1 ：磁场强度变化指示 Ma 注意：引脚1 和引脚2（MagINCn, MagDECn）均为漏极开路输出，并要求外 接上拉电阻。如果磁场强度处于范围之内，则两个输出均关闭。这2个引脚也可 以组合采用同一个上拉电阻。在这种情况下，只有当磁场强度处于正常范围时信 号才会是高电平。所有其它情况下信号均为低电平（参见表3）。偶数奇偶校验 位用于第1至15位（D9D0、OCF、COF、LIN、MagINCn和MagDECn）的传输错误检 测。绝对值角度输出总是设置为10位分辨率。将磁铁安装在芯片上方时，缺省情 常州工学院毕业设计 况下，角度数值沿顺时针方向增加。 INCn n当状态位具有下列配置时，数据当状态位具有下列配置时，数据D9:D0D9:D0有效有效：Mag OCFOCFCOFCOFLINLINMagINCNMagINCNMagDECNMagDECN奇偶校验奇偶校验 1 1 100 001:15位的 偶校验和01 1 1 1 1 10 表2 2：状态位输出 绝对值角度位置的采样速率为10kHz（0.1ms）。这样可以在0.1秒内读取360 度范围的全部1024个位置=9.76Hz (10Hz)，而不会错失任何位置。将10Hz乘以 60，结果得出对应的最大旋转速率为600rpm。每两个角度位置读取一次，可以达 到最高1200rpm的旋转速率。因此，增加旋转速率会减少每圈读取的绝对角度位 置的数量（参见表7）。无论所读取的旋转速率或位置数量是多少，绝对角度数 值总是采用10位最高分辨率。由于采用了插补器，增量输出不受旋转速率限制的 影响。增量输出信号可以应用在旋转速率高达10000rpm 的高速应用中，而不会 丢失脉冲。 7VSSS 负供电电压 (GND) 8 Prog DI_PD 菊链模式下的OTP编程输入和数 据输入。内部下拉电阻(74k) 。如果不进行编程，可接至VSS。 9DODO_T 同步串行接口的数据输出 10CLK DI, ST同步串行接口的时钟输入；施密 特触发器输入 11 CSnDI_PU, ST片选，低电平有效；施密特触发 器输入，在增量模式下，内部上 拉电阻 (50k)连接到VSS 12PWM_LSBDO 约为1kHz的脉宽调制信号；模式 3.x下为LSB 13NC-必须保持开路 14NC-必须保持开路 15VDD3V3S 3V 调节器输出） 16VDD5VS5V 正电源电压 表4：SSOP16SSOP16 的引脚说明 DO_OD 数字输出，漏极开路 S 供电引脚 DO 数字输出 DI 数字输入 DI_PD 数字输入，带下拉 DO_T 数字输出/三态 常州工学院毕业设计 DI_PU 数字输入，带上拉 ST 施密特触发器输入 3.3 脉宽调制（PWMPWM）输出设计 AS5040提供一路脉宽调制输出（PWM），其占空比与所测得的角度成正比： PositionPosition= offon on tt t 1025 -1 PWM的频率经过内部调节，精度可达5%（在整个温度范围内为10%）。如 上面所示，通过计算占空比，可以消除这种容限误差 图3-19 PWM单线输出硬件图 3.3.1 AS5040的工作电压 AS5040可工作在3.3V 10%或5V 10%电源下。这一点是通过内部3.3V低压 差（LDO）稳压器实现的。内部供电电压始终取自于LDO，也就是说内部模块一 直工作在3.3V电压下。采用3.3V电源工作时，LDO必须通过将VDD3V3与VDD5V相连 进行旁路（参见图19）。采用5V电源工作时，5V电源连接至引脚VDD5V，而VDD3V3 (LDO输出)必须使用一个2.210F电容进行缓冲， 电容应当安装在靠近电源引脚 的地方（参见图19）。 VDD3V3输出只供内部使用，不得加载外部负载。数字接口I/O的输出电压对 应引脚VDD5V的电压，因为I/O缓存器也由此引脚供电（参见图19） 常州工学院毕业设计 图 1919：5V5V / / 3.3V3.3V 电源电压接线图 对于这两种工作方式，均建议在靠近引脚VDD5V的位置安装1个100nF缓冲电 容。请注意，引脚VDD3V3必须用1个电容进行缓冲。此引脚一定不能浮空，因 为这样可能导致内部3.3V供电电压不稳定， 并可能导致测量角度的抖动大于正常 常州工学院毕业设计 情况。 4.54.5 选择适当的磁铁 典型情况下，磁铁的直径应当为6mm，厚度应当2.5mm。磁铁材料建议采用 稀土AlNiCo、SmCo5或NdFeB。应当采用高斯计来核实磁铁垂直于芯片表面方向的 磁场强度。在给定间距下沿半径为1.1mm（R1）的同心圆上，磁场Bv应当在 45mT75mT范围之内。(参见图20)。 图2020：典型的磁铁和磁场分布情况 4.5.14.5.1 磁铁的物理安装 常州工学院毕业设计 如图21所示,将磁铁中心精确地放置在IC封装的中心上方时，可获得最佳的 线性度： 图2121：规定的ICIC 中心及磁铁偏离半径 4.5.1.1磁铁的安装： 磁铁的中心轴线应当对准IC的规定中心处半径Rd为0.25mm的范围之内， 基准 线为引脚1的外部边沿（参见图21）。此半径包括了芯片在SSOP-16封装内的放 置误差（0.235mm）。以芯片中心为基准，放置半径Rd为0.485mm（参见第11 节：对准模式）。垂直间距应当选择为能够使芯片表面的磁场处于规定的范围之 内（参见图20）。采用推荐的磁铁（6mm x 2.5mm）时，磁铁与封装表面的典型 间距”z”为0.5mm至1.8mm。只要所要求的磁场强度能够保持在规定的范围内， 也可以采用更大的间隙。磁场超出规定范围以外时，仍然可能得到有用的结果， 超出范围的状况将由MagINCn（引脚1）和MagDECn（引脚2）指示出来。 图 22：磁铁的垂直安装位置 常州工学院毕业设计 4.6 仿真建模 图2323：芯片上HallHall 传感器的布置（原理） 如图2