（微电子学与固体电子学专业论文）智能前照灯系统角度传感器数字电路设计.pdf

摘要 智能前照灯系统( a d v a n c e df r o n t - l i g h t i n gs y s t e m ，简称a f s ) 是一种通过控 制前照灯随环境变化而变化来提高汽车在恶劣环境下行驶安全性的复杂系统，其 中转向角度传感器是其重要组成部分之一。角度传感器种类繁多，其中基于电磁 感应原理的角度传感器具有结构简单、性价比高等特点，同时它又克服了传统电 磁角度传感器抗干扰能力弱的缺点，具有广泛的应用前景。 本论文针对基于电磁感应原理的角度传感器进行了研究，介绍了该传感器的 基本工作原理与设计思想，并对传感器数字集成电路的设计进行了详尽阐述。本 设计重点开展了以下几方面的工作：分析系统整体架构与传感器工作中可能存在 的误差与不确定性，完成上限调试模式、下限调试模式、零度标定模式、解码校 准模式、正常工作模式五种模式的设计；分析传感器各个工作模式中对于功能模 块的需求以及不同工作模式之间功能模块的复用关系，完成模拟通道控制模块： 运算单元模块、角度解码模块等功能模块及e e p r o m 等模块控制单元的设计； 分析传感器工作灵活性需求，完成1 2 c 模块、初始化单元模块的设计，实现系统 工作状态的实时监视与配置。经过数字电路的优化、综合、布局布线及相关仿真、 验证工作，数字集成电路各个部分运行正确无误，整体解码精度0 0 5 。，达到了 系统对于数字电路的要求。 关蝴：a f s 电磁感应角度传感器反正弦解码 a bs t r a c t a d v a n c e df r o n t l i g h t i n gs y s t e m ( a f s ) i sas o p h i s t i c a t e ds y s t e mw h i c hc a n p r o v i d es a f e t yp r o t e c t i o n t oa u t o m o b i l e sb y r e g u l a t i n g t h ef r o n t l i g h tt ok e e p a c c o r d a n c ew i t he x t e r n a le n v i r o n m e n t s t e e r i n ga n g l es e n s o ri sa ni r r e p l a c e a b l ep a r t i na f sw h i c hs u p p l ya c c u r a t ei n f o r m a t i o nt ot h es y s t e m s e v e r a ls o r t so fa n g l e s e n s o r sh a v eb e e ne m p l o y e di n i n d u s t r y ，a n dt h eo n eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i c - i n d u c t i o nh a sas i m p l es t r u c t u r ea n dl e s se x p e n s i v e c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ca n g l es e n s o r s ，t h ea n g l es e n s o rp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a s as t r o n g e ra n t i i n t e r f e r ea b i l i t y ，a n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ti sv e r ye x t e n s i v e i nt h i sp a p e r ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o na n g l es e n s o rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d , a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h ed e s i g ni d e aa n dt h ed e s i g no ft h ed i g i t a li n t e g r a t e d c i r c u i t sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ed e s i g nf o c u s o nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h eu p p e r l i m i ts e a r c h i n gm o d e ，t h el o w e rl i m i ts e a r c h i n gm o d e ，t h ez e r od e g r e ed e m a r c a t e d m o d e ，t h ed e c o d i n gc a l i b r a t i o nm o d ea n dt h en o r m a lw o r k i n gm o d ea r er e a l i z e db y a n a l y z i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h es e n s o re r r o r s ；t h ea n a l o gs i g n a lp a t hc o n t r o l m o d u l e ，t h ec o m p u t i n gm o d u l e ，t h ea n g l ed e c o d i n gm o d u l ea n dt h ec o n t r o lu n i t so f e a c hm o d u l e ，s u c ha se e p r o mc o n t r o l l e r ，a r ed e s i g n e db ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a l m o d u l e sa n dt h e i rr e u s a b i l i t y ；t h e1 2 cm o d u l ea n di n i t i a l i z a t i o nm o d u l ew h i c ha r e u s e dt or e a l i z er e a l - t i m es y s t e ms t a t u sm o n i t o r i n ga n dc o n f i g u r a t i o na r ec o m p l e t e db y a n a l y z i n gt h ef l e x i b i l i t yr e q u i r e m e n to ft h es e n s o r a f t e ro p t i m i z a t i o n ，s y n t h e s i s ， p l a c e & r o u t e ，s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n ，t h ed i g i t a lc i r c u i tc a nb ew o r k i n gp r o p e r l y a n di t sd e c o d i n ga c c u r a c yi s0 0 5 0 w h i c hm e e t st h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a f s ，e l e c t r o m a g n e t i c - i n d u c t i o n ，a n g l es e n s o r , a r c s i n ed e c o d i n g 第一章绪论 第一章绪论 安全，是人类数千年发展历史上一个不变的课题。在自动化交通工具大范围 普及的时代，行驶安全随着交通工具的现代化进程越来越受到人们的关注。 统计数据显示，夜间和恶劣天气发生车祸的可能性最大，达到8 0 。产生这 一结果的一个重要原因就是在夜间和恶劣天气下交通工具的前照灯照度状况较 差。这就要求现代交通工具前照灯的照度状况能随环境的改变而改变，通过调整， 实现在不同行驶环境下达到最佳的照度效果。基于这一原因，智能前照灯系统 ( a d v a n c e df r o n t l i g h t i n gs y s t e m ，简称a f s ) 应运而生。 1 1 智能前照灯系统( a f s ) 简介 本节将主要介绍智能前照灯系统的基本功能、组成和结构及其发展历史。 与传统固定式汽车前照灯相比，智能前照灯系统主要优势在于它能随着行驶 环境的改变而实时地改变其照度状况，使驾驶人员能够获得与环境变化相对应的 最佳可见度。其主要特点能够从以下几点得到说明。 图1 1车身俯仰角、车速、前轮转角决定前照灯照射角度 第一章绪论 1 a f s 中的前照灯能够根据车身姿态的改变做出调整。 对于传统固定式前照灯，当汽车迅速加速时，车尾轮轴重心下降，车头轮轴 重心上升，前照灯投射光束上扬，导致投射在路面上的光照明显不足；当汽车急 速刹车时则相反。而a f s 的前照灯能根据环境调整其照射角度，使其与路面平 齐【3 1 。 2 a f s 中的前照灯能够随汽车速度的改变而做出调整。 汽车的速度越快，驾驶人员所需要看到的距离越远，以便能及时对前方的交 通状况做出反应。我们知道安全的刹车距离是驾驶员个人能做出反应的距离加上 刹车开始到汽车停下所前进的距离，它随着车速的增大而增大。相对于传统固定 式前照灯，a f s 能根据车速的不同来调整前照灯的俯仰角和光照强度，改变其照 射距离，使驾驶人员的可视距离大于安全刹车距离，以保障夜间高车速情况下的 驾驶安全1 3 1 。安装a f s 的汽车在不同车速下的照度状况如图1 2 。 图l - 2 不同车速下a f s 前照灯的照度状况【3 】 3 a f s 中的前照灯能根据不同的弯道状况做出调整 图1 - 3弯道行驶中a f s 与传统固定式前照灯的对蚪1 7 】 由于传统前照灯系统中，前照灯所投射出的光线是正直向前的，所以当汽车 即将进入弯道时时，光线不能投射到前面的弯道上，如图1 3 虚线框所示，因而 汽车驾驶员不能提前看到前面的道路状况，这会影响的驾驶的安全性。而a f s 第一章绪论 会改善传统汽车前照灯的这个缺点，a f s 通过收集传感器信息，经计算得到汽车 车速和弯道半径，使前照灯进行适当的水平转动来适应不同的弯道【2 且3 1 。 汽车前照灯随汽车的转向而做出动态调整，这种设计可以追溯到2 0 世纪2 0 年代后期，其中一种设计称为引导性光照系统( p i l o t r a ys y s t e m ) ，它的前照灯 光照可随转向做出简单改变，以适应弯道照明需要。这种设计在1 9 4 8 年的 t u c k e r 机动车上得到了应用。在这个时期，一种具体做法是在汽车车头中央 增设一颗前照灯，通过相关机械结构，在汽车转向时可以补充两侧固定式前照灯 光照的不足【1 6 j 。 几十年后，在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，随着汽车的不断普及，以及人 们对行驶安全要求的提高，智能前照灯系统的设计进入了一个复兴的阶段。在这 一阶段，日本汽车工业的崛起，使这种设计的复兴在日本体现得尤为明显。 紧接着是汽车智能前照灯发展的一个重要阶段，在2 0 世纪9 0 年代，欧洲各 大汽车制造商和照明系统的制造商共同组成了一个称为e u r e k aa f s ( a d v a n c e d f r o n t 1 i g h t i n gs y s t e m ) 的小组，该小组启动了n o 1 4 0 3 先进前照灯的研究项目， 该项目最初的研究目标是使前照灯对以下六种特殊情况的适应性调整：弯道、高 速公路、恶劣天气、空中的交通标志、乡村道路、城市中心道路。在这些应用中， 最具有商业价值的是弯道照明【1 j 。 近年来，随着a f s 技术的不断完善和发展，出现了传统a f s 与g p s 功能结 合的“预瞄型a f s ”( p r e d i c t i v e a d v a n c e df r o n t 1 i g h t i n gs y s t e m ，简称p a f s ) ， 传统的a f s 不具有预测性，而p - a f s 可以根据g p s 模块提供的信息进行道路状 况预测，提供最好的照明方式和行驶路线。最近的智能驾驶员辅助系统( a d v a n c e d d r i v e ra s s i s t a n c es y s t e m ，简称a d a s ) 就是一种具有预知功能的a f s ，它主要 有五个方面的应用：导航、速度协助、冲突避免、十字路口支持和道路预测。 未来a f s 系统中前照灯类型将有更大发展，随着l e d 灯的发展，将使前照 灯的寿命和能量节约上很大提高，此外，a f s 与汽车其他模块的结合将更加紧密， 在不同的行驶环境下提供更智能化的控制以提高驾驶安全。 a f s 系统可以概括地划分为信息采集单元、控制单元与实施机构。是一个多 输入、多输出的复杂系统。其主要结构见图l 一4 。 1 前照灯 前照灯可以是卤素灯、h i d 灯或l e d 灯等。 2 传感器和探测器 该部分主要是角度传感器和速度传感器，随着车身俯仰角、前轮转角、车速 等汽车自身参数和部分环境参数的改变，这些传感器和探测器通过传输电路将信 息传递给控制单元。 第一章绪论 智能前照灯系统 其他f 其 纠募 环境 信息 传 感 器 和 探 测 器 其他信号 图1 - 4a f s 系统架构 鬻 一机l 反馈i 构i 信号u 前 照 灯 3 控制电路 控制器将从传感器收集到的信号，经计算，转换为控制信号，使实施机构控 制前照灯对自身和环境变化做出反应。 4 实施机构 实施机构主要是将控制单元给出的信号转化为对前照灯的角度调整，使前照 灯对行驶环境因素的变化做出准确的反应。该结构包含部件较多，例如调整灯光 高度的高速步进调光马达等i l 。 5 其他部分 a f s 系统可以与汽车上的其他部件进行结合，使其功能更完善，提供的前照 灯照明控制更准确、更有效。a f s 与g p s 的结合在近年得到了一定的发展f 】7 】。 a f s 功能简单来说，就是利用前照灯系统的各个模块，通过采集汽车运行中 的角度信息、速度信息以及高度变化信息等，并与控制系统的配置值相结合，通 过一定算法，控制前照灯旋转至合适的位置，一方面使驾驶员能得到足够有效的 照明，另一方面又不对周围车辆和行人造成眩光，即光污染【l 5 1 。 1 2 汽车用角度传感器 角度传感器，在工业应用上也称之为旋转模拟数字解码器，它在2 0 世纪9 0 年代中期开发出来并引入汽车工业。用于汽车中的角度传感器多种多样，其工作 原理有光测量原理、磁测量原理、感应测量原理、电容或电阻器原理等多种，实 现方式也各不相同。 图1 - 5 是已知的各种类型汽车用角度传感器。 4 一 制路 一 一裂一 i 雠错一 一群捌 第一章绪论 光反射 光散射 求积解码 绝对解码 磁阻a m rg m r 霍尔效应 磁性约束 脉冲导线 屏蔽感应 可变电容电位计 可变感应 无接触电位计 磁通散步 感应耦合 图1 - 5 各类角度传感器 从图1 5 中可以知道，角度传感器的机理多种多样，同时又各有自身的优缺 点。例如，使用数字编码技术的光测量原理角度传感器，其精度较高，但其昂贵 的价格与较高的环境要求限制了其应用范围【引，也有数字式电磁角度传感器，相 对前者，它具有成本低廉、维护方便等优点 5 】。除了传输数字量，还有传输连续 信号的模拟角度传感器，在最终输出结构通过a d c 将模拟角度量转化为数字量， 其精度决定于a d c 的分辨率和传感信号的质量。 通过使用建模工具来分析不同的角度传感器时，可以知道它们都有共同的基 本机构。对于无接触的转向角度传感器，可以大致分为两类：一种是具有主动、 固定式传送器的角度传感器，而另一种是具有被动、不带调制器的旋转传送器的 角度传感器。 图1 - 6 带有主动、固定发射器的无接触角度传感器 第一章绪论 图1 - 6 是第一种带有主动、固定式传送器的角度传感器。它主要由6 个模块 组成，旋转轴是外部部件，它可以使调制器旋转，调制器给出旋转角和信号之间 的直接关系。接收器读取由调制器生成的信号，评测单元读取、处理接收器的输 出信号，此外，评测单元驱动传送器并比较读取的信号和驱动信号，最终评测转 向角并通知系统。这种结构几乎能在所有的光的、磁的、感应的和电容的传感器 原理中找到。 图1 7 带有被动、旋转发射器但没有调制器的无接触转向角度传感器 图1 7 是没有调制器的结构，不必驱动传送器或者激励任何场。传送器是一 种被动的、永久的、进行了预调制的传送器。例如，由永久磁铁提供一个恒定的 磁场，磁铁随旋转轴而转动，磁场也相应的旋转，磁场矢量在方向上的改变可以 通过致磁电阻传感器测量出来【14 1 。 基于电磁测量原理的传感器一般属于基带有主动、固定发射器的无接触式这 一类，传统电磁感应角度传感器一般是基于霍尔效应，通过永磁体与霍尔元件的 相互作用实现角度测量。该类传感器一般设有多个分度值，如工作转盘的齿数【7 1 、 圆周上霍尔器件个数、集成电路中n 阱环上接触孔个数【6 】等，本文所研究与设计 的传感器则是基于电磁感应原理的角度传感器，不含有永磁体以及分度盘等。 电磁感应测量的基本原理是，首先使交流信号作用于激励线圈，通过一个媒 介或感应耦合单元，使激励磁场随着旋转角度的变化而变化，接收线圈接收含有 旋转角度信息的感应磁场，评测电路通过检测接受线圈信号振幅或者相位来得到 旋转角度【4 j ： 采用感应测量原理的角度传感器在汽车上的应用不断增长，但市场上该类传 感器均为国外厂商制造，目前尚无国产电磁感应式角度传感器投放市场。现在这 一传感器的测量范围可以达到3 6 0 。，精度可达1 ，这意味着在考虑温度漂移 和老化漂移的情况下精度为0 3 。这种传感器以更低生产成本给出了更精确、 更可靠的测量方法【1 4 】。 6 第一章绪论 现在市场上主要有两种实现方案，这两种方案都使用的是感应耦合。第一种 方法由二维激励和接收线圈组成，图1 8 和1 9 给出了这种实现方法的设计方案。 图1 - 8 转子上的短路循环 在这种实现方案中，所有线圈都用印制电路板实现。l c 振荡器产生激励线 圈中的正弦信号，三个独立的接受线圈相互交织成2 0 。在转子上，短路循环 与接收线圈的形状相同，转子可以随着外部器件的转向进行转动。其工作原理可 以这样简单地描述，激励线圈产生的信号在转子的短路循环上感应出电磁场，转 子转动时，转子上的短路循环与三个接收线圈的正对面积会发生变化，这样转子 的电磁场在三个接收线圈上感应出的电磁场就会发生变化，通过处理三个接收线 圈上的信号，就可以得到转子旋转的角度。 图1 - 9 定子的构成 第一章绪论 上述原理是本设计的理论基础，在论文2 1 1 节将详细介绍该原理的具体实 现方案。 测量转向角的另一个方法是在激励线圈和接收线圈之间加一个随转向角变 化的导体，当导体转到某一位置时，接受线圈在相应位置得到的感应电磁场就会 由于导体的存在而发生衰减。这种方法也称为屏蔽效应。 1 3 任务安排与论文结构 本设计针对用于a f s 的电磁感应角度传感器进行研究，并基于研究结果开展 传感器的设计工作，主要任务为传感器信号处理电路芯片中数字集成电路的设计 工作。在本设计中，数字集成电路主要完成5 个工作模式的设计，实现传感器的 自动调整功能；完成解码电路、通信接口等多个功能模块的设计，以最小的功耗、 面积实现准确的控制与解码功能。数字集成电路设计目标为各个工作模式与功能 模块能够准确、有效的工作，解码精度设计为o 0 5 。 本文第一章主要介绍了a f s 以及电磁感应角度传感器的工作原理；第二章主 要介绍传感器系统架构设计，详细阐述了数字电路模块的设计；第三章介绍了数 字电路部分的综合、布局布线以及验证的流程：第四章是对设计的后仿真以及对 结果的分析。 第二章系统架构与数字电路设计 第二章系统架构与数字电路设计 本章将分析电磁感应角度传感器工作原理的基础上给出具体的系统架构设 计方案，并对数字电路完成的各个功能及相应模块的设计方案进行详细解释说 明。 2 1 系统架构 传感器主要由电感网络与信号处理电路组成，如图2 - 1 。信号处理电路通过 一片专用芯片实现，电感网络包括转子反馈线圈、定子激励线圈与三路定子接收 线圈三部分，它们分别位于转子、定子两块印制电路板上，其中转子与传感器旋 转轴固定在一起，可随轴旋转；定子位置固定，信号处理芯片位于定子上，与激 励线圈、接收线圈相接。 图2 1系统架构与信号通路 由于工作原理的不同，与其他类型的角度传感器相比，电磁感应角度传感器 的设计有自己的特点，在传感器整体设计过程中，应重点注意和解决以下几个问 题： 1 、激励线圈的形状与位置。激励线圈除了为反馈线圈提供交变激励，它还 对三路接收线圈产生一定的影响，而反馈线圈对接收线圈的作用是携带角度信息 第二章系统架构与数字电路设计 信号的来源，所以激励线圈对三路线圈的影响必须为一致的共模信号，因而它们 的相对位置对于电感网络的工作精度会产生重要影响。 2 、三路接收线圈的形状与位置。由于接收线圈与反馈线圈的互感大小直接 决定了接收线圈的输出信号，因此，每一路接收线圈必须与反馈线圈的相对位置 经过特定角度的旋转后应与其他两路接收线圈与反馈线圈的位置在空间上完全 重合，如果不能满足这一关系，将会造成三路接收线圈与反馈线圈的互感不一致， 进而影响信号精度。 3 、振荡器振荡幅度的稳定性。片内电路与激励线圈所组成的振荡器其振荡 幅度必须保持稳定，如果振荡幅值随时间不断变化，将会使电感输出信号幅值不 断变化，给角度的量化造成困难，这会直接影响传感器精度。 4 、振荡器振荡幅度的绝对值。振荡器本身的结构决定了难以确认其振荡幅 度的绝对值大小，因而需要片内数字电路对采样值进行校正。 5 、抗干扰能力。采用电磁信号的传感器共同缺点是抗电磁干扰的能力很弱， 但该传感器用于汽车前照灯系统，可能应用于复杂的电磁环境，所以抗干扰能力 的强弱决定了传感器的适用范围。 6 、装配误差的消除。由于传感器电感网络为非接触设计，传感器制造过程 中需要进行机械装配，装配可能带来两方面的问题，第一是转子与定子的距离不 能精确控制，这会影响二者之间的互感大小：第二是零角度无法准确标定。在设 计过程中需要注意消除两方面带来的误差。 7 、输入信号的放大倍数。由于电感网络输出的感应信号较为微弱，因而必 须对输入信号进行放大处理。而振荡器及装配所带来的不确定性使设计者难以预 先设定放大电路的增益，因而需要一个自动调节的过程消除各个不确定性所引入 的设计问题。 8 、a d c 输入范围与前端输出不匹配。由于不能预知前端信号的变化范围， a d c 的输入范围就无法预设，这就要求通过自动调节或校正工作能消除这一问 题所带来的误差。 9 、解码电路的设计。信号处理电路需要对成正弦关系的信号进行解码，对 于数字解码电路，目前存在多种实现方式，这就需要根据设计要求权衡各种方法 的利弊，以尽量小的面积、功耗代价达到最优的功能。 以上几个问题会在后文中逐一叙述解决方法，其中数字电路所实现的解决方 法将会得到详细说明。 1 0 第二章系统架构与数字电路设计 2 1 1 电感网络 电感网络传感功能采用第一章所叙述的电磁感应传感原理实现。激励线圈与 芯片内部振荡电路共同组成l c 振荡器，它一方面为片内数字电路提供时钟信号， 另一方面为其他电感线圈提供原始交变电磁场，电磁场经反馈线圈与接收线圈的 作用，产生三路与角度相关的电信号进入信号处理电路芯片进行处理，最终产生 与角度变化量成线性关系的输出值。 图2 - 2 电感网络示意图 图2 - 3 定子p c b 地布线方案 第二章系统架构与数字电路设计 从具体设计方案上看，它与第一章所述原理主要有以下三点不同之处： l 、电磁感应角度传感器原理中描述的是“六叶式”的设计方案，而该设计 是采用了“三叶式”的方案，如图2 2 。其目的在于在满足精度要求的情况下扩 大测量范围，相对于原理中的6 0 。测量范围，该设计的测量范围大小理论上可 以达到1 2 0 。 2 、在前述原理中，定子上三个感应线圈都是双端引出信号，在该设计中， 将三路接收线圈的一端连在了一起( 图2 2 中未标出) ，另外三端作为信号的引 出端。 3 、如图2 3 所示，通过合理的走线，定子的设计只用了一块双面的印制电路 板即完成了激励线圈和三个感应线圈的布局。这种方式一方面减少了传感器所用 部件数量，另一方面使三路接收线圈相对于反馈线圈、激励线圈在空间上所处的 位置保持相对一致，避免了由于空间位置不同而造成的感应信号差异。序号2 中 三端引出方法的目的之一是为了能在双面p c b 上完成线圈走线。 如图2 2 ，转子反馈线圈由一路封闭线圈构成，转子中轴线与旋转轴一致， 二者固定连接。转子与定子无物理接触，因而传感器属于非接触式角度传感器。 。 图2 4 是定子接收线圈与激励线圈布线图。 图2 - 4 接收线圈与激励线圈布线方案 外圈圆形走线是激励线圈，它与内部其他线圈的对称中心相重合，这在p c b 绘制中易于实现，这就使激励线圈对三路接收线圈的影响高度一致，即可将其视 为信号中的共模部分，在电路中可经差分消除其影响。 如左图所示，激励线圈内侧三种颜色描绘的线圈分别是三个接收线圈a 、b 、 c ，p c b 的另一面走线与图示面相似，但走线方向相反，通过合适位置的过孔把 p c b 正反两面的走线连成线圈，由图可见，每个线圈按照一定的规律绕制四匝， 第二章系统架构与数字电路设计 三个接收线圈的一端相连，另外三个端口作为电感网路输出端引入专用芯片( 左 图左侧) 进行信号的处理。通过左图可知，三个线圈的走线是均匀、对称的，其 目的在于保持三路接收线圈空间位置上的一致性，从而保证输出信号的一致性。 这就解决了前文中接收线圈与反馈线圈空间位置及距离可能不一致的情况。 为了能直观的看到p c b 正反面走线所构成的线圈，将图2 。4 左图中接收线圈 a 的第一匝绕线用红线进行了标注，见图2 4 右图。 电感网络的工作过程如下描述： 1 、激励线圈与片内电路组成的振荡器产生交变电磁场，转子线圈距离激励 线圈很近，由楞次定律可知，在转子线圈上也会感应出交变的电磁场。 2 、三路接收线圈处于激励线圈与反馈线圈共同产生的复合电磁场中，而激 励线圈对三路接收线圈的作用是完全一致的，可视其为共模信号。而反馈线圈所 产生的电磁场对于三路接收线圈作用是不相同的。 3 、当转子转动时，反馈线圈与三路接收线圈的相对位置发生变化，由毕奥- 萨伐尔定律可知，反馈线圈与任意一路接收线圈的互感都将发生变化【l 引，再由法 拉第电磁感应定律，三路线圈产生的感生电动势就会随转子转动而发生变化，从 而产生与角度相关的电信号。 一 经过电磁耦合仿真软件c o m s o lm u l t i p h s i c s 仿真以及分析计算，三路接收 线圈输出信号为幅值相位相差4 0 。的同相正弦信号： s 9 1 = ( a s i n ( 3 0 ) + 功s i n ( o t + 纠+ s ( 2 - 1 ) s i 9 2 = ( a s i n ( 3 0 + 4 0 。) + b ) s i n ( c o t + 咖+ 足 ( 2 2 ) s i 9 3 = ( a s i n ( 3 0 + 8 0 。) + b ) s i n ( c o t + 缈) + s 。 ( 2 - 3 ) 其中0 为转子转角，a 为输入信号幅度，b 为输入信号共模电平，s 。为外界 电磁信号引入的共模干扰。 2 1 2 信号处理电路芯片 信号处理芯片主要功能是将传感器旋转角度与电感网络输出信号之间的正 弦关系转换为旋转角度与专用芯片输出量之间的线性关系。 信号处理电路各个模块如图2 5 所示，具体功能如下： l 、e e p r o m 用于存储系统默认配置以及上、下限调试模式、零度标定模式 和解码校准模式中产生的修改值，系统初始化时，它为各个功能模块提供初始化 向量； 2 、振荡电路与激励线圈共同组成电流模l c 振荡器，振荡器自带幅度校正， 能保证振荡幅度的稳定性，它为数字电路提供时钟，为其他线圈提供交变电磁激 励信号： 第二章系统架构与数字电路设计 3 、r c 滤波器滤除电感网络输出信号中的高频干扰部分； 4 、通道开关对三路输入信号进行选择，每次选择两路，可以使其以6 种不 同的形式输入采样保持电路； 5 、仪表放大器对输入信号进行差分运算，消除激励线圈及其他共模干扰的 影响； 6 、增益可调放大器对仪表放大器输出信号进行放大【1 0 】，使其尽量匹配a d c 输入范围。其增益由上、下限调试模式产生的值来确定，数字电路计算其增益值 并控制其正常工作； 7 、a d c 完成模拟量至数字量的转换； 8 、基准源为模拟电路提供参考电平； 9 、数字电路完成时序控制、模式控制、数值运算控制、存储控制、输入输 出控制等功能，具体方案将在2 2 节详细说明。 图2 5 信号处理电路各功能模块 信号处理电路在正常工作模式下的信号处理过程为： l 、系统读取e e p r o m 的存储数据，并将各个数据写入相应的特殊功能寄存 器，从而实现对各个模块进行初始化配置； 2 、前端电感网络产生的三路信号进入信号处理芯片，由三级r c 滤波电路完 成滤波； 3 、数字根据控制变量的要求选通一组通道开关( 六个通道开关分为三组) ， 即选择其中两路信号分别进入采样保持电路，将交流量转化为直流量； 4 、信号输入到低噪声仪表放大器中，消除激励线圈带来的共模信号及外部 干扰的影响； 第二章系统架构与数字电路设计 _ 一 5 、可变增益放大器在数字控制下对输入信号进行特定倍数的放大，使信号 尽量匹配a d c 的输入范围，保证量化精度； 6 、a d c 将模拟量转换成数字量； 7 、数字解码电路将信息转化为与角度成线性关系的输出量。 2 2 数字电路设计 在本设计中，数字电路的主要设计任务是：1 完成1 2 c 总线通信接口的设计， 实现测试系统对传感器工作状态的实时监测与配置；2 完成传感器多种工作模式 的设计，使传感器能通过自动调节有效减小或消除其他模块所引入的误差；3 完 成信号通路时序控制，使模拟电路顺序完成信号的选择、差分放大、数字化等功 能；4 完成数字解码电路的设计，在一定精度下将角度与输入信号的正弦关系转 化为角度与输出的线性关系；5 完成存储器的控制，使其准确识别各个存储数据 的有效性，优化系统初始化配置。 2 2 1 数字电路架构 数字电路各个功能模块以及控制通路、数据通路示意图如图2 - 6 所示。由于 传感器需要设计多个工作模式，多个模块需要在不同模式或不通工作状态下进行 复用，如运算核心的多个运算器和计数器，因而，在数字电路设计中将各个功能 细化为具备通用接口的可复用模块，并为主要模块配备控制器，由控制核心统一 调配，便于管理和复用。 控制核心由七个状态机构成：主状态机、初始化状态机、上限调试状态机、 下限调试状态机、调零状态机、解码校准状态机与正常工作状态机，它们分别为 传感器不同的工作模式或工作状态提供控制信号。主状态机主要通过接收片外控 制信号，读取特殊寄存器的标志位来决定工作状态或工作模式的转换；初始化状 态机主要顺序从e e p r o m 中读取系统初始化向量，并将其写入特殊寄存器或与 各个功能模块的配置位；上、下限调试状态机主要通过一路信号与片外互动，实 时采样计算电感线圈的输出值，将最大值、最小值分别取出，经运算核心运算， 将最终结果写入e e p r o m ；调零状态机主要对传感器进行零度标定，传感器采 样外部输出值，经解码电路运算，结果写入e e p r o m ，供正常工作模式下的解 码运算调用；解码校准状态机主要分析上、下限调试的结果，对解码运算中需要 调用的参数进行采样、计算，运算结果写入e e p r o m 。 第二章系统架构与数字电路设计 图2 - 6 数字电路架构 e e p r o m 主要用于存储各个工作模式所产生的解码运算参数及系统初始化 向量；信号通道时序主要控制从通道开关到a d c 的这一模拟信号通道上各个模 拟电路模块；运算核心包含计数器、加法器、乘法器、除法器等几个模块，主要 对各个中间数据进行相应运算或计数工作；反正弦解码电路主要将前端电路所产 生的数字量转化为与角度成线性关系的数值。初始化寄存器主要存储从 e e p r o m 传送过来的系统初始化向量和解码运算参数。 e e p r o m 控制器、通道时序控制器、解码电路控制器、运算核心控制器等几 个功能模块的控制器主要在不同工作模式或工作状态下协调相应模块的调用工 作并使其正确选择数据输入和输出的通道。 1 2 c 总线主要用于接收片外控制信息，片外控制器可通过它对e e p r o m 内存 储的解码运算参数及系统初始化向量进行改写。 p w m 产生电路主要将片内运算得出的角度值实时转化为脉宽调制波。 2 2 2 工作模式 为了消除传感器制作装配以及模拟电路不确定性所带来的误差，传感器设计 有上限调试模式、下限调试模式、零度标定模式、解码校准模式四种调试模式， 经四种调试模式调试后，传感器可进入正常工作模式完成角度传感功能。如表 2 1 ，四种工作模式由2 b i t 输入信号m o d e s l c t 决定。 第二章系统架构与数字电路设计 一 鲞三：! 堡壁登婴登三堡蕉壅箜垄量 _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ l _ _ - _ _ _ _ - _ l - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - 一一 巴竺堕旦曼堕i ! 型 兰：坠业至：业! 兰：垒! 壁 垄：坠! ! 一 l _ _ _ _ - _ _ _ i - _ _ _ - l 。_ _ - _ _ l _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ 。- 。一一 工作模式 解码校准模式上限调试模式 工堡塑达堕塞一量廑堡主至童塞茎 另外有l b i t 的输入信号n o r m a lm o d e 用于激活正常工作模式，该信号优先级 高于其他四种调试模式。 2 2 2 1 上、下限调试模式 在传感器完成电感网络、芯片、旋转臂等部件的制作、装配工作可能存在以 下几种误差或不确定性： 1 、由于印制电路板的工艺误差，造成不同板之间的电感有微小差别，这会 影响l c 振荡电路的工作频率，所以电感网络的激励信号频率有一定的不确定性， 交变电磁场经反馈线圈作用后在接收线圈上产生的感生电动势就有所差别，而且 感生电动势幅值大小随激励信号频率的升高而增大。 2 、除了振荡频率外，振荡器所产生的激励信号的振荡幅度也难以提前预测， 而且振荡幅度可能在不同传感器之间有所差别，对于振荡幅度较大的激励信号， 接收线圈所产生的输出信号幅值也更大。 3 、不同传感器之间，转子电路板与定子电路板的距离在装配过程中可能存 在一定误差，使各线圈之间的互感系数发生微小变化，这也会影响接收线圈感生 信号的强弱。转子与定子距离越近，互感系数越大，感生信号越强。 4 、对于信号处理电路芯片来说，输入信号幅值的不确定性造成可编程放大 器的闭环增益难以确定，放大后的信号幅值也就存在不确定性。 5 、对于a d c ，输入范围是不能准确预测的，如果输入信号变化范围小于a d c 的输入范围，会使a d c 输出码值不能全覆盖1 0 h 0 0 0 1 0 h 3 f f ，只能覆盖其中 部分码值，这就给后端数字解码电路的设计提出了难题。 以上几个问题使信号变化范围彳i 可预测，对传感器工作精度将产生极大影 响，如果不能解决这些问题所带来的误差，传感器将难以达到设计要求。基于以 上问题的分析与考虑，如何设计调试工作模式，使传感器能自动识别、准确量化 信号变化范围或者确定信号最大值与最小值，在传感器设计过程中是至关重要 的。 如上分析，一方面导致信号变化范围不确定的多个环节均在信号到达a d c 之前，另一方面真正对信号进行解码、求值运算均在a d c 对信号进行量化之后， 所以要在a d c 前后环节采取手段消除误差。经过多方面考虑，我们设计了利用 第二章系统架构与数字电路设计 a d c 获取信号上下限，再利用上下限对可变增益放大器及解码电路进行反馈调 节的方法。上限调试模式工作流程如图2 7 。 通过外部信号控制，系统进入上限调试模式后，首先置位通道时序控制器相 应的标志位，使模拟数据采集通道开始工作，数据通道每个循环采集三个数据( 经 a d c 量化后，将三个数据记为d a t aa 、d a t ab 、d a t ac ) ，当三个数据采集完毕 后，使其进行采样规则的对比，对比算式如式2 4 。 图2 7 上限调试模式工作流程 f d a t aa = d a t ac d a t a b d a 幻一口( 2 - 4 ) 如果三个数据满足式2 4 所列的关系( 三点关系参见2 2 3 解码电路) ，即可 认为已经到达采样工作点。对于旋转角度是否满足采样工作点规则，系统通过 l b i t 输出信号w o r ks t a t 与外界进行交互，该信号为低电平时需要外界逐步调sig 整角度，当数据到达采样工作点时，该信号跳变为高电平。 当系统确认采样工作点后，将d a t ab 与a d c 输出上限1 0 h 3 f f 进行对比， 如果d a t ab 1 0 h 3 f f 的情况) ； ( 2 ) d a t ab l0 h 3 f f 且g a i nt om a x = l b l ( 可变增益放大器增益值已达到最大) 。 第二章系统架构与数字电路设计 系统设有一级增益缓存寄存器m a x _ g a i n s t o 4 ：0 - 与- - 数据缓存寄存器 m a xd a t as t o 9 ：0 ，在不断增大可变增益放大器闭环增益的过程中，新的数据与 增益产生之前，前一数据将写入缓存寄存器中，因此在整个增益调节过程中，当 前增益及其对应的a d c 输出值与上一增益及其对应的a d c 输出值总是能够得 到。当达到上限对比终止条件时，如果是终止条件( 1 ) 触发上限对比终止，则 取上一增益及其对应的a d c 输出值作为最终值，如果是终止条件( 2 ) 触发上限 对比终止，则取当前增益( 即最大增益) 及其对应的a d c 输出值作为最终值。 在上限调试过程完成时，系统将会对初始化寄存器中的指示上限调试完成的 标志位m a xm o d ef l a s h 进行置位操作。 完成上限对比后，系统调用e e p r o m 控制器将上述过程所取的数据最终值、 增益最终值以及标志位m a xm o d ef h s h 的值写入e e p r o m ，至此，完成整个上 限调试过程。过程完成后，输出交互端口w o r ks t a t 将会变为方波信号。sig 下限调试过程与上限调试过程类似，只是采样规则工作点条件变为： i 如t aa = d a t ac 1d a t a b 口 。 脚 安 鸯 庄 坛 蛎嚅 六 - 、冬 3 区4 区 芦六 t 潞线a 曲线b 曲线c ， 一、汝 、 、 ， 、， 一 、 。， 02 04 06 08 01 0 0 1 2 0 角度值( 。) 图2 1 2a 1 ) ( 2 量化输出与角度的关系 第二章系统架构与数字电路设计 整个角度解码模块的功能即将纵轴的a d c 的量化输出值转化为横轴的角度 值。如图所示，系统默认零度定义为曲线a 与曲线c 数值相等而曲线b 大于前两 者时的角度值。 图2 1 2 中，曲线幅值最大值( v m + a m ) 与最小值( v m a m ) 是已知的，原因 如下： 从图中容易看出，满足式2 5 ( 设d a t aa 、d a t ab 、d a t a 一c 分别对应曲线a 、 曲线b 、曲线c 的值) 关系的点处于系统默认零点，此时曲线b 的值恰好位于幅 值最大处，因此，上限调试模式即获取了该值的大小及相应的增益。同理，在下 线调试模式中满足式2 - 6 的点处于系统默认6 0 。处，此时曲线b 的值恰好处于幅 值最小处，这样就获得了a d c 量化码值最小点及其对应的增益。 获取完毕后仍然存在一个问题：往往上、下限调试模式中分别获取的最佳增 益值不相等，必须进行取舍。如果取二者中较大的增益值，a d c 的输入就会越 过a d c 输入范围的上边界或下边界，造成解码错误，因此，在解码校准模式中， 系统会取两个增益值中较小的一个作为最终增益。 完成增益取舍后又带来一个新的问题：如果最终增益与上限调试模式中所得 到的增益相等，则下限调试模式中所得到的a d c 输出下限值随之失效。反之， 上限调试模式中所得到的上限值失效。这就需要重新再获取一次a d c 输出上限 值或下限值。因此，解码校准模式除了取舍最佳增益值之外，又根据比较结果， 调用最终确定的增益值重新对a d c 的输出上限或