（检测技术与自动化装置专业论文）一种高精度角度传感器的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 一种高精度角度传感器的研究 摘要 角度测量是技术测量中的一个组成部分，每个零部件的加工、装配和安装都会遇到各 种角度测量问题。随着生产和科学技术的发展，对产品和零部件角度测量应用越来越广泛， 对精度要求也越来越高。现有的一般角度测量装置精度较低，也有一部分应用高密度光栅 和激光干涉的测量装置精度较高，但其结构复杂并且成本较高，不易于大范围推广应用。 本文提出了一种结构简单，却能达到较高测量精度的新型角度传感器。 本文主要内容如下： 1 、介绍了角度传感器的研究意义和国内外研究现状，分析了各种类型角度传感器的 特点和存在的不足。 2 、提出了基于电子高频脉冲细分角度的思想，详细介绍了高精度角度传感器的测量 原理，并分析了系统的一些特性。 3 、构建了系统实验平台，完成了系统的硬件设计和软件设计。 4 、设计了针对测量电机每周内角加速度变化情况的实验，为带动光栅盘电机的选择 提供了依据。 5 、对系统调试和实验。采取先对各个单元模块独立调试与实验的方法，对每个单元 电路的性能进行分析处理，然后进行联合调试与实验。 6 、对系统误差进行分析，并提出了改进措施。 关键词：角度传感器，高频脉冲，测角加速度发电机，f p g a 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nh i g hp r e c i s i o na n g l es e n s o r a b s t r a c t a n g l em e a s u r e m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r e m e mt e c h n o l o g y ，i tc a l lb ew i d e l y u s e di np r o c e s s i n g ，a s s e m b l ya n di n s t a l l a t i o no fe a c hm e c h a n i c a lc o m p o n e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g y ，a n g l em e a s u r e m e mw i l lb ea p p l i e di nm a n yf i e l d s ， a n di t sr e q u e s ta b o u tp r e c i s i o nb e c o m eh i g h e rt h a nb e f o r e t h ea n g l em e a s u r e m e n td e v i c e s w h i c ha r ew i d e l yu s e di nf a c t o r yh a v el o wa c c u r a c y o fc o u r s e ，t h e r ee x i s ts o m ed e v i c e sb a s e d o nh i g hd e n s i t ya n dl a s e ri n t e r f e r e n c ec a nr e a c hh i g hl e v e lo fp r e c i s i o n ，b u tt h e i rc o n f i g u r a t i o n a r et o oc o m p l e xa n dc o s tm u c h ，s oi ti ss oh a r dt ou s ew i d e l y t h i st e x tp u tf o r w a r dan e w a n g l e s e n s o rw i t l ls i m p l ec o n f i g u r a t i o na n dh i g hp r e c i s i o n 砀et h e s i si ss t r u c t u r e da sf o l l o w s ： 1 t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa n g l es e n s o r sa tp r e s e n ta n da n a l y z e st h em e r i t s a n dd e m e r i t so fa l lk i n d so fo t h e ra n g l es e n s o r s 2 t h e ni ti n t r o d u c e st h em e a s u r i n gp r i n c i p l eb a s e do ns u b d i v i s i o no fa n g l eb yh i g h f r e q u e n c yp u l s e ，a n ds o m es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s 3 i ts e t u p st h es y s t e me x p e r i m e n t a lf l a tc o n s i s t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 4 i td e s i g n st h ee x p e r i m e n tt ot e s tt h ea n g u l a ra c c e l e r a t i o ni ne v e r yc y c l e ，i ti ss oh e l p f u lt o c h o o s eap r o p e rm o t o r 5 i tc a r r i e so u tt h et e s ta n de x p e r i m e n to ft h es y s t e ma n da n a l y z e st h ee x p e r i m e n td a t a 6 i ta n a l y s i st h ee r r o r so fs y s t e ma n dp u tf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n t s k e yw o r d s ：a n g l es e n s o r ，h i g hf r e q u e n c yp u l s e ，a n g u l a ra c c e l e r a t i o nt a c h o g e n e r a t o r ，f p g a 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者躲江牟仔嗍砰j 月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、乃保密口。 v ( 请在以上相应方框内打“”) 日期。优彳年，月乒目 日期：护? 年，月冲e l 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1角度传感器研究的意义 角度是一个十分重要的物理量。在国际上明确规定弧度( 平面角单位) 和球面度( 立 体角单位) 是国际单位制中除七个基本物理量以外仅有的两个辅助单位。角度有四种表示 形式，分别为弧度制、六十分制、百进制和密位l l 】。 我国是世界文明发达最早的国家之一，有着悠久的角度计量历史。从现已出土的部分 文物及史料记载，在公元前几百年的战国时期，我国就已经有了简单的角度量具铜矩 尺【2 1 。它与现代测量直角的直角尺形状相似，是我国目前发现的最早的角度量具。随着生 产的发展，角度测量技术也在不断地改进和提高。特别是在现代工业技术中，角度是机械、 仪器仪表和电子产品制造业中的重要几何参数之一，它的准确度直接影响着产品的质量与 寿命，因而角度测量在现代工业中占有重要的地位。现代的角度测量技术种类较多，已在 电机、汽车、船舶运输、交通、机械制造、石油、冶金等多方面获得了广泛的应用。特别 是近十几年，随着角度感器的发展和微型计算机在这方面的应用，使角度测量技术上升到 了一个新的高度，测量范围和精度都有了很大的提高。如何进一步改进角度测量手段对提 高加工精度和科学研究等方面都有十分重要的意义。 1 2 角度传感器的国内外研究现状 角度测量一般是通过传感器获取转角信号，经转换成电路参数量，再通过转换电路转 换成电信号输出。随着微处理器和集成芯片的发展，对输出信号的处理日趋完善，功能也 日益强大，可直接显示、打印、记录、储存或供给控制系统，完成测量或控制的功能。角 度传感器的应用十分广泛，涉及众多的行业，如机械加工、航空航天、智能机器人等，在 当今的工业技术中占有重要的一席之地p j 。 在机械工业中，处处需要角度测量。例如各种机床部件的水平和垂直位置的调整、生 产中各零部件角度的检验、各种圆分度误差的检验以及切削刀具角度的检验等生产操作都 离不开角度的测量。一般来说，依靠圆分度的机械式角度测量装置精度较低，但在引入了 多齿分度技术后，一般被认为精度不很高的机械式角度测量仪器也有了新的发展。例如一 1 浙江工业大学硕士学位论文 种类似于齿轮端面离合器结构形式的多齿分度盘，己成为圆分度的重要器件。它可使分度 差误差本来较大的单个齿盘，通过两个相同齿盘的紧密啮合后的平均效应将分度精度大为 提高，目前己能达到o 1 t t ，跃居高精度圆分度行列。以多齿分度盘为圆分度器件的多齿分 度台还具有结构简单、使用方便和对使用环境要求不高等许多优点。而且通过不同啮合齿 数的两对以上齿盘的差动或细分装置，可获得较小的分度间隔。多齿分度技术的出现，为 提高机械分度精度开辟了新的途径。 机械式的角度测量技术发展得相对比较成熟，近几年对角度测量技术的研究和应用大 都在光电技术上寻找突破口。特别是随着现代计算机技术的发展，诞生了多种多样的角度 传感器。通常按工作原理来分有电位式角度传感器、电阻应变式角度传感器、光栅式角度 传感器、磁栅式角度传感器、感应同步器和码盘式角度传感器等。各类角度传感器的主要 性能汇总在表1 1 ，表中数据为近似值，鉴于同种原理有不同测量方法和数据处理方式，故 得到的精度和分辨率并不一定相同。以下介绍几种典型的角度传感器： 表1 1角度传感器的主要性能【4 】 原理 量程精确度线性度分辨率特点 结构简单。测量范围 广，输出信号大，抗干 线绕电位器式 0 。3 3 0 。 o 1 o 1 o 1 1 扰能力强，精度较高， 分辨率有限，存在接触 摩擦，动态响应差 分辨率高，耐磨性好， 非线绕电位器 0 。3 3 0 。 o 5 o 2 5 2 6 。 阻值范围宽，接触电阻 式和噪声大，附加力矩较 大 无附加力矩，分辨率较 光电电位器式 0 。3 3 0 。 0 2 3 高，寿命长，响应快， 线性度较差 电阻应变式 1 8 0 。 o 5 0 1 o 5 o 0 5 o 1 性能稳定可靠 精度高，易数字化，能 光栅式 3 6 0 。 ：t o 0 6 。0 0 1 。动态测量，对环境要求 较高 结构简单，易数字化， 磁栅式 3 6 0 。 ( o 5 5 ) ” 磁录方便，成本低，需 磁屏蔽 精度较高，易数字化， 能动态测量，结构简 感应同步器 3 6 0 。 ( o 5 1 ) ” 0 1 单，对环境要求低，电 路较复杂 2 浙江工业大学硕士学位论文 分辨牢高，精度高，易 数字化，非接触式，寿 码盘式 3 6 0 。 o 7 一 o 1 一 命长，功耗小，可靠性 高，电路较复杂 分辨率高，灵敏度高， 电容式 7 0 。 2 5 ”o 1 一 结构简单，需屏蔽 精度高，设各复杂，成 激光式 + 4 5 。 0 1 本高 自整角机 3 6 0 。0 5 2 。 精度不高，线性范围 旋转变压器 3 6 0 。 小，性能稳定，对环境 2 5 7 小角度时要求低，抗干扰能力 o 。1 强，使用方便 电感移相器 3 6 0 。 分辨率高，无接触，测 微动同步器 + 4 0 。 1 3 2 一 量范围小，电路较复杂 结构简单，精度较低， 霍尔传感器 3 6 0 。 1 0 1 生产成本低 1 2 1电位器式角度传感器 电位器是一种常用的电子元件，在仪表与传感器中可作为传感元件，把输入的机械位 移( 角位移或线位移) 转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出【4 1 。电位器式角度传 感器的原理类似一个滑动变阻器，将导线紧密地缠绕在骨架上，导线上装有一电刷，当电 刷位置改变时，电阻随之改变且阻值的变化与所转角度成一定函数关系。非线绕式的原理 与线绕式的一致，不同的是在骨架上喷导电层或用导电材料制成骨架。骨架的形状可根据 需要定制，用作测角传感器时一般做成圆弧形。这类角度传感器市场上比较常见，精度一 般不高，适合一般的测量场合。例如上海智松传感科技有限公司生产的w d j 型号的角度传 感器，其线性精度最高为0 1 。 1 2 2 光栅式角度传感器 光栅式角度传感器是依据莫尔条纹现象进行测量的。两块栅距相等的光栅夹角为时， 在单侧光源的照射下会产生莫尔条纹现象。光通过两块光栅后光能量的分布是一个近似的 正弦波【5 】。光栅相对移动一个周期时，莫尔条纹对应变化一个周期。此时在光栅背面设置 一个光栏，并用光电元件来接受透过两块光栅的光能量，则光电元件输出的电压信号将随 着光栅的移动而变化，移动一个栅距变化一个周期。可根据变化的周期来测量线位移或角 位移。光栅式角度传感器的精度主要取决于光栅的刻线密度，密度越大的精度越高，常用 浙江工业大学硕士学位论文 的是3 0 0 1 5 0 0 线毫米。受加工水平的影响，其密度不可能无限提高。目前关于光纤光栅的 研究比较热门，文献t 6 j 和文献【7 1 中有具体应用实验。总的来说，近几年用光栅的干涉原理 来测量线位移或角位移的研究比较多而且精度较高，如n p l 测角仪的不确定度为0 0 5 秒【8 1 。 1 2 3 磁感应同步器 感应同步器由两个平面绕组组成，一个是连续绕组，另一个是分段绕组，有偶数段， 分成a 、b 两相，两者的分段绕组相互间隔。这是一种多极感应元件，能对误差起补偿作用， 精度较高。图1 1 是将部分绕组放大的电路示意图，连续绕组通上稳定的交流电，当两个面 的绕组有相对转动时，分段绕组上会产生感应电流，每转动一个栅距电流变化一个周期。 a 相与b 相相差鲁，可以用鉴相或鉴幅方式确切反映一个空间周期内的任何角度变化。 t t _i jljljll xx g r r 1r 1r 图1 1 磁感应同步器 1 2 4 霍尔角度传感器 自1 8 7 9 年美国物理学家e d w i nh e r b e r th a l l 发现霍尔效应以来，以此为基础的霍尔传感 器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于现代工业控制的各个 领域【9 】。而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。 霍尔角度传感器是根据霍尔效应来设计的，测量原理如图1 2 所示。 当永磁体旋转时，霍尔元件可感应到磁场的磁向量并输出分别与位置角护正弦、余弦 信号成比例的k 和巧信号。通过巧除，则由敏感芯片自身灵敏度差异或磁场变化引起 的误差被抵消，模拟输出电压代表的角度与磁体、温度和i c 的增益敏感度无关【1 0 】。即芯片 输出电压成为敏感芯片所检测到的场强的一元函数，代表磁体在整个3 6 0 。范围内的绝对机 械位置。目前基于霍尔效应角度传感器的研究测量精度不高，文献| l l 】和1 1 2 ：l 有关于霍尔角度 传感器具体应用实验，精度在0 5 。左右。一般市场上常见的基于霍尔效应的角度传感器精 4 浙江丁业大学硕士学侥论文 度不是很高，例如美m m e a s 传感器公司生产的a c c u s t a r i i 系列的倾角传感器精度为0 叭。 图1 2 霍尔角度传感器 1 3 本章小结 角度传感器种类繁多，不断有新的思想和方法提出，例如文献i ”1 中基于电容随角度变 化没计的角度传感器；文献中用电荷耦台器件来检测光线随转角变化的偏移量：文献 中提到的基于光学内反射的角度传感器；文献 j 6 1 中的光电角编码器等多种测量方法；文献 【1 1 中利用光学原理盼多角镜，其精度较高；文献中应用洛伦兹力与电容感应技术测量角 度的方法。总体来说，机械式和电磁式的角度传感器发展比较成熟，但基于原理和加工手 段的限制其精度有限：基于光学原理的角度传感器以精度高的特点越来越受人们关注，发 展也十分迅速。在高精度角度测量领域，如今一般用的是高密度光栅和激光干涉测量1 ”1 等基于光学原理的测量方法，如文献瑚啪1 中应用的激光自准仪。但这些高精度设备一般 机构复杂且成本十分高昂，难虬推广普及。其原因在于光栅密度、光学元件的不平行度和 粗糙度等特性在现有的加工条件下难咀提高。本文所设计的角度传感器避开了在物理条件 上细分角度这难题，而以均匀的高频脉冲来细分角度。本文设计的角度传感器在原理上 与以往的角度传感器有很大的不同，成本较低，且理论精度可达00 1 角秒，这远高于一般 的角度传感器的精度并且在改变一些参数的条件下精度还有提升的空间，因此具有广泛 的应用前景。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章高精度角度传感器测量原理 2 1 机械结构及工作原理 本课题研究的对象是一种高精度角度传感器，其原理基于用高频脉冲细分角度的设计 思想，将平面的角度测量转化为时频测量。时间与频率基准的精度是所有计量基准中最高 的一种，也是复制得最精确，保持得最稳定的一个物理量。准确度可达1 0 1 4 ，校准方便， 因而数字化时频测量可达到很高的准确度。此角度传感器有别于传统的角度传感器设计原 理，理论上具有高精度、大范围和低成本等特点，具有很广阔的应用前景。以下着重讲述 这种高精度角度传感器的工作原理和电路结构。 首先介绍一下传感器的工作原理，如图2 1 所示： 旋转件 图2 1 传感器工作原理图 传感器内部有一条刻线的光栅盘，由电机带动作匀速旋转，光栅盘的下方有一个固定 不动的反射式光电传感器，多 i - n 有一个与被测件同步旋转的直射式光电传感器。进行测量 作业时，首先将转轴与被测元件进行同轴联接。启动电机，带动光栅转盘匀速转动。然后 在电路中设置清零来确定初始位置，当被测元件产生角位移时，电路便会进行相应的计数 6 浙江工业大学硕士学位论文 - _ - - 一_ 一一_ l l_ _ 和显示来表示被测转角的大小。 传感器结构如图2 - 2 所示，底部由电机带动光栅盘作匀速旋转，由传感部分提取角度信 号，经信号传输部分将已转换成数字信号的角度信息送入外部数字信号处理系统，将转角 信息可视化。 i信弓传输 1 ： ： 传感 ： 电舰传动， 筑”，一一 ， 、一一，一j 一；，一。； 图2 2 传感器结构示意图 对于一般的旋转系统来说，由于结构限制，旋转体的内部供电一直是一个比较棘手的 问题。通常有两种应对方法：第一种是在旋转体内部安装纽扣电池，给内部电路供电，信 号由无线模块发射到外部的接收电路。第二种是在转轴上安装滑环，通过与弹簧片的接触 将信号传输到外部。这两种方法各有各的优缺点，前者结构简单，但维护麻烦，特别是对 于一些不易拆卸的装置来说，要经常更换电池很不实际，例如轮胎内压力温度的检测；后 者的维护相对来说要容易些，但通过滑环输出的信号易受干扰，特别是对于高速旋转的器 件干扰就更大了，而且接触器件容易磨损。 本文所设计的新式供电方式与以上两者不同，既不需要电池供电，也不需要通过滑环 连接。其核心思想是将外部线圈用交流励磁来产生一个交变磁场，从而使内部线圈在这个 交变磁场的作用下产生感应电压，设计思想与变压器的设计一致。为适应磁路的需要，转 轴和外壁需要用铁磁性材料制造。 2 2 测量原理 角度的测量需要有个角度参考位置，即角度初始位置，通常称为零位。在此假定动传 浙江工业大学硕士学位论文 感器和静传感器处于同一半径线上时为参考位置( 实际测量时可任意设定初始位置，详见 第四章内容) ，以此作为测量的起始点。系统的测量原理如图2 3 所示。 静传基签 动传礤嚣 食威信号 商颇脉冲 对应脉冲教 鼹鼬疽寐挣数 图2 3 测量原理图 两个传感器处于初始位置时开始测量，此时两路传感器的输出一致，没有对应于角度 大小的脉冲数。当产生角位移时，静传感器的输出信号仍然不变，动传感器的输出则与初 始输出产生一个相位差。此时将这两路信号经过电路变换后生成一路代表相位差的脉冲信 号，将此信号与系统产生的高频脉冲信号相与即可得到相位差内的脉冲插值。同理可以将 静传感器输出的信号处理后进行高频脉冲插值，得到一周的脉冲插值信号。将第一次测量 中相位差信号的脉冲数记为m ，一周的插值脉冲数记为。我们很容易就能得出此次测量 r 被测角度的大小为i ，v ，1x 3 6 0 。度。 2 2 系统结构 系统实现对角度的测量主要有两部分组成：前一部分是转角位置信号的提取，主要指 怎样实现将转角信息转化为相应的具有相位差的数字脉冲信号；后一部分是信号的处理与 显示，主要指信号经过f p g a 和单片机后显示角度信息。系统结构如图2 4 所示。 静传感器在光栅盘匀速转动时输出正弦波信号，此信号经处理后进入f p g a ：动传感 器输出的信号同样经过处理后送入无线发射模块，由外部的无线接收模块接收信号并送入 f p g a 中与静传感器这一路送入的信号进行处理。f p g a 完成对脉冲信号的插值后经中断 要求单片机读取记数值，并将f p g a q h 设置的计数器清零。单片机对读取的记数值进行相 应的运算后可得到本次所测量角度的大小，并将信号送入液晶显示模块。液晶显示模块根 浙江工业大学硕士学位论文 据设定的信息和送入的角度信息完成显示功能，从而完成本次测量。 2 3 系统特性 图2 - 4 测量系统结构图 2 3 1 测量精度 设电机的转速为蚀( 转分) ，脉冲的频率为厂。则每转所需时间f ：6 0 ，每转含脉冲 悠 h - r 个数= 厂f = 竺生，故仪器的分辨力 强 ，：下3 6 0 x 6 0 x 6 0 ：芈( 秒) ( 2 1 ) ，= 一= o l jl z ij n 。 假如电机转速为1 0 0 转分，脉冲的频率f = 2 0 0 m h z ，带入计算可得分辨力约为0 0 1 ( 秒) 。与传统的角度传感器相比，其精度明显有较大的提高，在调整脉冲频率和电机转 速的情况下还有提升的空间，不过测量范围会因此而减小，测量周期亦会增加。 2 3 2 测量范围 参照上述晶振频率和电机转速可计算出静传感器一周对应的脉冲数为1 2 x 1 0 8 个，该数 值在2 2 6 与2 2 7 之间，故需要设计2 7 位以上的计数器才能满足测量要求。本文设计的是3 2 位 计数器，结合测量原理可知传感器的测量范围取决于3 2 位计数器可计得的最大脉冲数与每 周内脉冲数的比值，参照上述晶振频率和电机转速可计算出传感器的测量范围约为一 1 2 8 8 4 0 , - - , + 1 2 8 8 4 0 ，此范围远比一般的角度传感器大得多。由于晶振频率和电机转速均可调， 计数器也可根据要求设定更多的位数，故可根据实际情况增减系统的测量范围，以更好地 提升系统的测量性能。 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 3 测量周期 此处说讲的测量周期是指系统完成一次测量读数所需要的时间，大致上可分为信号提 取和信号处理两个部分，前者所需的时间远大于后者，故电路中所进行的信号处理部分所 需时间可忽略不计。对于信号提取部分，鉴于被测器件的转速一般较低，远小于光栅盘的 转速，故可近似认为光栅盘旋转一周完成一次计数。以1 0 0 转分的电机来计算，可估计一 次计数约0 6 秒，即测量周期为0 6 秒，可满足现场测量要求。 2 4 本章小结 本章详细介绍了传感器的机械结构、测量原理和系统结构，这是一种新结构、新原理 的角度传感器，与以往的角度传感器有着本质的区别。还对系统的一些特性作了分析，为 后续的设计作了铺垫。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章硬件设计 系统的总体结构如图2 _ 4 所示，根据图中内容，以下分别阐述无线电源传输设汁、光 电发射接收电路、无线传输电路、f p g a 处理部分、单片机处理电路、l c d 显示等功能模 块的具体内容。 3 1 无线电源传输设计 无线电源传输装置类似一个变压器，由外部原边线圈和内部副边线圈组成，通过轴和 外筒壁形成磁路，实现内部电子元件的无线电源供给。设计思路与变压器设计一致。 根据变压器设计原理公式【2 2 1 ： e = 4 4 4 州吃s ( 3 - 1 ) 其中e 为原边供电电压，f 为电源频率，n 为线圈匝数，吃为饱和磁通密度。铁心柱 截面直径为2 0 r n m ，则其截面 s = 31 4 1 0 。f m 2 、( 3 2 ) 由图3 - 1 中的磁化曲线保守估计铸铁的以为0 5 t 。 图3 - i导磁材料融化曲线b ” 圈 溺 溺蘩蘩一缫麓糍攘瀚 浙江工业大学硕士学位论文 在e = 3 6 v ，f = 5 0 h z 的条件下，代入各数据，可得： 3 6 = 4 4 4 x5 0 x n x 0 5 3 1 4 x 1 0 4 n = 1 0 3 3 最大估计两副边消耗的功率为5 w ，考虑到变压器的转换效率( 约8 0 ) ，由此得原边 电流 w s ， ，= 鲁= 警= 1 7 4 ( m a ) ( 3 - 3 ) 己，3 6 计算导线直径： j x ；如砌= 3 ) ( 3 - 4 ) 得：d = 0 2 7 r a m 考虑到安全性和漆厚，以直径为0 3 r a m 漆包线绕制高为2 0 m m 的线圈，根据圈数可 大致算得线圈厚度约4 5 m m 。 两副边均以1 2 v 供电，可同理计算出各项指标 一3 6 ：1 0 3 3 ：3 4 4 1 2 l m = n 2 上：量：a ：3 3 3 m a u l 1 2 吗= 0 3 8 m m l ：墨：一1 ：8 3 m a u 2 1 2 吐= 0 1 9 m m 所绕制的线圈厚度为2 8 m m 和0 8 r a m 。 综合以上分析，加上线圈之间空隙的厚度，中间铁芯与线圈的总厚度在4 0 m m 左右， 据此可设计传感器的空间结构。 副边输出的是频率与原边一致的交流电电压约为1 2 1 , ，需要将此交流电源转换为稳定 的直流电源，以供给电路。可用桥式电路对交流电整流，再用电容滤波，转换电路如图3 - 2 所示。配经过整流和滤波后进入电压基本稳定，由于内部电源均 + 5 v 供电，故须用7 8 0 5 将电压稳定在+ 5 v1 2 4 。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 2 电源转换电路 3 2 光电发射接收电路 光电发射接收电路部分是将信号由光信号转换为电信号最关键的一步，必须保证信号 转换具有的良好的线性，才能保证信号后续处理的正确性。本课题所设计的传感器内部有 两种光电传感器，分别为反射式光电传感器和直射式光电传感器。两者的原理基本一致， 由两部分组成：一是发射电路，主要由红外发射二极管组成；二是接收电路，主要由红外 接收三极管组成。 图3 3 光电转换电路 设计思路：将发射端电流控制在5 0 m a 左右，使之接近饱和，以提高传感器灵敏度。 接收器上端用一个阻值较大的电阻提取信号，下端接一个较小的电阻保护电路。经测试， 图3 - 3 中可在遮挡物变化时提取信号，满足设计要求。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 3 电路的输出是个不规则的脉冲信号，为使它能被数字处理系统正确识别，需经 过一个高精度电压比较器l m 3 3 9 l 2 5 1 ，转换成方波信号【2 6 l 。转换电路如图3 - 4 所示，r 3 和 r 4 可设定基准电压，约2 5 y 。不规则的脉冲信号与之相比较后便可得到周期相同的方波 信号，以便进入数字系统处理。 一l | r 丌一l i ! ： i ：| i iii j i 二 ；：i ；| j ：； ： l ! 一! l ! ：! v e c ；i ；v o c ；：；i i i ! ： 一 ； l j l l ；l ；i i； 山 2 邸 l ： | u i； b 瞄 ll ： j ：一 - u ! i ；l l ：ll 一 “r r “：xr 丰 + 叫 一 ， f t 一 一一 j ； 1 5p；：； 一0 l h rr ：l h h 。 一：卜i 置如3 ：9 r ：工 一门 卜：2 i 1 - 一 一 ：4 ；i ! | 4 - ：； ；! ip t r r 5 陡一n ；： 1 k 、 ：j p ：；l 0 0 j 1 t ：lj t ；il l ：l ；il ：；t ：， k 一 。中一r r 。 _ ” 卜叶 # 厂 _ 一t 了t 羔： “* i 一一l l 卜ji 一- 一：1 一r r 一 ；| j ；lt _ r ji1 i 了丁1 _ il i 一 图3 - 4 信号转换电路 3 3 无线传输电路 无线传输电路由发射和接收两部分组成，通过设定的载波频率将信号传输到另一端， 由接收端负责解析圆信号【2 7 1 。在此系统中，采用集成的无线发射和接收模块f 0 5 和j 0 5 ， 外接编码芯片2 2 6 2 和解码芯片2 2 7 2 来组成无线通信模块【2 8 1 。 3 3 1 发射电路 无线发射模块f 0 5 a 采用s m t 工艺，树脂封装，小体积，声表稳频，内部具有一级 调制电路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输【2 9 1 。f 0 5 a 具有较 宽的工作电压范围及低功耗特性，发射功率约1 0 m w ，a s k 方式调制，发射频率为 4 3 3 m h z 。f 0 5 a 不能任意调整发射电流，单片机的数据可直接通过串口进入f 0 5 a 的数据 输入端。 发射电路如图3 5 所示，其中编码芯片采用的是p t 2 2 6 2 ，它是c m o s 工艺制造的低 功耗低价位的通用编解码电路，芯片内部带有振荡器、系统定时器、地址解码器、编码脉 冲发生器和控制逻辑电路。p t 2 2 6 2 最多可有1 2 位( a o - a 1 1 ) 三态地址端管脚( 悬空、 浙江工业大学硕士学位论文 接低电平、接高电平) ，可任意搭配决定编码地址。由1 3 脚输入的信号经p t 2 2 6 2 编码后 送入发射模块f 0 5 a ，以无线电形式发射出去。 图3 5 无线发射电路 3 3 2 接收电路 对应于f 0 5 a 无线发射模块，一般使用j 0 5 a 无线接收模块来接收信号。该模块采用 超高频r f 集成芯片，具有极高灵敏度及性价比，可靠性高，是滚动码遥控、电动门控系 统及远距离传输理想的低价位高品质超外差接收模块，可以应用于遥控车库门、伸缩门、 道闸等，广泛应用与工业控制，通讯及遥控安防等领域【3 1 1 。 无线接收模块接收无线电信号，并将此信号送入p t 2 2 7 2 解码芯片。将解码地址设置 成与编码地址一致，便可将送入p t 2 2 6 2 编码芯片的信号解析出来，由1 3 脚输出，整个 电路如图3 - 6 所示。 i ： ；i i i r v c c ； j w c i1 1 每t ； 一i 1 一； 2 ， a ov c c 1 7v c c 3 a l 。 1 6 v c c 4 ； a 2 o c s l 1 5 5 a 3o c s 2 1 4 d a t e 6 a 4 d i n 1 3 ： 7 a 5 a 1 1 d o ：1 2 o u r ： a 6 d 5 a 1 0 d1g n d 8 ，1 1 9 a 7 ，d 4a 9 d 2 1 0 ； v s 8 a 8 d 3 ：l 馨烙穆专i = p t 2 2 7 2 图3 6 无线接收电路 浙江工业大学硕士学位论文 3 4f p g a 处理部分 3 4 1f p g a 和v h d l 语言简介 l 、f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 ( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可 编程器件门电路数有限的缺点 3 2 】。 f p g a 用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部包括可配置 逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内 部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分1 3 3 l 。f p g a 的基本特点主要有： ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 ( 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 ( 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司的f i e x 系列等。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片 内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态；掉电 后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失；因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无 须专用的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不 同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。 2 、v h d l 语言简介 2 0 世纪9 0 年代，引起数字系统设计方法发生突破性变革的技术是v h d l ( v e r yh i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，超高速集成电路硬体描述语言) ，它 是一种以i e e e 1 0 7 6 标准所规范的硬件描述语言，主要用于从算法级、寄存器级到门级的 多种抽象设计层次的数字系统建模，已成为电子设计自动化的一种重要手段1 3 4 i 。 现代数字系统的设计多采用自顶向下的设计方法，属阶层式设计 3 川。自顶向下设计的 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 各个阶层，可全部用图形也可全部用语言进行描述，还可采用混合方式，即顶层模块用图 形描述，底层元件用v h d l 描述等。 3 4 2f p g a 内部原理图 l 、f p g a 器件介绍 本设计采用a l t e r a 公司生产的c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 5 t 1 4 4 c 8 芯片。 a l t e r ac y c l o n e i i 系列f p g a 是定位于低成本的可编程器件，由a l t e r a 的第一代 c y c l o n e 系列发展而来。c y c l o n ei i 通过新型的架构、缩小裸片尺寸，在保证成本优势的前 提下提供了更高的集成度和和更好的性能。c y c l o n e i i 器件的密度范围从4 6 0 8 l e 和 1 1 9 8 0 8 b i tr a m ，到6 8 4 1 6 l e 和1 1 5 2 0 0 0 b i tr a m 。c y c l o n ei i 器件中还含有1 3 - - - 1 5 0 个1 8 x 1 8 嵌入式乘法器【3 6 】。 c y c l o n ei i 系列的主要特点如下： ( 1 ) 高效率的芯片结构支持从4 6 0 8 l e 到6 8 4 1 6 l e 的集成度。 ( 2 ) 包含内部嵌入式乘法器，支持d s p 运算。 ( 3 ) 先进的i o ，支持p c i 、d d r 、d d r 2 等多种接口标准。 ( 4 ) 全局时钟管理及嵌入式锁相环( p l l ) 。 ( 5 ) 支持a l t e r ai pc o r e 及n i o si i 嵌入式处理器。 c y c l o n ei i 器件具备最多4 个增强型锁相环( p l l ) ，提供先进的时钟管理能力，例如频 率合成、可编程相移、外部时钟输出、可编程占空比、锁定检测、可编程带宽、输入时钟 扩频和支持调整差分输入输出时钟信号。c y c l o n ei i 的p l l 提供了时钟合成功能，允许内 部工作时钟与输入时钟的频率不同。每个p l l 最多能提供最多3 个输出时钟，每个输出时 钟的频率可互不相同【3 7 1 。 本系统主要利用了p l l 的倍频功能，c y c l o n ei i 的e p 2 c 5 t 1 4 4 c 8 最高可以达到 4 0 2 5 m h z 。若采用速度等级为c 6 的，则最高可以达到5 0 0 m h z 。 2 、f p g a 内部实现功能 根据设计要求，f p g a 内需要实现的功能及逻辑包括： ( 1 ) 系统时钟信号及高频插值脉冲信号的产生； ( 2 ) 得到两路输入信号的相位差，并与高频脉冲相与； ( 3 ) 对插值后的高频脉冲计数： ( 4 ) 响应单片机对f p g a 的控制信号，对计数结果进行锁存； ( 5 ) 3 2 位数据输出线。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 在实际设计中，采用a l t e m 公司的专用软件q u a r t u si i 来完成原理图设计、综合、仿 真等工作。原理图如图3 7 所示。 图3 7f p g a 内部原理图 对外部电路采用2 0 m h z 晶振作为外部输入时钟，利用a l t p l l 可编程锁相环倍频后产生 2 0 0 m h z 的高频信号作为插值脉冲此高频脉冲与两部分信号相与，得到高电位的插值脉冲。 第一部分是静传感器输出后经过比较器处理的信号接一个分频器，得到一个脉冲宽度与电 机每周转动时间相同的周期信号。将此信号与高频脉冲相与就可得到电机转一周的脉冲插 值。第二部分是a 与b 两路经过处理的信号后各自经过一个分频器后作异或运算，再与高 频脉冲相与可得到代表转角信息的脉冲插值。这两部分的计数原理一致。以第二部分为侧， f p g a 在接收到单片机的计数信号后，3 2 位计数器1 和计数器2 同时开始计数。计数器1 对插值后的相位差信号进行计数，计数器2 对插值前的相位差信号计数。当计数器2 计满 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 个脉冲时，对应电机旋转一周，计数器2 输出低电平，锁存计数器1 的输出，同时，向 单片机发出中断请求信号。单片机响应中断时，单片机向f p g a 输出端口读取信号，将锁 存后的计数器l 的结果读入单片机。 因为f p g a 内部是3 2 位计数器，有3 2 位输出口，而单片机是8 位i o 口读取。因此 单片机需对f p g a 输出控制信号，将f p g a 的四个八位依次读出。f p g a 内采用参数化库 生成一个多路复用器，如图3 8 所示。d a t a o x 7 0 】d a t a 3 x 7 0 】是四个8 位输入端， r e s u l t 7 0 是8 位输出端，s e l 1 0 是输出端选择输入，当其值分别为o o 、0 1 、1 0 、1 1 时， r e s u l t 7 0 】分别输出d a t a o x 7 o 】、d a t a l x 7 o 】、d a t a 2 x 7 o 】、d a t a 3 x 7 o 】。 ld a t a 3 x id a t a 2 x id a t a lx _ | d a t a o x i i n s t l 5 0 0 0