（电机与电器专业论文）基于射频技术的无刷同步电机励磁电流的检测.pdf

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. 针对上表列出的无刷同 步电机转子励磁电 流检测子系统开发。 包括硬件电路 设计、软件编写、射频调试以 及子系统测试; . 中央监视子系统的开发。功能设计以及模块程序编写。 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 第二章无刷电机励磁电流检测总体设计 无刷同步电 机转子电 流的 检测目 前在国内 外并不多，只有四川联合大学的 曾 德纯 的 检 测 线 圈 感 应 法131 ， 这 种方 法 属 于 间 接 检 测 推 算 法， 并 不 十 分 准 确 。 其他的直接的检测同 步电 机的方法并没有。 本文提供一种新的直接的检 测励磁 电 流的方案，本方案是直接的测量无刷同 步电 机励磁电流。本章就系统的总体 设计方案、 系统所选用的结构、系统器件的选用给大家作一 个说明 。 2 . 1 励磁电 流检测方案的 构成 系统的功能往 往决定了 系统所采用的结构， 本系统所要实现的 功能 是实现 对无刷同 步电 机的转子励磁电流的检测上如图 2 . 1 所示。 系统方案的确定主要 集中在励磁电流的采集选用的器件，就是如何把励磁电流从旋转电机的转子上 引出来，然后利用控制芯片控制和处理励磁电流信号 图2 . 1 转子励磁电流 1 的检测 2 . 2励磁电 流检测方案的比 较 由 于励磁电流为 直流电流， 所以检测时无 法用交流电 流互感器检测。 直流 电流的检测方案主要有两种，霍尔传感器方案和分流电阻方案。 2 . 2 . ， 遥尔传感器方案 传感器是按一 定规律 将被检测信号转换成便于进一步处理的物理量 ( 一般 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 是指电 流、电 压、电 脉冲等)的 器件。理想的传感器能够将被检测信号转换成 高输出电 平的电 量，能 够提供 零输出阻 抗、 噪声，具 有良 好的线 性和重 现性。 霍尔传感器有两种，一种是将原边电流产生的磁通量聚集在磁路中，由霍 尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，其电压信号可精确地反映原边 电流。 另一种是 将原 边电 流和副 边电流产生的 磁通量聚集在磁路中，有 霍尔 器件检测 出霍尔电 压信号， 经放大器放大，反 馈控制副 边电流，使原 边电 流与副 边电 流 产生的磁 通量相平衡， 其副边电流可 精确地反映原 边电流。 单就霍尔电流传感器生产的厂商很多，比如南京中霍传感科技有限公司生 产的 t k c 一 b系列霍尔电流 传感器，又如 上海浦纬自 控 成套设备 有限公司生 产的 钾 g - hs卜口 一 口 a 系列传感器， 我们可以 根据表 1 中的 江西 清华泰豪 科技集团 有 限公司的同 步电 机参数不同可以使用 不同的 霍尔电 流传感 器，比如t b c20 a02 这 种电流传 感器就可以 检测 30一50肠的同 步电 机， 同 样的我 们可以 选用t b c25c04 这种霍尔电流传感器，它可以检测 64肠 的同步电机的励磁电流，同样选用 tbc30c04 这种可以检测 75喻一1 20肠 的无刷同步电机的励磁电流，选用 tkc50bs /br 就可以 检测 1 50肠一5 00肠的同步电 机。 使用这 种霍尔电流 传感器， 品种多，针对不同同步电机有不同的霍尔电流传感器与之对应，这样精度就比 较高。这种传感器在测量无刷同步电机转子励磁电流的范围上是满足要求的， 又 如 t kc一 b系 列霍尔电 流传感器也 存在这 样的问 题，它的其他的参数都 满足测量 所要求的条件， 可以 输入很高的 输入电流，响应时间 短，线性度好， 但是它的 工作温度为一 40+85 ，完全可以能 满足转子工作时 所要求的范围，因为 在正 常 状况下， 虽然同 步电 机转子的 温度可以 达到 1 20甚至更高， 但是它的 表面温 度并没有这么高，同 时它还处于 通风的状态中，所以 它的温度范围 是可以 满足 要 求 的 。 但 是 用 这 种 霍而 传 感 器 方 案也 有 明 显 的 缺点 就是 它 的 体 积比 较 大， 161 而且线路比较复杂。尤其是霍尔传感器安装在转子上相当困难，其可靠性也得 不到保障， 所以 这种检测方案 在本课题中没 有被选 用。 2 . 22分流电阻方案 分流电 阻方案就是在同步电 机的 转子上放置一个分流电阻，该电阻 与励磁 绕组串 联， 通过检测分流电 阻的电 压即可准确快速的反映励磁电 流。由 于金属 的电阻随着温度而变化，所以分流电阻采用电阻率温度系数极低康铜或者锰铜， 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 其每摄氏度的温度系数是 0 . 0 020 . 01%. 也就是说，即使温度变化一百度，其 检测误差不会超过 1 % ， 所以 完全可以 满足励磁电 流检测精度的要 求。 分流电 阻 在通过额定电 流时 输出 的电压一 般选取i o 0mv 到50如v ， 选取输出电 压偏高， 则 分流电阻的功率偏大， 其分流电阻的体 积增大;选取输出电 压偏低，则检测精 度受到影响，但其分流电 阻的 体积可减小。关于分流电阻阻 值的 选取: 应该根 据不同 容量的同步电 机的 励磁电 流的 大小和不同 输出精度 来确定。比如我们就 拿3 0 k 的同 步电 机来说， 它的励磁电流按照表 1 提供的 就是0 一 4 0a 的励磁电 流， 输出电 压为0 一1 0 0mv 的话， 那么我们选用的电阻就是2 . 5 毫欧， 那么电 阻 的功率就是 4 ， ，如果输出的电压是 0 一500 m v ，那么我们选用的电阻就是 1 2 . 5 毫 欧 ， 那么 功 率 就是2 加。 川tsl因 此 ， 分 流电 阻 方 案 与 霍 尔 传 感 器 方 案 相比 ， 有 以下几点不同: 1 ，分流电阻方案会产生 较大的电阻 损耗， 其功耗较高， 而霍尔传感器方案是通 过磁场的霍尔效应检测的，其功耗较低。 2 ，分 流电阻的检 测误差 主要 是由电阻 的温度系数引 起， 霍尔传感器的误差主要 是由磁 场的非线性和 漏磁引 起。 二者的 检测精度都可以 满足要求。 3 ， 分流电阻是通过电流的电阻 压降 直接检测电 流， 所以 检测的电 流值没有任何 延迟; 霍尔传感 器是 通过霍尔片的 磁效应检测电流， 而且往往加有反馈电 路， 所以检测的电流值存在一定的延迟。 4 ， 分流电阻结构简 单， 价格便宜， 便于安装在转子上， 且可靠性高，霍尔传感 器则结 构复杂， 价格较高， 不便于安装在转子上，且 可靠性低。 根据以上的分析，在本课题中采用分流电阻方案。 2 . 3短距离无线通讯方式的选择 短距离无 线通讯 方案目 前有蓝牙( b luetooth) 技术， 红外通讯技术 i r d a ( i n fr ar e d dat a a s s o c i a t i o n ) 和 微 功 率 短 距 离 无 线 通 讯 技 术1， 1 1 0 1 1 ， 1 ， 下面就这三种通讯方 式进行分析介绍和对比。 蓝牙是一 种支持设备短距离通 信 ( 一般是1 0 . 之内)的 无线电 技术。能 在包 括移动电 话、 p d a 、 无线耳机、笔记本电脑、 相关外设等众多设备 之间进 行无线 信息交换。 蓝牙的 标准是i eee802. 15，工作在2 . 4 ghz频带，带宽为1 杨/s。 蓝牙技术作为一 种近距离无线连接的全球性开放规范，已 经得到了 全球 众 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 多的大企 业的支持。蓝牙技术同时 支持语音 和数据传输， 使用跳频扩频技术， 本身包括纠 错机制，可靠性高， 蓝牙规范的核心部分协议 允许多 个设备进行相 互定位，连接和交换数据.并能实 现互相操作和交互式应 用。 但是蓝牙设备价 格昂贵， 通讯协议复 杂， 通讯距离 近， 蓝 牙rf定义了三 种功率等级( 1 0 0 研， 25哪， 和1 衅) ，当蓝牙设备功率为i lllw时，其发射距离为1 0 ido i r d a 是国际红外数据协会的英文缩写，lrda相继制定了很多红外通信协议， 有 侧重于传输速率方面的， 有侧重于 低功耗方面的，也有 二者兼顾的。 ir以1 . 0 协议基于异步收发器以盯，最高 通信速率在1 巧. z k b ps， 简称s i r ( s eri al i n fr are d ，串行红外协议) ， 采用3 / 16 end ec编/ 解码机制。 lrdai . 1 协议提高 通信速率到 4 肠p s ，简称f i r ( f a s t l n fr are d ，快速红 外协议 ) ， 采用4 p p m ( pul s e position modulati on，脉 冲相位调制) 编译 码机制， ， 同时 在低速时 保留 1 . 0 协议 规定. 之后，ir da又 推出了 最高通信速率在1 6 mbps的 协议， 简称vfi r ( v ery fast i n fr are d ， 特速红外协议) ， ， 红外通讯技术i rda 采用的 是人眼 看不见的红外线 传输 信息， 是使用最广泛 的短距离无线通讯技术。它利用红外线的通断表示计算机中的0 一1 逻辑，通常 有效的通讯距离是2 口 ，传送速 度可以 达到4 mbi t /s，红 外技术 采用点 到点的 连接 方式，发 射、接受都具有方向 性。 针对本测量系统，如果 使用这 种测量方法可 以采用下面两种方式:1 ， 在无 刷同步电机转子的轴心上打 个孔， 装入发射装置， 通过红外光发射出去， 在定子 上有接收装置 接收信号。2 ，可以 把发 射装置 做成 转盘上，边旋转边发射，当然在定子上接收。这种方式具有体积小，功率消耗 低，连接方便，简单易用，数 据传输 干扰少， 速度快，保密 性强， 成本低廉等 特点.因此广泛的应用于各种 遥控设 备，笔记本电脑， p d a ( personal d i g it al assistant)， 移动电话等移动设备。 但红外通讯技术只是一种 短距离 无线通讯技 术，通讯距离近，发射角度比 较小，一般小于20度，两台 相互 通讯设备之间必 须相互对准，而且在传输数据的时候相互通讯的两台设备 之间不能 有障 碍物， 只能限于两台设备，不能灵活 使用，和其他设备相互构成网 络， 且无法用于一 边 移 动 一 边 通 讯 的 设 备 上 ， 另 外， ir da设 备 中 的 核 心 部 件 l e d (l i g ht emit t in g diode)易磨损。因此i rda 具有 技术成熟，体积小，功率 低， 传输速度快， 连接 方 便，简单易用，数据传输干 扰少， 速度快，保密性强， 成本低廉等优点，同 时 也 存 在 着只 能 短 距 离 传 输 ， 且不 能 一 边 移 动 一 边 传 输 .【 131 随着大规模集成电路技术的发展，世界上的许多的芯片生产厂商都推出了 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 无线收发芯片。短距离无 线通信系 统的大部分功能 都集成于一块芯片内 部， 一 般使用单片数字信号 射频收 发芯片， 加上 微控制器和少量的外围器件构成专用 或者通用的无线通信 模块， 大部分的高频元 件， 如电 感、振荡器等已 经全部集 成在芯片内 部，一致 性良 好， 性能良 好， 且不容易受外界干扰.射频芯片一 般 采用fsk ( 斤e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 和a s k ( 腼p l i f i e rs h i r t k e y i n g ) 两种调制 方式， 但在实际 应用中 一般采用f sk这种调 制方式， 工作于1 翎(i ndust ri al s cie n tificm e di c al) 频段， 通信模块一般包含简单透明的数 据传输协议 或使 用 简单的加密协议，发 射功率、 工作频率等 所有工作参数全部通 过软件设置完成， 用户不 用对无线 通讯原 理和工作机制有较深的了 解，只要依靠 命令字 进行简 单 的操作就可以 进行基 本的 数据传输。 新一 代的 短距离无线通讯 系统具 有体积小、 功率低、传输速 度快、 连接方便、 简单易 用、 数据传输 干扰少、 速度快、 保密 性强、 成本 低廉等， 而且开发简单， 而且 可以 很方便的嵌 入到 各种设 备中， 实 现设备的无线 通讯， 较适合搭建小型网 络， 在工业，民 用领域得到较为广泛的 应用。 通过以上的 几种无线技术的介绍， 从系统的 经济性、 传输速率， 确定该 部 分电路设计使 用无线收发芯片。无线收发芯片的可靠性高、 稳定 性好、 抗干扰 能力强、 通讯 协议简单透明 、技术成熟， 使用该种方案 无线通信接口与 数据采 集系 统接口 电 路设 计简单。 无线收发芯片的种类和数量比 较多， 在设 计中 选择 合适的芯片可以提高产品的开发周期，节约成本。在选择时，考虑到本系统的 要求，应主要参考以下几点: 1 . 芯片数据传输是是否需要编码: 需要编码的 芯片，显然在编程上需要较高的 技巧和 经验， 也需要较多的内 存和程序容量， 显然限制了 芯片的应用所以 要考 虑是否需 要编码技术。 2 . 收发芯片所需要外围元件的数量: 芯片外围 元件的数量直接关系到系统的复杂 程度 和系统的成本，应该选用外 围 元件比 较少的 收发芯片。 3 . 功耗 : 大多数的 无线收发芯片都是安装在便携式的 产品 上的， 虽然说本课题所设计 的 系统不是便携式的，但是 考虑到产品的性能， 寿命， 使用周期，还是应该选 用总体功耗最小的或者说相 对比较小的功耗的系 统为 好。 4 .发射功率: 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 在同等条件下， 为了保证有效和可靠的通讯， 应该选用发射功率较高的产品。 5 .收发 芯片的 封装: 管脚数较小的 管脚和较小的 封装， 有利于减少代b 面积和降 低成本， 也有利 于开发和生产. 据此我们采用的是 n r f 4 01 芯片设计， 该芯片采用的是抗干扰能力较强的fsk 调制/ 解调方式，其工作频率稳定可靠，外围元件少，功耗极低，另外由于它采 用第功率发射，高灵敏度设计，因此满足无线电管制要求且不需要使用许可证， 是本系统设计的理想选择。它的主要特点如下: . 工作频率为国际 通用的 数据传输频段 . f sk调制， 抗干扰能力强， 特别 适合工业控制场合 . 采用p ll频率合成技术， 频率 稳定性极好。 . 灵敏度高， 达到 一 1 0 5d阮 (n r p40 1) . 功耗小， 接收状态2 50ua， 待机状态仅为s ua ( n r f 4 0 1) . 最大发射功率达 +1odbm . 低工作电 压 (2. 7v) ， 可满足低功耗设备的要求 . 具有多个频道，可方便地切换工作频率 . 工作速率最高可达 20kbi t /s ( 限p40 1) . 仅外接一个晶 体和几个阻 容、电 感元件， 基本无需调 试 . 由 于采用了 低发 射功率、高 接收 灵敏度的 设计 ， 使用无需申 请许可证， . 开阔地的使用距离最远可达 1 0 00 米* n r f 4 01 电 气特性: 工作频段: 4 33阳2 信道数:2 功能: 发射/ 接收 稳定 频率方式:p ll 调 制方式: f sk 最大输出 功能: +1od阮 灵敏度: 一 1 0 5dbm 最大工作速率: z o k b i t /s 工作电 压: 2 . 7 5 . zv 封装: 2 0 s o i c 第二章 无刷电机励磁电流检测总体设计 2 . 4检测系统总体设计中的 关键技术问题 根据以上所述的总体设计构想和对分流电阻、线射频模块的确定，设计中 需要解决的关键性技术问题如下: ( 1) 信号的 无接触传输 对于无 刷同步电 机励 磁电流信号地检测出来如何 从电 机内 部传送出 来， 这是本课题的一个难点。 (2 )电 磁干扰的问题由于电 机内 部存在着大量地电 磁波， 对于信号的传 输肯定要受到电 磁信号的影响， 所以 在进行电路硬件电路和软 件程序 设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统抗千扰能力，保证系统的 稳定性。 (3 )装配的 安装问 题本课题是要测量高速旋转同 步电 机转子励磁电流， 如 何安放测量装置， 才能使得既能保证测量顺利进行， 又能保 证电机 的 安全运行，是 一个关键问 题。 (4 )解决工作环境对测量的影响。这些环境因素包括:金属屏蔽、转子温 度、旋转转子的离心力、对于测量的准确度都会有很大的影响，当然 还包括在进行p cb 设 计的 时候天线的设计等等. (5 ) 为了 保证数据传输的 可靠性， 通过软件设计， 尽量降低无线数 据传输的 误码率。 2 . 5系统的总体方案 系统要求将检测出 来的 励磁电 流、电 压信号经过模/ 数转换器八 优 的 采样， 保持， 量化， 编码后转换成数字信号， 送到 单片机进行初步处理， 然后 利用n rf4 01 无线数据传输芯片将有效数据发送给接收端， 接收端 在接收到有效数据后或用 于 直接显示或用单片机串 行口 将数据直接显示或 者送入pc机，陀机通过vb语 言编写控制程序完成数据的显示以 及对有效数据进一步处理的任务. 系统为了 满足安 全可靠， 有足够的 抗干扰能力，经济合理， 方便使用的设计要求， 采用 了模块 化的设计思想， 采用模块化设计可以 使系统结 构清晰，结构简单， 不仅 容易设 计而且容易管理。因为系统是模块化设计， 所有的模块程序都是固 化在 芯片内部的，所以 一般不 容易毁坏。同时在系统没有装入无刷同 步电 机之前， 我们可以 很方便的对系统在实验室里进 行调试和测试。 这样就有助于提高系统 的可靠 性和可修改性。同时 模块化设计也有助于系统开发的组织管理。 根据上 第二章 无 刷电机励磁电流 检测总体设 计 述的模块化设计的思想，整个系统的结构如图2 . 1 所示: 图2 . 1 模块结构图 各个模块的 功能 分别是: 数据采集模块的 功能 是采集要进行传送的 物理 量， 并进行模数转换。 数据发送处理模块的功能是将采集的数据进行处理， 并控制 无线发射模块将数据按照一定的方式进行发送。无线发射模块的功能是将输入 的数字信号转换成调制的射频信号发送出去。 无线接收模块的功能是将接收的 射频信号转换成数字信号传输到数据接收处理模块。数据接收处理模块的功能 是控制无线接收模块的工作，将接收的数据显示出来并传输给计算机。计算机 用于处理获得的数据并按一定的规律存储，并动态显示数据的变化，用于进行 电机实验和分析电机的运行状态。 2 . 6 本章小结 通过分析比 较霍尔传感器和分流电阻的 优缺点， 确定了 分流电阻 作为 传感 器的首选。 通过目 前蓝牙技术， 红外通讯 技术和微功率短距离 无线通 信技术的 分析比 较， 决定了 选用了 短距离无线通讯 技术作为传输的 方式，而且决定选 用 挪威n ord ic公司推出的 nrf 4 01无线收发芯片，该 模块集成度高，体积小，低功 耗等特点，符合本设计的要求。最后，从系统的集成化，智能化，低功耗出发， 本章得出了系统的总体方案。 第三章 系统的硬件设计 第三章系统的硬件设计 无刷同步电 机励磁电流检测系统的设计包括软件设计和硬件设计两个部 分，系统硬件部分的设计是否合理对于系统的性能和使用有着极大的影响，对 整个系统来说非常关键，因为如果硬件不能 够胜任整个系统的需要， 就根本谈 不上软件了 ，也就不可能完成所谓的测量功能了。 本章根 据第二章提出的 系统 总体方案分别论述各部分的硬件设计. 3 . 1数据采集模块 本系统的数据采集 模块主要包括励磁电流的 检测和ad转换。 为了 提高 本系 统的 功能， 在本模块中可增加励磁电压和温度检测。由于 转子的检测、 数据处 理和无线发送都需要电源，所以在本模块中将解决电源问题。 3 . 1 . 1 模拟数据的检测和放大 模拟数据的检测主 要是 励磁电流.由于运 算放大器采用的 是单电 源四 运放， 所以增加一路 励磁电 压检测 和两路 温度检测， 其接线图 如图3 . 1 所示: 第三章 系统的硬件设计 图3. 1电流、电压信号采集框图 1 ) 分流电阻的选择:由于所检测的励磁电流范围为0 一50a ，分流电阻选取 2 . s m o 锰铜电 阻器， 工作时， 其输出电 压为于1 25mv，电阻 器的 最大发 热功率为6 . 2 洲。 2) 温度传感器: 在发电 机中 ， 转子温度范围 一般为0 2 5 锣 c ， 如果选 择数 字传 感器， 虽然可以 省去习d 模块， 但是目 前几乎没有能够 承受这 种温 度的数字温度传感器， 因 此， 本系统选用prl oo 铂电阻做 温度敏感元件。 3) 比 例放大器:图 中运放lm3 24用于比例放大， 其输入电阻的 最大电 流限 定为l ma， 所以 当输入电 压的单 位为伏 特， 输入电阻的单位为 千欧时， 电 阻的 数值与电压相同。 运算放大器的反馈电 阻均为5 千欧。 其输出电 压 均为0 一s v. 31 . 2d 转换电路 1 . tu已巧4 3 本系统 所选用的ad转换芯片是t l c 2 5 43， t lc2 5 43是1 2 位开关电容逐 次逼近 模数转换器。 有多种封装形式，其中 db、 服 或 n 封装的. 管脚见图3 . 2 。引 脚的 功能简要分类说明如下。 图 3 . zt 比2 5 4 3 管脚图 v 优:正电源端，一般接+5vo gnd :正电源地。 v r e f+:正 基准电压端，一般接+5 v. vre p-:负 基准电 压端，一般接地。 a i n o 一a i n 1 0 ，1 1 路模拟量输入引脚。 第三章 系统的硬件设计 c s :片 选端，由高 到低有效，由 外部输入。 e oc: 转换结 束端，向 外部输出。 i/ ocl戊k : 控制输入输出 的时钟， 由外部输 入。 dat ain p ut: 控制字输入端， 用于选择转换 及输出数据 格式. dat aout : a / d 转换结果的输出端。 2 . t lc2 543 的使用方法 1) 控制字的 格式 控制字为从d a t ainput 端串行输入的 8 位数据， 它规定了 t lc2 5 43要转换的 模拟量通道、转换后的输出数据长 度、 输出 数据的 格式。 其中高 4 位( d7d 4)决 定通道号。 对于0 通道至1 0 通道， 该4 位分别为 0 0 0 0 1 0 1 0h， 当为1 0 1 1 1 1 0 1 时， 用于对t lc2 5 4 3 的自检，分别测试 ( r ef+十re卜) / 2 、ref 一 、ref+的值，当为 1 1 10 时， t lc2 5 4 3 进入休眠状态。 低4 位决定输出 数据长度及格式。 其中d3、 dz 决定输出 数据长度， 01表示 输出数 据长度为8 位，n 表示输出 数据长度为16位， 其他为1 2 位。di决定输出数 据是高 位先送出， 还是低位先送出， 为0 表示高位先 送出 。00决定输出 数据是单 极性( 二 进制) 还是双极性(2的 补码) ， 若为单极性， 该位为0 ，反之为1 . 2)转换过程 上电 后，片选cs必须从高到 低， 才能 开始一次工作周期， 此时e oc为高， 输 入数据寄存器被置为0 ， 输出数据寄存器的内容是随机的。 开始时， 片选cs为高， 1 / oc l 戊k 、d a t ai n p u t 被禁止， d a t a田t 呈高 阻状态， e oc为高。使 变低， 1 / oc l 戊k 、d a t ai n p ut使能，以t aout 脱离高阻状态。1 2 个时钟信号从1 / 0 c l ock 端依次加入，随着时 钟信号的 加入， 控制字从d a t ai n p u t 一位一位地在时 钟信号的上升沿时被送入t lc2 5 4 3(高位先送入) ，同时上一周期转换的a / d 数 据，即输出数据寄存 器中的 数据从d a t a田t 一位一位地移出. t lc2 5 43收到第4 个时钟信号后，通道号也己收到，此时t lc2543开始对选定通道的模拟量进行采 样，并保持到第1 2 个时 钟的 下降 沿。 在第1 2 个时钟下降沿， e 戊变低，开始对本 次采样的 模拟量 进行a / d 转换， 转换时间约需1 0us ，转换完成后e oc变高，转换 的数据 在输出数 据寄 存器中， 待下一个工作周期输出。 此后， 可以 进行新的工 作周期。 第三章 系统的硬件设计 图 3 . 3 用。的进行12个时钟的传送，以 msb 导 前的时钟图 加 . 翻 目. 。 孟 凡 图 3 . 4进行12个时钟的传送没有用cs，以 璐b 导前的时钟图 在t l c 2 5 43的应用中 ， 以 下几个问题值得注意 . 硬件设计中 ， e oc引脚是否连接问 题。 e 戊引 脚由 高变低是在第12个时 钟的 下降沿， 志t lc2 5 43开始对本次采样的 模拟量进行a / 0 转换， 转换完成后e 优 变高， 标志转换从理论上讲， 应该通过e 叱， 判断是否可以进行新的周期以 便从 t lc2 5 43中取出已 转a /d数据， 但是， 正如 前面介绍， t lc2 5 43的一次a /n 转换时间约为1 0 协 5 ， 而一般情况一个工作周期后， 单片 机的后续处理工作 已 大于1 0 p s ， 因 此， 除非特别需要， 一般可以不 接e oc。 . 一个输 入输出工作周期为 12个 时钟信号， 随着这 12个 时钟信 号的输 第三章 系统的硬件设计 入， t l c 2 5 43的 d a t a 0 ut引 脚送出的1 2 位数， 为上一 个工作周期的 a /d转换数 据， 而这一数 据是 哪一个通道采集量， 取于上一工作周期从d a ta i n p u t 弓 1 脚 送入 t lc2 5 43的 控制字的前四位。 那么系统上电 后 第一个 工作周 期， 从d ata ou t 取出的数据是没有意义的。 控制字的低4 位决定输出数据长度及格式， 初始设定后， 一般不要在运行过程中改变， 数据混乱。而在工作周期循环， 若累加器a 中数据没有处理好， 容易把非法的控制字带入t l c 2 5 43， 引起输 出 数据格式错误， 这一点， 应予特别注意. . cs 端控制着t lc 2 5 43的转换初始化与输入输出。本文中cs端控制转换过 程， cs在输出 数据过程必须保持为低， 即在输入12 个时钟信号期间cs必须 保持 0 。 之后， cs端 被， 以 便使cs由高到 低的 变化， 而产生下一工作周期。 cs 端被置高时， 与 t lc2 5 43相联的三线， 呈高阻 状态， 可为 其它线路使用， 硬件 设 计时 ， 可设计为共享线路， 软件编程时， 根 cs情况决定 谁使用这些线路。 3 . 本系 统的 应用 本系统中，由 于只检测 4 路 信号，因此只需使用 t l c 2 5 43中的 4 条模拟输入通 道。由于该芯片是多输入单输出 模式，对于哪一条输入信号 通道的选择，是通 过d a t ai npijt输入管脚的控制字来选择的。每一个信号的采集，t lc2 5 43与单片 机之间只需用4 根线， 转换结束e of未 接入单片机， 这是基于二个工作周期之间的 单片机指令一般大于1 0 “ 5 ， 转换己 经完成， 不必判断e of， 也可以通过试验或计 算指令执行时间 确定转换是否结束， 这样可以省去一根接线。可以 通过控制 t lc2 5 4 3 的cs 端， 在转换开 始时， “ 为高， 转换开 始后， 一 直为 低; 通过d ata o ut 接收转换后的数字量:通过d a t ai n p u t 控制输入模拟量的通道和输出数据的格 式; 而通过1 /0 c l 优 k 控 制转换 需要的时钟. 3 . 1 . 3电源设计 本系统的电 源由 于 各个部分的 供电不 尽相同， a oc 数模转换芯片的电 源是 +sv，对于 毗u整个系统的控制核心，它的供电电源是 2 . 7 6v 的宽工作电压 范围， 对于n r f 4 0 1 整个发射系统的核心部件，它的 工作电 源是3 sv，所以 我 们要选择的是降压斩 波电路( b uckch叩per)，其 工作原理图 如下: 第三章 系统的硬件设计 d 空 制 uif妙 图3 . 5 电 源电路 如图3 . 5 所示， q 为开 关器件 ig bt，igbt在外部脉冲的作用下处于开关状 态， 滤波电容和电 感用于改善输出电压的波形，在负反馈信号的作 用下，输出 的电 压uo= kui = ton /t ui，利用控 制器控制 ig bt 的占 空比， 从而保持输出电 压恒定。 因为整体供电电 源是+5v ， 图3 . 1 中的电 源模块我们购买的 是朝阳市电 源有 限公司的 oc/ dc 模块， 使得输出+5v电源， 在通过变换变成其他的所需要的电源。 使用这种电源的优点 是:可以长期使用，能耗比较少， 可靠性比 较高，不需要 替换。 3 . 2无线发射模块和接收模块 由 于无线发射模块和接收模块选用的都是 433 mi 忆 的单片无线收发芯片 nrf401，其原理基本相同， 所以 两个模块均在本节讨论 3 . 21 数 字通信的 特点和 方式的 选择 根据信号方式的 不同， 通信可分为 模拟通信和数字通信。 第三章 系统的硬件设计 在电话 通信中，用户线上传送的电 信号是随着用户声 音大小的变化而变化 的。 这个变 化的电 信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为 模拟信号. 在用户线上传输模拟信号的 通信方式 称为 “ 模拟通信，. 数字信号与模拟信号不同，它是一 种离散的、脉冲有无的组 合形式，是负 载数字信息的 信号。电 报信号就属于数 字信号。现在最常见的数字信号是幅度 取值只有两种 ( 用0 和1 代表) 的 波形， 称为 “ 二进制信号” 。 “ 数字通 信” 是指用 数字信号作为载体来传输信息，或 者用数字信号对载波进行数字 调制后再传输 的通信方式。 数 字 通 信 与 模拟 通 信相 比 具 有 明 显 的 优点【 川: ( d抗 干 扰能 力 强 。 模拟 信 号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重 影响通信质量. 数字通信中的 信息 包含在脉冲的有无之中， 只要噪声绝 对值不 超过某一门 限值， 接收端 便可以 判别脉冲的 有无，以保证通信的 可靠性。(2) 远距离传输仍能保证 质量。因为数 字通信是采用再生中 继方式， 能够消除噪音， 再生的数字信号和原来的数字信号 一样， 可继续传输下去， 这样通信质量便不 受距离的影响，