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足球直播基于STM32的高精度多圈绝对角度传感器

发布日期:2021-02-16 02:05

  基于STM32的高精度多圈绝对角度传感器_信息与通信_工程科技_专业资料。2014 年 第 12 期 仪表技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor 2014 No.12 基于 STM32 的高精度多圈绝对角度传感器 张从鹏

  2014 年 第 12 期 仪表技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor 2014 No.12 基于 STM32 的高精度多圈绝对角度传感器 张从鹏,徐兵,徐宏海 ( 北方工业大学机电工程学院,北京100144) 摘要:文中介绍了一种基于 STM32 微控制器的多圈绝对角度传感器,首先分析了磁敏感芯片 MLX90316 的角度采集 原理及输出信号接口,设计了 RS485 输出型角度传感器的信号采集电路、电源电路、数据通信电路等模块;在硬件系统的 基础上开发了传感器的智能化软件,具有单圈 14 位角度分辨率,测量总圈数不受限制,具有掉电位置记忆功能。 搭建了 传感器性能测试实验系统,实验结果表明:多圈角度传感器的独立线°,可以满足 工业角位置测量的需求。 关键词: STM32;MLX90316;多圈;角度测量 中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1002 -1841(2014)12 -0013 -03 High Precision Multi-circle Absolute Angular Displacement Sensor Based on STM32 ZHANG Cong-peng,XU Bing,XU Hong-hai (College of Mechanical and Electrical Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China) Abstract:A design of multi-circle absolute angular displacement sensor based on microcontroller STM32 was proposed.The angle collecting principle and output signal interface of susceptibility chip MLX90316 were analyzed.The signal acquisition circuit, the power supply circuit and the data communication circuit of output angular sensor RS485 were designed.The intelligent software was developed based on the hardware system.The sensor had advantages such as 14-bit single-loop angle resolution,unlimited measuring range and power-off position memory.The performance experiment of the sensor was carried out.The experimental results indicate that the independent linearity accuracy of the multi-circle absolute angular sensor is 0.039%,and the measurement accu- racy is 0.02 °.The multi-circle absolute angular sensor is very suitable for industrial angle testing application. Key words:STM32;MLX90316;multi-circle;angle measuring 0引言 目前广泛应用的角度测量传感器多为机械接触式编码器、 光电编码器、光栅传感器等,为了不丢失传感器断电时的数据, 以绝对值型编码器作为角度测量的首选。 首先,多数传感器角 度测量范围为单圈 0 ~360°,不能实现多圈测量或可设定量程 测量;其次,单圈分辨率太低,一般为 12 位;最后,采用传统机 械结构的角度传感器普遍使用寿命不高,抗冲击、振动能力较 差,如果遇到潮湿、高温等恶劣工作环境时,传感器测量精度和 准确度会受到很大影响[1] 。 文中基于 STM32 微控制器,设计了 多圈绝对角度传感器的硬件电路模块以及智能化软件,并通过 性能测试实验系统验证传感器的独立线传感器系统整体设计 采用 MLX90316 作 为 磁 敏 绝 对 角 度 位 置 获 取 芯 片, 以 STM32 作为系统 MCU,设计角度信号采集电路、电源电路、通信 电路,并进行软件设计。 STM32F103 是一款增强型芯片,使用高性能的 ARM Cortex -M3 32 位的 RISC 内核,工作频率 72 MHz,内置高速存储器 ( 高达 128 K 字节的闪存和 20 K 字节的 SRAM),具备 3 路串行 SPI 接口、2 路 12 位 D /A 转换器和 5 路 USART 接口,工作温度 范围为 -40 ~+105 ℃,工作电压 2.0 ~3.6 V,完全满足低功耗 应用的要求。 角度信号采集采用绝对角度位置传感器芯片 MLX90316, MLX90316 是一款采用三轴霍尔技术的传感芯片,可感应出旋 转范围在 0 ~360°的角度位置,小型径向充磁的磁铁在霍尔芯 片上旋转,霍尔芯片可获取磁场的 2 个矢量 Bx 和 By [2] ,通过芯 片内部的 ADC 转化为数字信号 Vx 和 Vy 传输给 DSP 模块进行 处理,角度位置计算公式为 α=ATAN( Vy /Vx ) 式中 ATAN 通过查找表实现,运算用到比例值 Vy /Vx . 由于磁场强度、温度等因素的变化会同时作用于信号 Vx 和 Vy 上,因此角度信号具有自适应补偿的特点,相对于传统的霍尔芯 片,MLX90316 芯片在环境变化下精确度得到很大的提高。 MLX90316 芯片数字输出信号具有 14 bit 角度分辨率,微 控制芯片 STM32F103 通过串行接口 SPI 采集到霍尔芯片传输 的数字量角度位置信号后进行一系列内部处理,最终通过收发 器 MAX485 进行 RS485 通信并通过 STM32F103 内部 DAC 进行 模拟量输出[3] 。 系统整体设计方案如图 1 所示。 收稿日期:2013 – 11 – 12收修改稿日期:2014 – 07 – 01 图 1系统整体框图 14 Instrument Technique and Sensor 1.1机械结构设计 多圈绝对角度传感器的机械结构主要包括上盖、下盖、轴、 轴承、弹性挡圈。 MLX90316 的磁铁规格要求为芯片表面磁场 强度 50 mT,该系统采用钕铁硼磁铁,完全满足 MLX90316 芯片 对磁场强度的要求。 上盖定位传感器电路板,保持 MLX90316 芯片中心与轴中心对称,机械结构图如图 2 所示。 Dec.2014 图 2传感器机械结构图 1.2磁感角度信号采集电路设计 STM32F103 的 SPI 接口在全双工通信模式下通信速率可 达 18 Mb /s,可以使用 DMA 操作。 MLX90316 的串行通信采用 三线制的通信协议,其中 MOSI -MISO 共用 1 个引脚,采用 5 V 上限的开 漏 数 字 输 入 或 输 出。 片 选 引 脚 SS 由 微 控 制 芯 片 STM32 的 I /O 口采用软件模式控制,片选微控制芯片为主机, 霍尔芯片为从机[4] ,SCK 信号由主机提供。 通信时序图如图 3 所示,磁敏芯片 MLX90316 的外围电路设计如图 4 所示。 图 5电源电路设计 2.25 Mb /s,可以使用 DMA 操作[5] 。 采用 RS485 通信协议传输数据。 RS485 是一种常用的数 字通信方式,主从通讯双工通信模式,平衡传输,抗干扰强,可 多机并联,只需要单 5 V 电源,一般可传输 1 km.MAX485 是一 款低功耗的通信收发器,驱动摆率不受限制[6] ,可以实现最高 2.5 Mbit /s 的传输速率,满足灌区闸门开度实时采集的要求。 RS485 通信电路如图 6 所示。 图 6RS485 通信电路设计图 2系统软件设计 基于 MDK -ARM 专业版 uVision V4.7 编程环境,开发了 传感器应用软件,程序流程图如图 7 所示。 图 3SPI 时序图 图 4MLX90316 外围电路 1.3电源电路设计 为实现低功 耗 的 整 体 系 统 设 计 要 求, 该 传 感 器 系 统 使 用 DC12V 供电,为满足磁敏感芯片 5 V 供电及微控制器的 3.3 V 供电要求,采用电源稳压芯片 TD1509 以及 AMS1117。 TD1509 是一款高效率低损耗、工作稳定、性价比高、使用面广的 DC /DC 管理芯片。 AMS1117 是正向低压降稳压器,内部集成过热保护 和限流电路,是该系统电源设计方案中较理想的选择。 电源电 路设计图如图 5 所示。 1.4数据通信电路设计 STM32F103 具备 3 路 USART 接口,其中一个 USART 接口 的通信速率可达 4.5 Mb /s,其他的 USART 接口通信速率可达 图 7软件程序流程图 (下转第 28 页) 28 Instrument Technique and Sensor Dec.2014 复性变异系数 C.V 值 <7.00%(2.00 ~20.00 mg /L),CRP 的 最低检测浓度为 0.36 mg /L,仪器性能稳定,技术参数符合临床 免疫检测的要求,可广泛应用于现场定量检测。 参考文献: [1] CLYNE B,OLSHAKER J.The c -reactive protein.The Journal of E- mergency Medicine,1999,17(6) :1019 -1025. 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[13] PEARSON T A,MENSAH G A,ALEXANDER R W,et al.Markers of inflammation and cardiovascular disease.Circulation, 2003, 107 (3) :499 -511. 作者简介:谢梦圆 (1986 - ) ,助理实验师,硕士,主要从事光谱仪器、光 谱分析方面的研究。 E-mail:xiemengyuan@foxmail.com 张军(1968 - ) ,研 究 员,博 士,主 要 从 事 工 程 光 学 及 精 密 仪 器制造方面的研究工作。 E-mail:ccdbys@163.com (上接第 14 页) 3性能测试实验 测试方法及过程为:将 RS485 型多圈角度传感器通过联轴 器和3 000 r /min 伺服电机连接;并通过 PMAC 运动控制卡对伺 服电机进行位置环和速度环的双闭环控制,使其定位精确;通 过 RS485 接口将传感器角度信号读取出来,然后将多圈角度传 感器测量得到的角位置和运动控制卡的反馈值进行比较,分析 并测定多圈绝对角度传感器的测量精度、线] 。 传 感器性能测试现场如图 8 所示。 根据计算公式 Lout =( ΔYmax /ΔYout ) ×100%,可以得出多圈 角度传感器的独立线°,实 验结果证明多圈角度传感器设计达到了预期的设计目的。 实验条件为:伺服电机编码器分辨率为8 192 脉冲 /转,电 机转速为2 850 r /min,每次增量进给 910 个脉冲,实验数据记录 如表 1 所示。 图 8多圈角度传感器测试现场图 4结束语 基于非接触磁敏感测量技术,开发了高性能微处理器的智 能多圈绝对值角度传感器,该传感器具有测量精度高、测量量 程可调、适应恶劣工况等特点。 实验结果表明:角度传感器的 独立线°,可以满足各 种工业角位置测量的需求。 表 1多圈绝对角度传感器实验结果 指令位置 /cts 910 1 820 2 730 3 640 4 550 5 460 6 370 7 280 8 190 角度值 /( °) 39.99 80.00 119.97 159.96 199.95 239.94 279.33 319.92 359.91 测量值 /( °) 40.12 80.08 120.09 160.08 199.03 240.06 280.77 319.98 360.15 参考文献: [1] 于静,张吉月.一种新 型数字式 角 度 传 感 器 的 研 究 .微 计 算 机 信 息,2007(1) :163 -165. 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