金 南，程遠(yuǎn)增，孫書鷹

（軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊050003）

基于磁柵位移傳感器的角度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金 南，程遠(yuǎn)增，孫書鷹

（軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊050003）

為了提高轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)精度、抗干擾能力和提高可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于磁柵位移傳感器的角度測(cè)量裝置。該裝置以嵌入式微處理器STM32F103為核心構(gòu)建，設(shè)計(jì)采用磁柵位移傳感器，這種傳感器能將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路具有相位差的脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)傳輸至STM32F103進(jìn)行計(jì)數(shù)。最終將對(duì)位移的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)角度的測(cè)量，通過串口傳送到上位機(jī)給出結(jié)果顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置具有較高的可靠性和測(cè)量精度。

STM32；磁柵尺；角度測(cè)量；信號(hào)采集

角度的測(cè)量是伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，目前廣泛應(yīng)用的角度測(cè)量傳感器一般有光電編碼器[1]、光柵傳感器[2]、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器[3]等。光柵式傳感器大量程測(cè)量精度僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?，光柵測(cè)量技術(shù)成熟，精度和分辨率較高，應(yīng)用較廣泛。但由于機(jī)械振動(dòng)易使光柵尺破碎，光柵尺抗沖擊性、抗振性能不高，光器件的使用壽命短，結(jié)構(gòu)定位組裝復(fù)雜，成本較高，而正余弦變壓器雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，但是容易損壞不易維修。

文中基于STM32微控制器，應(yīng)用磁柵位移傳感器設(shè)計(jì)了一種角度測(cè)量裝置[4]，并且給出其硬件電路設(shè)計(jì)了及軟件模塊，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其測(cè)量精度和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理

1.1 角度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

角度測(cè)量系統(tǒng)硬件電路以ARM處理器為核心，由系統(tǒng)電源電路，傳感器電路，通訊接口電路和主控芯片電路等5部分組成，本系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

1.2 STM32F103微控制器

本系統(tǒng)是高精度的位移測(cè)量傳感器的信號(hào)處理系統(tǒng)，由于ST提供了完整的開發(fā)工具和庫函數(shù)，使得用戶方便的訪問STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。因而在本設(shè)計(jì)中選擇意法半導(dǎo)體ST公司推出的STM32F103微控制器[5]。STM32系列的微控制器是由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)。工作頻率可達(dá)70MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（128 kB Flash，20 kB SRAM），擁有豐富的增強(qiáng)I/O端口 （大部分I/O端口可5V兼容）和USART、SPI、I2S、ADC、DAC等眾多外設(shè)功能，提供84個(gè)中斷、16級(jí)可配置優(yōu)先級(jí)，并且可在-40～105℃的溫度下工作。

1.3 磁柵位移傳感器的工作原理

磁柵位移傳感器是一種可將位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖的傳感器[9-12]，這種傳感器由磁柵尺、磁頭組成。當(dāng)磁頭在尺上面發(fā)生位置變化時(shí)，編碼器產(chǎn)生周期性的增量脈沖，因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)就可以完成對(duì)位移的測(cè)量。編碼器可輸出A，B，Z 3個(gè)信號(hào)，其中A，B兩路信號(hào)為相位相差90°的方波信號(hào)，Z相為每轉(zhuǎn)一圈的標(biāo)志信號(hào)，每圈只產(chǎn)生一個(gè)脈沖，信號(hào)波形圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)波形圖

由波形圖可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，相位相差90°的AB兩路信號(hào)可以有4種電平組合，分別是下圖的4種組合狀態(tài)。當(dāng)磁頭正向移動(dòng)時(shí)，狀態(tài)變化為10＞11＞01＞00，反向移動(dòng)時(shí)，狀態(tài)變化為01＞11＞10＞00，并且以此周期性循環(huán)，可以看到，無論在正向還是在反向移動(dòng)的情況下，對(duì)于任意一個(gè)狀態(tài)，它的前一個(gè)或后一個(gè)狀態(tài)是唯一確定的。例如狀態(tài)11，在正向移動(dòng)時(shí)，前一個(gè)狀態(tài)是10，后一個(gè)狀態(tài)是01，而在反向移動(dòng)式，前一個(gè)狀態(tài)是01，后一個(gè)狀態(tài)是10。因此，可根據(jù)A、B相組合電平的變化來判斷磁頭的移動(dòng)方向和四倍頻的細(xì)分計(jì)數(shù)。

1.4 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于要采用磁柵尺作為位移傳感器，而磁柵尺傳感器輸出的是差分信號(hào)，因而我們?cè)谛盘?hào)處理系統(tǒng)中集成了差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路[6]，將磁柵尺輸出的差分信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送入下位機(jī)，由處理器芯片讀取脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到的數(shù)據(jù)通過RS232通訊接口送給上位機(jī)進(jìn)行處理顯示。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)中采用 MAX3095作為傳感器差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，MAX3095是美國(guó)美信公司生產(chǎn)的四通道RS422/RS485發(fā)送器，其采用單5 V電源供電，支持熱插拔，具有ESD保護(hù)電路，因而能很好的實(shí)現(xiàn)光柵輸入的差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，本模塊具體電路原理如圖所示。經(jīng)過磁柵輸入的3對(duì)差分信號(hào)（六路）經(jīng)過阻抗匹配電路后分別送入 MAX3095芯片的3個(gè)通道，經(jīng)過芯片接收轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變成處理器能夠識(shí)別的TTL信號(hào)送入STM32進(jìn)行后續(xù)處理。

1.5 RS232串口電路

STM32F103芯片內(nèi)部集成有 3個(gè) USART，因此本系統(tǒng)與上位機(jī)通訊通過RS-232串行接口來實(shí)現(xiàn)[13-14]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。本設(shè)計(jì)選用 美信公司的MAX3232串口驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電，具有片載電荷泵升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力和功耗低等特點(diǎn)。內(nèi)部集成2個(gè)RS-232驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)RS-232接收器。具體電路如圖4所示。

圖4 串口電路

2 軟件設(shè)計(jì)

在本方案中，編碼器 A、B相的信號(hào)輸入到STM32微控制器引腳，由兩信號(hào)的上升和下降邊沿分別觸發(fā)中斷請(qǐng)求，調(diào)用GPIO_ReadInputDataBit函數(shù)來讀取引腳的輸入值，高電平是1，低電平是0，從而得到A、B相信號(hào)組合的編碼值，并根據(jù)現(xiàn)組合編碼值的前一個(gè)狀態(tài)來判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)則計(jì)數(shù)加1，反轉(zhuǎn)則計(jì)數(shù)減1。例如，現(xiàn)得到組合狀態(tài)值11，如果前一狀態(tài)是10，則編碼器正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)加1，如果是01，則相反。通過軟件實(shí)現(xiàn)編碼器信號(hào)的倍頻鑒相和判斷計(jì)數(shù)，最后完成角度換算。當(dāng)前狀態(tài)為11的程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

利用STM32較高的性能，實(shí)現(xiàn)軟件四倍頻鑒相計(jì)數(shù)，不但簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，而且使系統(tǒng)開發(fā)方便、快捷、更具靈活性。在編碼器相對(duì)運(yùn)動(dòng)一圈產(chǎn)生的15 865個(gè)脈沖周期里，總共產(chǎn)生63 460個(gè)周期性分頻編碼，由此可知，角度變化量Δα與計(jì)數(shù)值n的關(guān)系：

Δα=n×（6 000/63 460），單位為密位。角度在信號(hào)處理中需要使用Z相脈沖信號(hào)，在Z相脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，角度計(jì)數(shù)清零，從而實(shí)現(xiàn)0密位的校正。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方案，完成硬件電路設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)將磁柵尺在一個(gè)圓環(huán)上繞滿一圈并固定在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，將磁頭固定在圓環(huán)上方，最后對(duì)角度測(cè)量裝置進(jìn)行角度測(cè)量調(diào)試，并利用C++ builder[15]編寫了上位機(jī)程序顯示調(diào)試結(jié)果，上位機(jī)顯示的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。從圖中的結(jié)果可以看出本裝置測(cè)量精度可以達(dá)到0.01密位，并且隨著圓環(huán)的直徑增大，精度將會(huì)越大

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種基于磁柵位移傳感器的高精度角度測(cè)量系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的測(cè)量原理，給出了總體設(shè)計(jì)電路圖，并通過實(shí)驗(yàn)表明該角度測(cè)量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的研究意義和市場(chǎng)價(jià)值。

[1]司海立，程武山.磁柵位移傳感器在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2009（2）:55-57.

[2]楊興，胡建明，戴特力.光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（26）:101-105.

[3]楊勇.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器研究[J].湖南農(nóng)機(jī)，2014（9）:51-54.

[4]舒望.基于光電編碼器的旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量裝置的研究與設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2015（7）:31-33.

[5]譚淑梅.簡(jiǎn)析STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）:21-23.

[6]任君，徐超，李周奎，等.高清視頻VGA模擬差分信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù)，2013（5）:433-437.

[7]陶小春.磁柵位置檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].煤礦機(jī)械，1998（3）:33-34.

[8]姚慶安，鄭虹，等.基于FPGA和霍爾效應(yīng)的高精度數(shù)字式角度測(cè)量系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（10）:3144-3146.

[9]季漢川，楊文煥.一種新型霍爾角度傳感器的設(shè)計(jì)與分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（8）:7-11.

[10]袁廣俊.位移變化量檢測(cè)在殼體焊縫自動(dòng)定位中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化系統(tǒng)與裝置，2015（7）：105-107.

[11]葉愷.磁柵尺的建模與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[12]王曉剛，孟立新，石博程.基于磁柵尺的無實(shí)際轉(zhuǎn)軸傾斜臺(tái)轉(zhuǎn)角反饋測(cè)量[J].機(jī)械制造，2011（7）:91-93.

[13]鄧宏貴，吳讓亮，施佳佳.數(shù)字角度傳感器在建筑角度測(cè)量?jī)x中應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（8）: 1206-1210.

[14]徐建華，楊瑞峰.基于AD2S83的角位移測(cè)量模塊設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（7）：183-184.

[15]劉龍，郝萌，吳慶星，等.C++builder編程實(shí)現(xiàn)IXS系列X射線光機(jī)的控制[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（11）:60-62.

Design of angle measurement system based on magnetic grid displacement sensor

JIN Nan，CHENG Yuan-zeng，SUN Shu-ying
（Department of Electrical and Optical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

A kind of angle measuring device based on magnetic grid displacement sensor is designed in order to improve the precision，the anti-interference ability and the reliability of servo system.This device is constructed with STM32F103 as its core and it adopts magnetic grid displacement sensor，which converts the displacement signal into two pulse signals with a phase difference.Pulse signal will be transferred to STM32F103 to count.Finally，the measurement of displacement is transformed into the angle，which will be displayed on computer by SCI.The experimental results show that this device has high reliability and measuring accuracy.

STM32；magnetic grid；angle measuring；signal acquisition

TN431.2

：A

：1674-6236（2017）08-0191-03

2016-04-12稿件編號(hào)：201604115

金 南（1991—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：控制科學(xué)與工程。