CN107367226A - 数字角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属角度测量仪器领域，尤其涉及一种数字角度传感器，包括圆柱形外壳体（2）；在圆柱形外壳体（2）一侧设有转动轴（1）；转动轴（1）端面横向固定设有同轴径向充磁的圆柱形磁钢（3）；在圆柱形磁钢（3）的下部相隔一定距离横向设有电路板（6）；在电路板（6）上与圆柱形磁钢（3）对应位置固定设有3D磁敏传感器（5）；电路板（6）包括单片机、通讯模块及电源模块；通讯模块及3D磁敏传感器（5）的信号传输端口分别与单片机的信号传输端口相接；电源模块为3D磁敏传感器（5）、单片机及通讯模块提供工作电源。本发明体积小，重量轻，可靠性高，成本低，可采用LIN数字通讯接口输出角度信号。
Description
技术领域
本发明属角度测量仪器领域，尤其涉及一种采用3D磁场传感器且采用LIN通讯接口的数字角度传感器。
背景技术
目前，应用较为广泛的角度传感器有以下几类：
第一类：电阻分压式。电阻分压式角度传感器基于电阻分压原理,通常使用导电塑料作为电阻器来分压。在电阻器的两端施加一直流电压,一个滑动触点随着转轴的转动在电阻器两端内运动,转轴旋转到2个端点位置时,滑动触点刚好运动到电阻器两端。测量滑动触点和电阻器一端的电压即可求得转轴的绝对转角位置。基于电阻分压的角度传感器是接触式传感器，在滑动触点和电阻器的相互运动过程中,二者会产生磨损，影响了传感器的使用寿命,同时还存在磨损带来的电气噪声问题。因此,材料的合理选择、润滑的合理使用都是这种传感器设计过程中必须认真考虑的问题。
第二类：光电感应式。光电感应式角度传感器包括至少2个光敏元件、1个光栅盘以及对应的信号处理电路。光栅盘指的是在不透光的基片（通常做成圆环形）上均匀分布着一些透光矩形孔的圆盘，一般固定在转向轴上。在光栅盘的转动过程中,光线通过矩形孔入射在光栅盘后面固定的光敏元件表面。光敏元件表面的光强可以通过转换电路转换成不同幅值的输出电压。由于矩形孔均匀分布,因此,输出的电压呈现方波形状。通过合理的设计,让2个光敏元件输出的两路电压存在一定相位差（通常为90°）,通过比较两路信号的相位关系就可以判断方向盘的转动方向。光电感应式角度传感器对光栅加工精度要求较高，信号处理电路复杂，整体尺寸较大，输出信号容易受振动和灰尘影响。
第三类：旋转变压器式。旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。常用的激磁频率为400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠,因此，在数控机床上广泛应用。旋转变压器由于存在多组线圈和机械转动部件，因此体积和重量较大，信号处理部分需要专用的信号调理IC，成本较高。
第四类：xMR磁敏式。xMR磁敏式角度传感器通常是指AMR/GMR磁敏式角度传感器,其磁场传感部分由两组惠斯通电桥构成，分别为反映外界磁场余弦变化的VX磁阻感应单元和反映外界磁场正弦变化的VY磁阻感应单元。VX和VY巨磁阻感应单元结构类似，只是参考层磁化方向不同。当安装在转轴上磁铁随着转轴旋转时，磁阻感应单元VX和VY能够检测出平行于其表面的外界磁场变化，并分别输出余弦和正弦信号。磁场信号经过AD转换，然后通过传感器内部CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer)模块进行反正切计算，得到所测量的角度值，最后通过不同信号协议输出角度等信息。xMR磁敏式角度传感器目前在汽车传感器领域得到了广泛应用，但是由于xMR传感器制作工艺复杂，使得xMR传感器芯片的价格较高，在成本敏感场合的应用受到限制。
以上几类角度传感器均采用模拟电压输出或者数字信号输出，但是尚无采用LIN接口的实例。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种体积小，重量轻，可靠性高，成本低，可采用LIN数字通讯接口输出角度信号的数字角度传感器。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种数字角度传感器，包括圆柱形外壳体；在所述圆柱形外壳体一侧设有转动轴；所述转动轴一端伸入圆柱形外壳体内，其端面横向固定设有同轴径向充磁的圆柱形磁钢；在所述圆柱形磁钢的下部相隔一定距离横向设有电路板；在所述电路板上与圆柱形磁钢对应位置固定设有3D磁敏传感器；所述电路板包括单片机、通讯模块及电源模块；所述通讯模块及3D磁敏传感器的信号传输端口分别与单片机的信号传输端口相接；所述电源模块为3D磁敏传感器、单片机及通讯模块提供工作电源。
作为一种优选方案，本发明所述圆柱形外壳体可采用铝合金材料。
进一步地，本发明所述转动轴可采用塑料或者铝合金材料。
进一步地，本发明所述圆柱形磁钢可采用Φ10mm×2mm的圆柱状铁氧体或钕铁硼磁钢，表面磁场强度为0.2T～0.4T。
进一步地，本发明所述3D磁敏传感器可采用TLV493型芯片；单片机可采用STM8L051型芯片；通讯模块可采用TJA1027型芯片；电源模块可采用HT7533型芯片。
进一步地，本发明所述通讯模块设有LIN通讯接口。
本发明的有益效果是：整个传感器的体积小，重量轻，成本低，具备温度和量程补偿功能，可通过LIN通讯接口输出角度信号，具有较高的测量精度和稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明电路原理框图。
图3为本发明具体电路原理图。
图4为本发明单片机软件流程图。
图中：1、转动轴；2、圆柱形外壳体；3、圆柱形磁钢；4、后端盖；5、3D磁敏传感器；6、电路板；7、传感器引线。
具体实施方式
如图1及图2所示，数字角度传感器，它包括圆柱形外壳体2；在所述圆柱形外壳体2一侧设有转动轴1；所述转动轴1一端伸入圆柱形外壳体2内，其端面横向固定设有同轴径向充磁的圆柱形磁钢3；在所述圆柱形磁钢3的下部相隔一定距离横向设有电路板6；在所述电路板6上与圆柱形磁钢3对应位置固定设有3D磁敏传感器5；所述电路板6包括单片机、通讯模块及电源模块；所述通讯模块及3D磁敏传感器5的信号传输端口分别与单片机的信号传输端口相接；所述电源模块为3D磁敏传感器5、单片机及通讯模块提供工作电源。
本发明所述圆柱形外壳体2采用铝合金材料。本发明所述转动轴1采用塑料或者铝合金材料。本发明所述圆柱形磁钢3采用Φ10mm×2mm的圆柱状铁氧体或钕铁硼磁钢，表面磁场强度为0.2T～0.4T。本发明所述3D磁敏传感器5采用TLV493型芯片；单片机采用STM8L051型芯片；通讯模块采用TJA1027型芯片；电源模块采用HT7533型芯片。本发明所述通讯模块设有LIN通讯接口。
本发明在圆柱形外壳体2一侧安装有转动轴1，在轴端安装一块同轴的径向充磁的圆柱形磁钢3。磁钢可以采用铁氧体材料或者其他材料（钕铁硼等）。根据实际工作的温度范围灵活选择。传感器内部，距离磁钢下方位置安装有电路板6。3D磁敏传感器5安装在与圆柱形磁钢3端面平行的电路板6上，其测磁Z轴与圆柱形磁钢3同轴，X轴和Y轴与圆柱形磁钢3端面平行。参见图2所示，电路板6上安装有单片机、通讯模块、电源模块以及其他常规电路元件。
圆柱形外壳体2为不导磁的铝合金材料。转动轴1为不导磁的塑料或者铝合金材料。圆柱形磁钢3选用Φ10mm×2mm的圆柱状磁钢，材料为铁氧体，表面磁场强度为0.2T～0.4T。3D磁敏传感器中U1的型号为TLV493，单片机U2型号为STM8L051，通讯模块中接口芯片U3型号为TJA1027，电源模块中稳压芯片U4的型号为HT7533。
参见图3所示，VBAT为传感器的输入直流电源，电压为12V。GND为电源和电路的地端。LIN为传感器的数据输出端，属串行数字信号。U4将传感器的供电电压稳压为3.3V，供U1、U2、U3使用。
具体接线如下：参见图3所示，U1的VCC引脚接VCC，GND引脚接电源GND（电源地），SCL和SDA分别与U2的SCL和SDA连接，另外SCL和SDA分别接有一个到VCC端的10K电阻（R1和R2），称为总线上拉电阻。U2的电源引脚VDD接VCC，电源引脚GND接电源GND。US的TXD（PA2）和RXD引脚（PA3）分别接U3的TXD（引脚4）和RXD引脚（引脚1）。U3的VBAT引脚（引脚7）接外电源供电引脚VBAT，其电压额定值为12V。U3的GND引脚（引脚5）接GND，U3的SLP引脚（引脚2）接VCC，U3的LIN引脚（引脚6）接LIN总线输出。U4的输入端Vin（引脚2）接VBAT，U4的GND引脚（引脚1）接GND，U4的输出引脚Vout（引脚3）接VCC。滤波电容C1（0.1uF）和CD1（47uF）接在VBAT和GND之间。滤波电容C2（0.1uF）、CD2（47uF）、C4（0.1uF）和C5（0.1uF）接在VCC和GND之间。
具体工作过程如下：当被测对象带动转动轴旋转时，圆柱形磁钢3同步旋转，引起空间磁场方向变化。在3D磁敏传感器的位置可以检测到磁场的X向分量Xm、Y相分量Ym和Z向分量Zm的数值，其中Xm和Ym分别按照正弦和余弦函数发生变化,二者相位相差90°。Xm和Ym的数值由U1进行取样放大和AD转换，将测量结果保存在内部数据寄存器中。U2定时通过IIC总线（SCL和SDA）读取U1的数据寄存器。U2获得的数据为原始磁场数据，需要进行进行温度和幅度补偿，再按照CORDIC算法计算出角度值。CORDIC算法根据已知的正弦和余弦值，求出反正切即角度值，是公认的高效率算法，在单片机上易于实现。传感器作为LIN总线从机，其中的U3是LIN总线收发器芯片。单片机通过UART接口的数据线TXD与RXD与U3连接，U3的功能是完成LIN总线物理层的实现。传感器的LIN通讯接口接到外部的LIN主机上，即可以实现与主机之间的数据通讯功能。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“固定”、“相接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种数字角度传感器，包括圆柱形外壳体（2）；其特征在于：在所述圆柱形外壳体（2）一侧设有转动轴（1）；所述转动轴（1）一端伸入圆柱形外壳体（2）内，其端面横向固定设有同轴径向充磁的圆柱形磁钢（3）；在所述圆柱形磁钢（3）的下部相隔一定距离横向设有电路板（6）；在所述电路板（6）上与圆柱形磁钢（3）对应位置固定设有3D磁敏传感器（5）；所述电路板（6）包括单片机、通讯模块及电源模块；所述通讯模块及3D磁敏传感器（5）的信号传输端口分别与单片机的信号传输端口相接；所述电源模块为3D磁敏传感器（5）、单片机及通讯模块提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的数字角度传感器，其特征在于：所述圆柱形外壳体（2）采用铝合金材料。
3.根据权利要求2所述的数字角度传感器，其特征在于：所述转动轴（1）采用塑料或者铝合金材料。
4.根据权利要求3所述的数字角度传感器，其特征在于：所述圆柱形磁钢（3）采用Φ10mm×2mm的圆柱状铁氧体或钕铁硼磁钢，表面磁场强度为0.2T～0.4T。
5.根据权利要求4所述的数字角度传感器，其特征在于：所述3D磁敏传感器（5）采用TLV493型芯片；单片机采用STM8L051型芯片；通讯模块采用TJA1027型芯片；电源模块采用HT7533型芯片。
6.根据权利要求5所述的数字角度传感器，其特征在于：所述通讯模块设有LIN通讯接口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171121 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |