CN113212551A - 一种基于fpga的eps扭矩转角传感器信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，包括信号接收电路，FPGA控制器和电气转换电路。信号接收电路包括模拟数字转换模块，CAN收发器模块，串行通信模块，PWM模块。通过信号接收电路将指令扭矩信号及指令转角信号发送给FPGA控制器，FPGA控制器对收到的指令进行分析与处理后转换为扭矩转角传感器的六路SENT信号，经电气转换电路供于ECU解析使用。通过模拟真实扭矩转角传感器所发出的SENT信号，极大的降低了汽车电动助力转向各项测试的成本和周期，提高了电动助力转向系统的开发效率，通过采用FPGA作为控制核心，降低了成本和提高了时序控制的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车助力转向技术领域，具体为一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器。
背景技术
电动助力转向系统EPS(Electric Power Steering)具有节能环保、安装方便、效率高、路感好和回正性好的优点，是汽车转向系统的发展方向。电动助力转向系统主要由扭矩转角传感器TAS(Torque&Angle Sensor)、电子控制单元ECU(Electronic ControlUnit)、电机和转向器总成等组成。电动助力转向系统依靠扭矩转角传感器提供给电子控制单元关键信号进行解析。在电动助力转向各项测试中都需要接入扭矩转角传感器，由于扭矩转角传感器样件费用昂贵，交样周期冗长等因素，时常满足不了测试需求，因此需要开发扭矩转角传感器仿真信号发生器来模拟真实扭矩转角传感器所发出的SENT(Single EdgeNibble Transmission)信号供于电子控制单元使用。
SENT通信协议是美国机动车工程学会SAE(Society of Automotive Engineers)推出的一种汽车传感器与ECU通信的新标准(SAE J2716),相比于模拟输出和PWM输出，SENT输出具有很好的EMC特性，节省线束、节省插针结头的低成本方案，并且能传输故障代码从而使传感器系统具有很强的故障诊断能力。目前采用单片机产生SENT输出的方案居多，如Micro chip公司的dsPic33E系列单片机带有两个SENT接口，存在接口资源较少，时序控制的精准性不能满足要求的问题，若采用多块单片机的方案，还存在成本高，硬件资源冗余的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，通过信号接收电路将指令信号发送给FPGA控制器，FPGA控制器对收到的指令信号进行分析与处理后转换为扭矩转角传感器的SENT信号，经电气转换电路供于ECU解析使用。
可选地，所述信号接收电路包括模拟数字转换模块，CAN收发器模块，串行通信模块，PWM模块。
可选地，所述指令信号包括指令扭矩和指令转角信号。
可选地，所述FPGA控制器包括触发信号模块，模拟数字转换驱动模块，CAN收发器驱动模块，串行通信驱动模块，PWM驱动模块，控制模块，数据处理模块，CRC校验模块，SENT信号产生模块。
可选地，本发明的基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：上电复位后，控制模块的状态机处于空闲状态，在该状态下，当收到触发信号模块发送的触发信号，选择进入模拟数字采集状态或CAN信号接收状态或串行接收状态或PWM接收状态，否则状态不跳转。
步骤201：控制模块的状态机处于模拟数字采集状态，在该状态下，模拟数字转换驱动模块驱动模拟数字转换模块获取模拟信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤202：控制模块的状态机处于CAN信号接收状态，在该状态下，CAN收发器驱动模块驱动模拟CAN收发器模块获取CAN信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤203：控制模块的状态机处于串行接收状态，在该状态下，串行通信驱动模块驱动串行通信模块获取串行信息，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤204：控制模块的状态机处于PWM接收状态，在该状态下，PWM驱动模块驱动PWM模块获取占空比信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤3：控制模块的状态机处于数据处理状态，在该状态下，对指令扭矩信号及指令转角信号分析处理产生SENT数据字段的半字节信息，并发送给CRC校验模块和SENT信号产生模块，状态机进入CRC状态。
步骤4：控制模块的状态机处于CRC状态，在该状态下，对SENT数据字段的半字节信息做CRC校验，产生CRC字段的半字节信息，并发送给SENT信号产生模块，状态机进入SENT状态。
步骤5：控制模块的状态机处于SENT状态，在该状态下，由状态/通信半字节，数据字段半字节，CRC字段半字节组成SENT信号，状态机进入模拟数字采集状态或CAN信号接收状态或串行接收状态或PWM接收状态。
步骤6：SENT信号经电气转换电路供于ECU解析使用。
有益效果：本发明提出了一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器；通过模拟真实扭矩转角传感器所发出的SENT信号供于电子控制单元使用，极大的降低了电动助力转向各项测试的成本和周期，提高了电动助力转向系统的开发效率；通过采用模拟数字转换模块，CAN收发器模块，串行通信模块和PWM模块，增加了EPS扭矩转角传感器仿真信号发生器的适用性；通过采用FPGA作为控制核心，降低了成本和提高了时序控制的精确性、系统稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器的原理框图；
图2为本发明提供的一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器的控制方法的状态机跳转图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种技术方案：一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，通过信号接收电路将指令扭矩信号及指令转角信号发送给FPGA控制器，FPGA控制器对收到的指令进行分析与处理后转换为扭矩转角传感器的SENT信号，经电气转换电路供于ECU解析使用。
本实施例中，信号接收电路包括模拟数字转换模块，CAN收发器模块，串行通信模块，PWM模块。模拟数字转换模块采用的是逐次逼近型的低功耗芯片ADC128S022，其具有8通道以及12位的分辨率，吞吐率为50ksps至200kps，接口采用标准SPI接口；CAN收发器模块采用高速CAN收发器芯片TJA1050；串行通信模块采用USB转串口芯片CH340G；PWM模块采用S8050三极管实现电平转换。
本实施例中，FPGA控制器包括触发信号模块，模拟数字转换驱动模块，CAN收发器驱动模块，串行通信驱动模块，PWM驱动模块，控制模块，数据处理模块，CRC校验模块，SENT信号产生模块。FPGA处理器采用Altera公司CycloneIV E系列FPGA芯片，采用50MHz的有源晶振作为FPGA提供时钟源。上述模块均采用Verilog HDL语言实现。
本实施例中，FPGA控制器中的触发模块的输入为异步按键信号，经过消抖处理后产生四路按键信号发送给控制模块。
本实施例中，FPGA控制器中的数据处理模块的输入为指令扭矩信号及指令角度信号和模块使能信号，对扭矩信号除以扭矩刚度得到的扭转变形量进行判断，若在扭转变形的标称测量范围，结果乘以339.9167+2047.6作为SENT1和SENT3的数据低字段，否则给一数字常量8或4087；对角度信号判断，若在理论相对角度测量范围，角度信号乘以102.3+2047作为SENT1和SENT3的数据高字段，若在理论绝对角度测量范围，角度信号乘以13.8074+2044.6作为SENT5和SENT6的数据字段；SENT2的数据字段和SENT1的数据字段之和为4095；SENT4的数据字段等于SENT2的数据字段；最后将12bit的SENT数据字段发送给CRC校验模块和SENT信号产生模块。上述乘法运算均是通过等式乘以256/256后，移位操作实现，处理完成后产生一个结束信号。
本实施例中，FPGA控制器中的CRC校验模块的输入为待校验的SENT数据字段和模块使能信号，根据SENT标准(SAE J2716)中CRC部分对SENT数据字段用Verilog HDL语言处理，采用一个寄存器作为是计数器完成循环操作，将4bit的校验码发送给SENT信号产生模块，校验完成后产生一个结束信号。
本实施例中，FPGA控制器中的SENT信号产生模块的输入为状态/通信半字节，数据字段半字节，CRC字段半字节，极性选择信号和模块时能信号，根据SENT标准(SAE J2716)用Verilog HDL语言产生SENT时序，采用一个寄存器作为计数器计数tick，每当模块使能时，初始化边沿标志，根据计数器是否到达边沿标志来翻转电平，在发送完一帧信号后产生一个结束信号。
本实施例中，电气转换电路为FPGA的IO引脚上拉5V以满足SENT总线的电气属性要求。
请参阅图2，FPGA控制器中的控制模块的输入为串口接收标志、CAN接收标志、PWM接收标志、AD接收标志和串口接收数据、CAN接收数据、PWM接收数据、AD接收数据和数据处理模块结束信号、CRC校验模块结束信号、SENT信号产生模块结束信号，输出为串口使能信号、CAN使能信号、PWM使能信号、AD使能信号和数据处理模块使能信号、CRC校验模块使能信号、SENT信号产生模块使能信号、指令扭矩角度信号。控制方法包括了以下步骤：
步骤1：上电复位后，控制模块的状态机处于空闲状态，在该状态下，当收到触发信号模块发送的四种接收模式的按键信号，选择进入模拟数字采集状态或CAN信号接收状态或串行接收状态或PWM接收状态，否则状态不跳转。
步骤201：控制模块的状态机处于模拟数字采集状态，在该状态下，控制模块发送AD使能信号，模拟数字转换驱动模块通过SPI接口读取ADC128S022获取的模拟信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，其中模拟输入0-3.3V对应扭矩值-10NM-10NM，对应角度值-900-900。状态机进入数据处理状态。
步骤202：控制模块的状态机处于CAN信号接收状态，在该状态下，控制模块发送CAN使能信号，CAN收发器驱动模块实现CAN通信底层协议的处理和应用层数据的获取，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，其中扭矩和角度值分别占用一个字节。状态机进入数据处理状态。
步骤203：控制模块的状态机处于串行接收状态，在该状态下，控制模块发送串口使能信号，串行通信驱动模块驱动串行通信模块获取串行信息，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，其中扭矩和角度值分别占用一个字节。状态机进入数据处理状态。
步骤204：控制模块的状态机处于PWM接收状态，在该状态下，状态机模块发送PWM使能信号，PWM的输入频率为2kHz，PWM驱动模块用系统时钟捕获PWM的上升沿和下降沿确定PWM的占空比信息，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，其中占空比12.5％-87.5％对应扭矩值-10NM-10NM，对应角度值-900-900。状态机进入数据处理状态。
步骤3：控制模块的状态机处于数据处理状态，在该状态下，控制模块发送数据处理模块使能信号，若接收到数据处理模块结束信号，状态机进入CRC状态，否则状态不跳转。
步骤4：控制模块的状态机处于CRC状态，在该状态下，控制模块发送CRC校验模块使能信号，若接收到CRC校验模块使能信号，状态机进入SENT状态，否则状态不跳转。
步骤5：控制模块的状态机处于SENT状态，在该状态下，控制模块若接收到SENT信号产生模块结束信号，状态机进入模拟数字采集状态或CAN信号接收状态或串行接收状态或PWM接收状态，否则状态不跳转。
Claims (5)
1.一种基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，其特征在于：通过信号接收电路将指令信号发送给FPGA控制器，FPGA控制器对收到的指令信号进行分析与处理后转换为扭矩转角传感器的SENT信号，经电气转换电路供于ECU解析使用。
2.如权力要求1所述的基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，其特征在于：所述信号接收电路包括模拟数字转换模块，CAN收发器模块，串行通信模块，PWM模块。
3.如权力要求1所述的基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，其特征在于：所述指令信号包括指令扭矩和指令转角信号。
4.如权力要求1所述的基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器，其特征在于：所述FPGA控制器包括触发信号模块，模拟数字转换驱动模块，CAN收发器驱动模块，串行通信驱动模块，PWM驱动模块，控制模块，数据处理模块，CRC校验模块，SENT信号产生模块。
5.如权力要求1所述的基于FPGA的EPS扭矩转角传感器信号发生器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：上电复位后，控制模块的状态机处于空闲状态，在该状态下，当收到触发信号模块发送的触发信号，选择进入模拟数字采集状态或CAN信号接收状态或串行接收状态或PWM接收状态，否则状态不跳转。
步骤201：控制模块的状态机处于模拟数字采集状态，在该状态下，模拟数字转换驱动模块驱动模拟数字转换模块获取模拟信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤202：控制模块的状态机处于CAN信号接收状态，在该状态下，CAN收发器驱动模块驱动模拟CAN收发器模块获取CAN信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤203：控制模块的状态机处于串行接收状态，在该状态下，串行通信驱动模块驱动串行通信模块获取串行信息，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤204：控制模块的状态机处于PWM接收状态，在该状态下，PWM驱动模块驱动PWM模块获取占空比信号，并转换为指令扭矩信号及指令转角信号发送给数据处理模块，状态机进入数据处理状态。
步骤3：控制模块的状态机处于数据处理状态，在该状态下，对指令扭矩信号及指令转角信号分析处理产生SENT数据字段的半字节信息，并发送给CRC校验模块和SENT信号产生模块，状态机进入CRC状态。
步骤4：控制模块的状态机处于CRC状态，在该状态下，对SENT数据字段的半字节信息做CRC校验，产生CRC字段的半字节信息，并发送给SENT信号产生模块，状态机进入SENT状态。
步骤5：控制模块的状态机处于SENT状态，在该状态下，由状态/通信半字节，数据字段半字节，CRC字段半字节组成SENT信号，状态机进入模拟数字采集状态或CAN信号接收状态或串行接收状态或PWM接收状态。
步骤6：SENT信号经电气转换电路供于ECU解析使用。
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