CN115931031A - 一种角度位置传感器测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角度位置传感器测量装置，包括光栅编码器、四倍频电路、计数器、晶振、CPU、锁存器、电机减速器组件、角度位置传感器，其特征在于，还包括分频电路和计数器锁存控制电路，锁存器的锁存控制端接收计数器锁存控制电路的计数器锁存输出信号LOCKOUT，CPU输出的计数锁存输入信号LOCKIN接往计数器锁存控制电路，由计数器锁存控制电路对锁存器进行锁存控制，CPU输出清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE；晶振与分频电路连接，分频后的时钟信号CLKIN接往计数锁存控制电路；锁存器通过数据总线接往CPU，角度位置传感器输出外部锁存信号EDGEIN接往CPU，CPU输出电机控制输出信号控制电机减速器组件正转或反转。

Description

一种角度位置传感器测量装置

技术领域

本发明属于航空仪器仪表测试设备，具体涉及一种角度位置传感器测量装置。

背景技术

角度位置传感器工作原理：角度位置传感器的输入轴摇杆在转过一定角度时，断开内部的接点组，角度位置传感器测量装置用来检测该角度输入轴摇杆离开零位的角度值。

角度位置传感器测量装置的作用是：

电机减速器组件输出轴、光栅编码器输入轴和角度位置传感器输入轴位于同一轴线上，且电机减速器组件输出轴带动光栅编码器输入轴及角度位置传感器输入轴摇杆同步旋转，电机减速器组件由零位起始带动角度位置传感器正向旋转，当角度位置传感器内部的接点组由“接通”转为“断开”时，锁存编码器的计数值；控制电机减速器组件带动角度位置传感器反向旋转，过“零位”后其内部的接点组再由“接通”转为“断开”时，再次锁存编码器的计数值。计算由零位顺时针旋转的角度值与由零位逆时针旋转的角度值。

目前的一种角度位置传感器测量装置的结构参见图1，它由光栅编码器、四倍频电路、计数器、晶振、CPU、锁存器、电机减速器组件、角度位置传感器组成。光栅编码器输出的正交脉冲信号接往四倍频电路，四倍频电路将信号处理后输出加计数脉冲与减计数脉冲，接往计数器。计数器通过数据总线与锁存器连接，计数器的计数器清零信号CLE来自于CPU。锁存器的锁存控制端接CPU输出的计数器锁存输入信号LOCKIN，锁存器锁存后的数据输出信号通过数据总线接往CPU。CPU输出读信号RD可从该数据总线上读取锁存后的数据。晶振与CPU连接为系统提供时钟信号CLK。CPU输出电机控制输出信号控制电机减速器组件正转或反转，角度位置传感器输出的外部锁存信号EDGEIN接往CPU。

其工作原理是：首先由CPU驱动电机减速器组件、光栅编码器和角度位置传感器一起正向旋转，同时CPU循环执行图2的主程序流程，当查询计数器锁存状态变量bLockState为0时，CPU发出计数器锁存信号，即先将接往锁存器的CPU引脚计数器锁存输入LOCKIN信号置为0，以产生一个下降沿，将外部计数器当前计数值锁存在锁存器中，间隔一个指令周期后，再将CPU引脚计数器锁存输入LOCKIN信号置为1。通过读信号RD来控制从锁存器中读取光栅编码器的实时位置。

当角度位置传感器内部接点组由“接通”转为“断开”或“断开”转为“接通”时，外部锁存信号EDGEIN在CPU的外部中断管脚上产生下降沿或上升沿外部中断信号，CPU进入外部中断程序，执行图2所示的中断程序流程。具体说明：进入中断程序后，首先查询主程序流程当前是否允许外部锁存，即查询计数器锁存状态变量bLockState是否为0，若bLockState不为0，不做任何操作，直接退出中断程序，若bLockState为0，则中断程序中CPU发出计数器锁存信号，即先将接往锁存器的CPU引脚计数器锁存输入LOCKIN信号置为0，以产生一个下降沿，将外部计数器当前计数值锁存在锁存器中，间隔一个指令周期后，再将CPU引脚计数器锁存输入LOCKIN信号置为1，以允许后续主程序流程中可以通过读信号RD来控制从锁存器中读取计数值。接着在中断程序中置计数器已被锁存标志变量bLockState为1，然后退出中断程序。

在主程序流程中，当查询计数器锁存状态变量bLockState为1时，直接通过读信号RD从锁存器中读取中断程序锁存的光栅编码器位置值。然后将主循环程序上次由CPU管脚外部锁存信号EDGEIN得到的开关状态变量EDGEINEW存入变量EDGESAVED，再由CPU管脚读入当前的外部锁存信号EDGEIN状态到变量EDGEINEW中，这样，变量EDGESAVED和变量EDGEINEW中就保存着相邻两次引起中断的外部锁存信号EDGEIN状态。判断相邻两次状态如果相等，则说明外部锁存信号EDGEIN未发生有效的跳变；如果不相等，则判断新状态EDGEINEW是否为0，即角度位置传感器的内部接点组是否由“接通”转为“断开”状态。若角度位置传感器的内部接点组是由“接通”转为“断开”状态，则记录测量结果有效，并记录测量结果值。最后，清计数器锁存状态变量bLockState为0，并结束本轮主程序循环。

其缺点是：

(1)当角度位置传感器输出信号发生跳变时，计数器值并不是实时锁存，计数器值的锁存延迟时间为CPU的外部中断响应时间、判断语句和计数器锁存语句的执行时间。因此对于同一角度位置传感器，同样的动作时间点，当驱动角度位置传感器的转动速度不同时，得到的测量结果也不同。

(2)在系统中，CPU有更高级的中断事件需要响应处理时，影响锁存计数器值的延迟时间更长，造成更大的测量结果偏差。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提供的一种角度位置传感器测量装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，包括光栅编码器、四倍频电路、计数器、晶振、CPU、锁存器、电机减速器组件、角度位置传感器，还包括分频电路和计数器锁存控制电路，所述锁存器的锁存控制端接收计数器锁存控制电路的计数器锁存输出信号LOCKOUT，所述CPU输出的计数锁存输入信号LOCKIN接往计数器锁存控制电路，由计数器锁存控制电路对锁存器进行锁存控制，所述CPU从计数器锁存控制电路输出的计数器已被外部锁存状态信号LOCKST读取到是否有外部锁存状态，CPU输出清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE，可以清除计数器锁存控制电路的计数器已被外部锁存状态信号LOCKST；所述晶振一方面与分频电路连接，分频后的时钟信号CLKIN接往计数锁存控制电路，另一方面与CPU连接为主程序提供时钟信号CLK；所述光栅编码器输出的正交脉冲信号接往四倍频电路，四倍频电路将信号处理后输出脉冲信号给所述计数器，所述计数器通过数据总线与所述锁存器连接，计数器清零信号CLE来自于CPU；所述锁存器锁存后的数据输出信号通过数据总线接往CPU，所述角度位置传感器输出外部锁存信号EDGEIN接往CPU，CPU输出电机控制输出信号控制电机减速器组件正转或反转。

优选地，当角度位置传感器内部接点组由“接通”转为“断开”或“断开”转为“接通”时，所述外部锁存信号EDGEIN产生下降沿或上升沿信号。

优选地，所述清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE信号为低电平时，将所述外部锁存信号EDGEIN的下降沿或上升沿信号转换为CLKIN引脚输入时钟信号的一个周期宽度低电平有效的计数器锁存输出信号LOCKOUT，并同时置计数器已被外部锁存状态信号LOCKST为高电平；清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE为高电平时，则禁止计数器锁存输出信号LOCKOUT输出低电平脉冲，并同时置计数器已被外部锁存状态信号LOSKST为低电平。

优选地，所述计数器锁存控制电路包括：2个D触发器，分别是第一D触发器F1、第二D触发器F2；5个非门，分别是第一非门G1、第二非门G2、第三非门G3、第四非门G4、第五非门G5；5个与门，分别是第一与门G6、第二与门G7、第三与门G8、第四与门G9、第五与门G10；2个或非门，分别是第一或非门G11、第二或非门G12；

所述分频后的时钟信号CLKIN分别与第一D触发器F1的时钟信号输入端C和第二D触发器F2的时钟信号输入端C连接，所述外部锁存信号EDGEIN与第一D触发器F1的触发信号输入端D连接，第一D触发器F1的输出端Q分别与第二D触发器F2的触发信号输入端D、第二非门G2的输入端、第二与门G7的第二输入端、第五与门G10的第二输入端连接，第二D触发器F2的输出端Q分别与第三非门G3的输入端、第二与门G7的第三输入端、第四与门G9的第三输入端连接；第一非门G1的输入端与第一或非门G11的输出端连接，同时作为所述计数器已被外部锁存状态LOCKST信号；

第一非门G1的输出端分别与第一与门G6的第一输入端、第二与门G7的第一输入端、第三与门G8的第二输入端连接；第二非门G2的输出端分别与第一与门G6的第二输入端、第四与门G9的第二输入端连接；第三非门G3的输出端分别与第一与门G6的第三输入端、第五与门G10的第三输入端连接；第一与门G6的输出端与第一或非门G11的第一输入端连接，第二与门G7的输出端与第一或非门G11的第二输入端连接；

所述清计数器外部锁存状态LOCKCLE信号分别与第一或非门G11的第三输入端、第四非门G4的输入端连接，第四非门G4的输出端分别与第三与门G8的第一输入端、第四与门G9的第一输入端、第五与门G10的第一输入端连接；

所述计数器锁存输入LOCKIN信号与第五非门G5的输入端连接，第五非门G5的输出端与第三与门G8的第三输入端连接；第三与门G8的输出端与第二或非门G12的第一输入端连接，第四与门G9的输出端与第二或非门G12的第二输入端连接，第五与门G10的输出端与第二或非门G12的第三输入端连接，第二或非门G12的输出端为所述计数器锁存输出LOCKOUT信号。

优选地，所述CPU通过读信号RD来控制从数据总线中读取光栅编码器的实时位置。

优选地，所述主程序流程为：

S1：判断所述计数器锁存状态信号LOCKST的值；

S2：如LOCKST为0，发出计数器锁存信号，再从锁存器中读取光栅编码器位置值，转入步骤S5；

S3：如LOCKST为1，从锁存器中读取计数器锁存控制电路锁存的光栅编码器位置值，CPU比较上个循环外部锁存信号EDGEIN的值和当前读入的外部锁存信号EDGEIN的值，如相邻两次的值相等，转入步骤S4；如果不相等，则判断当前状态，为0则记录测量结果值，为1则转入步骤S4；

S4：CPU向计数器锁存控制电路发出清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE，先将LOCKCLE置1，清外部锁存状态，然后将LOCKCLE置0，允许外部再次锁存；

S5：结束本轮主程序循环。

优选地，所述步骤S2发出计数器锁存信号的步骤为，先将接往锁存器的CPU引脚计数器锁存输入信号LOCKIN置为0，以产生一个下降沿，将外部计数器当前计数值锁存在锁存器中，间隔一个cpu指令周期后，再将计数锁存输入信号LOCKIN置为1。

优选地，所述步骤S3中比较EDGEIN的值的方法为，CPU将上个循环中CPU外部锁存信号EDGEIN得到的开关状态变量EDGEINEW存入临时变量EDGESAVED，再由CPU读入当前的外部锁存信号EDGEIN状态到开关状态变量EDGEINEW中，比较EDGEINEW和EDGESAVED的值。

本发明的有益效果为：

本发明采用角度位置传感器输出信号跳变沿进行实时锁存计数值，减少了CPU外接硬件锁存带来的延迟和测量误差，电机减速器组件输出轴带动光栅编码器输入轴及角度位置传感器输入轴摇杆同步旋转，电机减速器组件由零位起始带动角度位置传感器正向旋转，当角度位置传感器内部的接点组由“接通”转为“断开”时，即锁存编码器的计数值；控制电机减速器组件带动角度位置传感器反向旋转，过“零位”后其内部的接点组再由“接通”转为“断开”时，再次锁存编码器的计数值。同样的动作时间点由于减少驱动角度位置传感器的转动速度不同带来的测量误差。

附图说明

图1为目前一种常用角度位置传感器测量装置的原理框图。

图2为目前一种常用角度位置传感器测量装置的主程序流程图。

图3为本发明一种角度位置传感器测量装置的原理框图。

图4为本发明种角度位置传感器测量装置的计数器锁存控制电路原理图。

图5为本发明一种角度位置传感器测量装置主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述，显然，所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所做出的任何显而易见的改进、替换或变型，都属于本发明保护的范围。

参见图3、图4，一种角度位置传感器测量装置中，光栅编码器的输出的正交脉冲信号接往四倍频电路，四倍频电路将信号处理后输出加计数脉冲与减计数脉冲接往计数器。计数器通过数据总线与锁存器连接，计数器的计数器清零信号CLE来自于CPU。锁存器锁存后的数据输出信号通过数据总线接往CPU。CPU输出读信号RD可从该数据总线上读取锁存后的数据。晶振与CPU连接为系统提供时钟信号CLK。CPU输出电机控制输出信号控制电机减速器组件正转或反转，角度位置传感器输出的外部锁存信号EDGEIN接往CPU。

角度位置传感器组成部件还包括分频电路、计数器锁存控制电路。锁存器的锁存控制端接计数器锁存控制电路的计数器锁存输出信号LOCKOUT。CPU输出的计数锁存输入LOCKIN信号接往计数器锁存控制电路。由计数器锁存控制电路对锁存器进行锁存控制。CPU从计数器锁存控制电路输出的计数器已被外部锁存状态LOCKST信号读取到是否有外部锁存状态。CPU输出清计数器外部锁存状态LOCKCLE信号，可以清除计数器锁存控制电路的计数器已被外部锁存状态LOCKST信号。晶振与分频电路连接，分频后的时钟信号CLKIN接往计数锁存控制电路。

清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE信号为低电平时，将外部锁存信号EDGEIN的下降沿或上升沿信号转换为CLKIN引脚输入时钟信号的一个周期宽度低电平有效的计数器锁存输出信号LOCKOUT，并同时置计数器已被外部锁存状态信号LOCKST为高电平；清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE信号为低电平时，且禁止计数器锁存输出信号LOCKOUT为低电平时，输入端LOCKIN电平状态实时传输到禁止计数器锁存输出信号LOCKOUT；清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE为高电平时，禁止计数器锁存输出信号LOCKOUT输出低电平脉冲，并同时置计数器已被外部锁存状态信号LOSKST为低电平。

测量装置按主程序流程运行时：

首先由CPU驱动电机减速器组件、光栅编码器和角度位置传感器一起正向旋转，同时CPU循环执行图5的主程序流程，当查询到计数器锁存控制电路输出至CPU引脚的计数器锁存状态信号LOCKST为0时，CPU发出计数器锁存信号，即先将接往锁存器的CPU引脚计数器锁存输入信号LOCKIN置为0，以产生一个下降沿，将外部计数器当前计数值锁存在锁存器中，间隔一个指令周期后，再将CPU引脚计数器锁存输入信号LOCKIN置为1。通过读信号RD来控制从锁存器中读取光栅编码器的实时位置。

若计数器锁存控制电路输出至CPU引脚的计数器锁存状态信号LOCKST为1时，说明计数器已被计数器锁存控制电路锁存，直接通过读信号RD从锁存器中读取计数器锁存控制电路锁存的光栅编码器位置值。然后将主循环程序上次由CPU管脚外部锁存信号EDGEIN得到的开关状态变量EDGEINEW存入变量EDGESAVED，再由CPU管脚读入当前的外部锁存信号EDGEIN状态到变量EDGEINEW中，这样，变量EDGESAVED和变量EDGEINEW中就保存着相邻两次引起计数器锁存控制电路锁存输出的锁存信号EDGEIN状态。判断相邻两次状态如果相等，则说明外部锁存信号EDGEIN未发生有效的跳变；如果不相等，则判断新状态EDGEINEW是否为0，即角度位置传感器的内部接点组是否由“接通”转为“断开”状态。若角度位置传感器的内部接点组是由“接通”转为“断开”状态，则记录测量结果有效，并记录测量结果值。最后CPU向计数器锁存控制电路发出清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE，先将LOCKCLE置1，清外部锁存状态，然后将LOCKCLE置0，允许外部再次锁存，结束本轮主程序循环。

计数器锁存控制电路的输入输出信号说明如下：

输入信号：

1、CLKIN时钟信号，来自系统时钟

2、EDGEIN外部锁存信号，来自被测角度位置传感器的内部接点组，接通时为1。

3、LOCKCLE清计数器外部锁存状态，来自CPU，为1时清外部锁存，且禁止再次锁存。上电初始化时置1，初始化完成后置0。

4、LOCKIN计数器锁存输入，来自CPU，下降沿锁存，高电平允许读数，上电初始化时置1。

输出信号：

1、LOCKST计数器已被外部锁存状态，状态输出，接往CPU，为1时已被外部锁存信号锁存，且禁止CPU重复锁存。

2、LOCKOUT计数器锁存输出，接往锁存器，下降沿锁存，高电平允许读数。

主程序流程说明如下：

程序周期执行的读被测开关状态与读计数器值任务：

执行周期：约50ms；

输出结果：

1、当前计数器值lxValue；

2、被测开关偏转角度值是否有效bResultState；

3、被测开关偏转角度值lxResultValue。

Claims (8)

1.一种角度位置传感器测量装置，包括光栅编码器、四倍频电路、计数器、晶振、CPU、锁存器、电机减速器组件、角度位置传感器，其特征在于，还包括分频电路和计数器锁存控制电路，所述锁存器的锁存控制端接收计数器锁存控制电路的计数器锁存输出信号LOCKOUT，所述CPU输出的计数锁存输入信号LOCKIN接往计数器锁存控制电路，由计数器锁存控制电路对锁存器进行锁存控制，所述CPU从计数器锁存控制电路输出的计数器已被外部锁存状态信号LOCKST读取到是否有外部锁存状态，CPU输出清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE，可以清除计数器锁存控制电路的计数器已被外部锁存状态信号LOCKST；所述晶振一方面与分频电路连接，分频后的时钟信号CLKIN接往计数锁存控制电路，另一方面与CPU连接为主程序提供时钟信号CLK；所述光栅编码器输出的正交脉冲信号接往四倍频电路，四倍频电路将信号处理后输出脉冲信号给所述计数器，所述计数器通过数据总线与所述锁存器连接，计数器清零信号CLE来自于CPU；所述锁存器锁存后的数据输出信号通过数据总线接往CPU，所述角度位置传感器输出外部锁存信号EDGEIN接往CPU，CPU输出电机控制输出信号控制电机减速器组件正转或反转。

2.根据权利要求1所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，当角度位置传感器内部接点组由“接通”转为“断开”或“断开”转为“接通”时，所述外部锁存信号EDGEIN产生下降沿或上升沿信号。

3.根据权利要求1所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，所述清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE信号为低电平时，将所述外部锁存信号EDGEIN的下降沿或上升沿信号转换为CLKIN引脚输入时钟信号的一个周期宽度低电平有效的计数器锁存输出信号LOCKOUT，并同时置计数器已被外部锁存状态信号LOCKST为高电平；清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE为高电平时，则禁止计数器锁存输出信号LOCKOUT输出低电平脉冲，并同时置计数器已被外部锁存状态信号LOSKST为低电平。

4.根据权利要求1所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，所述计数器锁存控制电路包括：2个D触发器，分别是第一D触发器(F1)、第二D触发器(F2)；5个非门，分别是第一非门(G1)、第二非门(G2)、第三非门(G3)、第四非门(G4)、第五非门(G5)；5个与门，分别是第一与门(G6)、第二与门(G7)、第三与门(G8)、第四与门(G9)、第五与门(G10)；2个或非门，分别是第一或非门(G11)、第二或非门(G12)；

所述分频后的时钟信号CLKIN分别与第一D触发器(F1)的时钟信号输入端(C)和第二D触发器(F2)的时钟信号输入端(C)连接，所述外部锁存信号EDGEIN与第一D触发器(F1)的触发信号输入端(D)连接，第一D触发器(F1)的输出端(Q)分别与第二D触发器(F2)的触发信号输入端(D)、第二非门(G2)的输入端、第二与门(G7)的第二输入端、第五与门(G10)的第二输入端连接，第二D触发器(F2)的输出端(Q)分别与第三非门(G3)的输入端、第二与门(G7)的第三输入端、第四与门(G9)的第三输入端连接；第一非门(G1)的输入端与第一或非门(G11)的输出端连接，同时作为所述计数器已被外部锁存状态LOCKST信号；

第一非门(G1)的输出端分别与第一与门(G6)的第一输入端、第二与门(G7)的第一输入端、第三与门(G8)的第二输入端连接；第二非门(G2)的输出端分别与第一与门(G6)的第二输入端、第四与门(G9)的第二输入端连接；第三非门(G3)的输出端分别与第一与门(G6)的第三输入端、第五与门(G10)的第三输入端连接；第一与门(G6)的输出端与第一或非门(G11)的第一输入端连接，第二与门(G7)的输出端与第一或非门(G11)的第二输入端连接；

所述清计数器外部锁存状态LOCKCLE信号分别与第一或非门(G11)的第三输入端、第四非门(G4)的输入端连接，第四非门(G4)的输出端分别与第三与门(G8)的第一输入端、第四与门(G9)的第一输入端、第五与门(G10)的第一输入端连接；

所述计数器锁存输入LOCKIN信号与第五非门(G5)的输入端连接，第五非门(G5)的输出端与第三与门(G8)的第三输入端连接；第三与门(G8)的输出端与第二或非门(G12)的第一输入端连接，第四与门(G9)的输出端与第二或非门(G12)的第二输入端连接，第五与门(G10)的输出端与第二或非门(G12)的第三输入端连接，第二或非门(G12)的输出端为所述计数器锁存输出LOCKOUT信号。

5.根据权利要求1所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，所述CPU通过读信号RD来控制从数据总线中读取光栅编码器的实时位置。

6.根据权利要求1所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，所述主程序流程为：

S1：判断所述计数器锁存状态信号LOCKST的值；

S2：如LOCKST为0，发出计数器锁存信号，再从锁存器中读取光栅编码器位置值，转入步骤S5；

S3：如LOCKST为1，从锁存器中读取计数器锁存控制电路锁存的光栅编码器位置值，CPU比较上个循环外部锁存信号EDGEIN的值和当前读入的外部锁存信号EDGEIN的值，如相邻两次的值相等，转入步骤S4；如果不相等，则判断当前状态，为0则记录测量结果值，为1则转入步骤S4；

S4：CPU向计数器锁存控制电路发出清计数器外部锁存状态信号LOCKCLE，先将LOCKCLE置1，清外部锁存状态，然后将LOCKCLE置0，允许外部再次锁存；

S5：结束本轮主程序循环。

7.根据权利要求6所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，所述步骤S2发出计数器锁存信号的步骤为，先将接往锁存器的CPU引脚计数器锁存输入信号LOCKIN置为0，以产生一个下降沿，将外部计数器当前计数值锁存在锁存器中，间隔一个CPU指令周期后，再将计数锁存输入信号LOCKIN置为1。

8.根据权利要求6所述的一种角度位置传感器测量装置，其特征在于，所述步骤S3中比较EDGEIN的值的方法为，CPU将上个循环中CPU外部锁存信号EDGEIN得到的开关状态变量EDGEINEW存入临时变量EDGESAVED，再由CPU读入当前的外部锁存信号EDGEIN状态到开关状态变量EDGEINEW中，比较EDGEINEW和EDGESAVED的值。

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