CN203422097U - 多功能网络化数字轴角变换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型所述了一种多功能网络化数字轴角变换器，上位机通过串口电平转换电路与数字处理器连接，通过上位机软件完成初始硬件及软件设定；完成初始化后，连接好硬件，角位置传感器和数字处理器通过传感器接口及缓冲电路传输信息，并在数字处理器中完成轴角转换运算，运算结果由并行数据输出电路传送给控制电路、或通过RS485及CAN总线等总线接口作为工业控制网络节点传递到工业总线上。本实用新型能够简化装置结构，降低成本；具有通用功能，能够实现多种轴角传感器接口，通过功能选择软件可以实现感应同步器、旋转变压器以及光电码盘的接口与转换；可以实现基于常用工业现场总线的接口，具备多功能网络化的特点。

Description

多功能网络化数字轴角变换器
技术领域
本实用新型涉及传感器处理及检测技术，特别是基于数字处理器实现的多功能网络化的数字转化技术。
背景技术
在工业控制中，角位置是非常重要的参数之一，常采用感应同步器、旋转变压器、自整角机以及光电码盘等作为角度传感元件，结合轴角变换器组成测角系统。
轴角变换器的核心是如何对角度传感器信号进行处理，将传感器的信息转换为便于计算机及其它系统处理的数字量值。在测角系统中，以往大都采用模拟电路和数字电路结合的方式实现轴角变换器的设计，如采用专用芯片结合外部模拟电路，例如AD公司的AD2S8X，DDC公司的RDC-19220系列，它们将两路正交感应信号转换成数字角度值。采用模拟电路和数字电路相结合的方式的优点是能达到高分辨率要求，缺点是外围元器件较多、使用复杂且价格昂贵，如果模拟器件配置不正确，则测角电路不能正常工作，极大地限制了它的应用范围。
目前，工业现场智能化要求将网络功能集成到传感器中，使传感器能够作为一个相对独立并具有一定智能化的单元，通过网络传送检测信息并接收上位机的控制信息，成为网络化智能传感器。由于测试对象的复杂性和应用场合的实时性要求，系统要求轴角变换器具有较强的信息处理与传输能力。现有技术中所涉及到的轴角变换器采用的是专用芯片结合外部模拟电路方式，没有网络传输接口，因此该方式存在体积大、功耗大的缺陷，且无法实现网络化的功能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够简化装置结构，降低成本；可以实现基于常用工业现场总线的接口，具备多功能网络化的数字轴角变换器。
本实用新型的技术解决方案为：
多功能网络化数字轴角变换器，主要包括角位置传感器、传感器接口及缓冲电路、数字处理器和串并型数据接口，其中串并型数据接口包括并行数字输出电路、串口电平转换电路和总线接口，传感器接口及缓冲电路、数字处理器和串并型数据接口共同组成了数字轴角变换部分，用以实现轴角变换；角位置传感器用以接收外部旋转变压器或光电编码器检测到被测对象的角位置信号，上位机通过串口电平转换电路与数字处理器相连，通过上位机的软件完成初始化硬件及参数设定，包括设定轴角转换方式及硬件连接设定；角位置传感器和数字处理器通过传感器接口及缓冲电路传递信息，并在数字处理器中完成轴角转换运算，运算得到的结果由并行数字输出电路传给控制电路、或通过总线接口作为工业控制网络节点传递到工业总线上、或者通过串口电平转换电路由上位机的监控程序读出。
所述数字处理器为TMS320F2808；所述总线接口为RS232或RS485或CAN。
利用所述的多功能网络化数字轴角变换器，实现多功能网络化数字轴角变换的方法为：首先，对整个轴角变换系统进行硬件连接，然后在数字处理器中的CPU中央处理器里进行轴角转换方式选择；由数字处理器自带的PWM发生模块产生高频脉冲信号，经过传感器接口及缓冲电路后，产生高频正弦波信号，该高频正弦波信号通过角位置传感器输入到外部的旋转变压器或光电码盘等角位置检测装置中，作为角位置检测装置的励磁信号使其开始工作，旋转变压器或光电码盘等角位置检测装置会输出两路正交的电压信号，经过角位置传感器和传感器接口及缓冲电路处理后形成初始脉冲，然后经过数字处理器自带的ADC模块，进行采样保持及转换处理，再输送给数字处理器自带的QEP模块进行积分，积分结果送给数字处理器的CPU中央处理器中，在CPU中央处理器中进行轴角变换算法运算，得到实时的角位置与角速度信息；数字处理器通过其自带的I/O模块，通过并行数字输出电路送至控制电路中，完成与外部控制电路的连接；CPU中央处理器通过自带的通用异步串行接口A(SCIA口)，经过串口电平转换电路，向上位机的监控软件输出转换结果；对于总线类接口需求，由上位机通过软件设置网络地址，然后由CPU中央处理器自带的通用异步串行接口B(SCIB)或自带的CAN通讯接口(CAN口)或RS484总线等总线接口，通过电平转换电路完成电平接口转换，得到的结果放到工业总线，由主站读取。
本实用新型的主要优点体现在：
本实用新型提供了一套全数字轴角变换装置，取代模拟和数字混合方案，能够简化装置结构，降低成本；该轴角变换装置具有通用功能，能够实现多种轴角传感器接口，通过功能选择软件可以实现感应同步器、旋转变压器以及光电码盘的接口与转换；带有智能网络处理功能，可以实现基于常用工业现场总线的接口，具备多功能网络化的特点。
附图说明
图1为多功能网络化数字轴角变换器组成框图；
具体实施方式
下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：
结合图1，多功能网络化数字轴角变换器组成框图，主要包括角位置传感器、传感器接口及缓冲电路、数字处理器和串并型数据接口，其中串并型数据接口包括并行数字输出电路、串口电平转换电路和总线接口，传感器接口及缓冲电路、数字处理器和串并型数据接口共同组成了数字轴角变换部分，用以实现轴角变换；角位置传感器用以接收外部旋转变压器或光电编码器检测到被测对象的角位置信号，上位机通过串口电平转换电路与数字处理器相连，通过上位机的软件完成初始化硬件及参数设定，包括设定轴角转换方式及硬件连接设定；角位置传感器和数字处理器通过传感器接口及缓冲电路传递信息，并在数字处理器中完成轴角转换运算，运算得到的结果由并行数字输出电路传给控制电路、或通过总线接口作为工业控制网络节点传递到工业总线上、或者通过串口电平转换电路由上位机的监控程序读出。
本实施例中的数字处理器采用高精度的DSP数字处理器-TMS320F2808；所述总线接口采用RS232或RS485或CAN。
利用所述的多功能网络化数字轴角变换器，实现多功能网络化数字轴角变换的方法为：首先，对整个轴角变换系统进行硬件连接，然后在数字处理器中的CPU中央处理器里进行轴角转换方式选择；由数字处理器自带的PWM发生模块产生高频脉冲信号，经过传感器接口及缓冲电路后，产生高频正弦波信号，该高频正弦波信号通过角位置传感器输入到外部的旋转变压器或光电码盘等角位置检测装置中，作为角位置检测装置的励磁信号使其开始工作，旋转变压器或光电码盘等角位置检测装置会输出两路正交的电压信号，经过角位置传感器和传感器接口及缓冲电路处理后形成初始脉冲，然后经过数字处理器自带的ADC模块，进行采样保持及转换处理，再输送给数字处理器自带的QEP模块进行积分，积分结果送给数字处理器的CPU中央处理器中，在CPU中央处理器中进行轴角变换算法运算，得到实时的角位置与角速度信息；数字处理器通过其自带的I/O模块，通过并行数字输出电路送至控制电路中，完成与外部控制电路的连接；CPU中央处理器通过自带的通用异步串行接口A(SCIA口)，经过串口电平转换电路，向上位机的监控软件输出转换结果；对于总线类接口需求，由上位机通过软件设置网络地址，然后由CPU中央处理器自带的通用异步串行接口B(SCIB)或自带的CAN通讯接口(CAN口)或RS485总线等总线接口，通过电平转换电路完成电平接口转换，得到的结果放到工业总线，由主站读取。
图1中的数字处理器采用TMS320F2808，其电源接口电路、时钟电路、复位电路、外中断电路和JTAG接口电路组成了最小系统硬件电路。在电源接口电路设计上，电源管脚上需要安装一个为大容量电解电容器(此处为10μF)为整个系统提供大容量电荷存储，同时应在离MCU电源管脚尽可能近的地方安装若干个0.1μF的陶瓷旁路电容器来抑制高频噪音；在TMS320F2808的时钟电路设计上，本实用新型采用外部时钟方式，在EXTAL、XTAL引脚外接12MHz石英晶振和电容组成自激震荡；复位电路和外中断相仿，通过增加一个到地的按钮开关产生一个脉冲信号到相应管脚以实现手动复位或外中断；JTAG接口单元电路即一个14脚的插头，用于插接后台调试器。
如果外部的角位置检测装置为正余弦编码器，则不需要励磁部分，可以不接励磁端口。如果外部的角位置检测装置采用旋转变压器(简称旋变)，则旋变需要10KHz左右的励磁信号才能正常工作，励磁信号的产生是由TMS320F2808自带的PWM进行的，之后需要通过滤波和缓冲电路，首先由TMS320F2808自带的PWM发生器PWM1和PWM2联合产生双极性PWM信号，PWM信号经过有源滤波及缓冲电路，还原成高频正弦波信号，高频正弦波信号通过端子输入到旋转变压器作为励磁信号。旋转变压器产生的模拟信号为双极性信号，不能直接由DSP处理，经过电平转化及处理映射到DSP可以处理单极性电平信号，分别输入到ADC模块管脚ADCINA0和ADCINB0。
TMS320F2808最小系统中的数据通信单元采用MAX485芯片，作为RS-485驱动端和RS-485接收端，匹配电阻选择为120欧姆。TMS320F2808芯片配有串行通信接口SCI模块，SCI接收器和发送器是双缓冲的，通过一个16位的波特率选择寄存器，数据的传输速度可以被编程为216种不同的方式，串口电平转换电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX232进行串行通信，实现上位机(通常为PC机)与多功能网络化数字轴角变换装置之间的异步通信。采用TMS320F2808处理器实现CAN总线的节点，需要在CAN总线与TMS320F2808之间增加总线接口电路，以便能够实现兼容的电平转换，本系统采用TI公司的SN65HVD230转换器(符合ISO11898)实现高速CAN总线网络，SN65HVD230是3.3V的CAN收发器，适用于较高通讯速率、良好抗干扰能力和高可靠性的CAN总线的串行通信，它具有差分收发能力，最高速率可达1Mb/s；低电流等待模式，典型电流370μA。它具有高速、斜率和等待3种不同的工作模式，其工作模式可通过Rs控制引脚来选择，为了减少因电平快速上升而引起的电磁干扰，将Rs通过一个10kΩ的电阻接地，选择为斜率控制模式。
本实用新型说明书中未作详细说明描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.多功能网络化数字轴角变换器，其特征在于：主要包括角位置传感器、传感器接口及缓冲电路、数字处理器和串并型数据接口，其中串并型数据接口包括并行数字输出电路、串口电平转换电路和总线接口，传感器接口及缓冲电路、数字处理器和串并型数据接口共同组成了数字轴角变换部分，用以实现轴角变换；角位置传感器用以接收外部旋转变压器或光电编码器检测到被测对象的角位置信号，上位机通过串口电平转换电路与数字处理器相连，通过上位机的软件完成初始化硬件及参数设定，包括设定轴角转换方式及硬件连接设定；角位置传感器和数字处理器通过传感器接口及缓冲电路传递信息，并在数字处理器中完成轴角转换运算，运算得到的结果由并行数字输出电路传给控制电路、或通过总线接口作为工业控制网络节点传递到工业总线上、或者通过串口电平转换电路由上位机的监控程序读出。
2.根据权利要求1所述的多功能网络化数字轴角变换器，其特征在于：所述数字处理器为TMS320F2808。
3.根据权利要求1所述的多功能网络化数字轴角变换器，其特征在于：所述总线接口为RS232或RS485或CAN。
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