CN204007505U - 基于fpga的霍尔式角度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的高精度霍尔式角度测量装置，主要包括转台、驱动电机、磁钢、霍尔传感器、信号处理模块、数据处理模块和液晶显示模块。转台由驱动电机带动匀速旋转，转台圆周的外侧固定交替排列的永磁磁钢，在圆周外侧均匀分布，两个霍尔传感器对称分布在永磁磁钢的两侧，一个霍尔传感器位置固定，另外一个霍尔传感器与被测转动系统相连接。霍尔传感器先将角度信号传送到信号处理模块(FPGA)，再经过数据处理模块(SCM)处理后得到角度值，最后通过液晶模块进行显示。该测量装置能够将角度值直接转换成数字量进行显示，具有精度高、响应时间快等优点，具有较好的应用前景。

Description

基于FPGA的霍尔式角度测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种角度测量装置，更具体的是涉及一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的霍尔式角度测量装置。

背景技术

角度测量可以应用于航空、航天、雷达等军事装备，也可以用于数控机床、汽车、电力、建筑等多个领域，在这些自动控制系统中，一般需要通过角度作为反馈信号来对设备进行控制，因此，角度测量精度的高低在很大程度上决定了控制精度的好坏。目前常用的角度测量装置主要是旋转编码器，其测量精度和分辨率较高，其价格也相对较高，但同时也存在易受灰尘污染和覆盖等缺点，导致测量精度和分辨率下降。

发明内容

本实用新型提供了一种基于FPGA的霍尔式角度测量装置，使用时霍尔传感器将被测转动物体的角度转换成电信号输出，该电信号经过信号处理模块和数据处理模块后，可以直接转换成数字量在液晶屏上显示出来，且测量精度较高，具有好的应用前景。

本实用新型的目的采取下述技术方案实现：

一种基于FPGA的霍尔式角度测量装置，主要包括转台、磁钢、霍尔传感器、信号处理模块、数据处理模块和液晶显示模块。

转台由超声波电动机带动，匀速旋转，转台圆周的外侧固定交替排列的永磁磁钢，在圆周外侧均匀分布。

霍尔传感器为两个，对称分布在永磁磁钢的两侧，一个霍尔传感器位置固定，另外一个霍尔传感器与被测转动系统相连接。

信号处理模块的核心电路由FPGA的内部逻辑门电路组成，可以实现角度测量系统需要的各种逻辑要求。

数据处理模块主要由单片机组成，可以实现角度测量系统需要的各种数据处理要求，并将处理后得到的角度值通过液晶屏进行显示。

如上述的结构，本实用新型基于FPGA的霍尔式角度测量装置，其工作原理为：

霍尔传感器将角度信号转化成两路具有相位差的电信号，信号处理模块将两路电信号经过整形后，采用高频脉冲插值计数的方法，获取两路电信号相位差内和周期内的脉冲总数，数据处理模块进行处理后将脉冲数转化成角度值，并通过液晶片显示出来。该测量装置能够将角度值直接转换成数字量进行显示，具有精度高、响应时间快等优点。

附图说明

图1为本实用新型基于FPGA的霍尔式角度测量装置的系统构成图；

图2为转台和霍尔传感器的构成图；

图3为本实用新型基于FPGA的霍尔式角度测量装置的工作原理图；

图4为图1中的信号处理模块和数据处理模块的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本实用新型角度测量装置的特征。

图1为本实用新型基于FPGA的霍尔式角度测量装置的系统构成图，霍尔传感器、信号处理模块(FPGA)、数据处理模块(SCM)和液晶显示四部分构成。霍尔传感器输出角度信号，角度信号经过整形后送入FPGA，FPGA通过外部晶振和内部的倍频器产生高频脉冲，对进行逻辑处理后的角度信号再进行与逻辑，同时对相位差和周期内的脉冲进行计数，FPGA内部计数器的启停由单片机进行控制，且计数结束后FPGA通知单片机将计数结果取出，单片机对计数值进行处理后得到角度值，最后用液晶屏将角度值显示出来。

图2为转台和霍尔传感器的构成图，包括电动机1、转台2、永磁磁钢和两个霍尔传感器。转台2通过电动机1带动，以转速旋转，转台2圆周的外侧固定交替排列的永磁磁钢，在圆周外侧均匀分布，磁极方向如图所示。磁极的两侧分别放置两个霍尔传感器，其中霍尔传感器3位置固定，霍尔传感器4与被测转动装置连接。

图3为本实用新型基于FPGA的霍尔式角度测量装置的工作原理图，初始位置时两个霍尔传感器的位置相同，然后被测转动装置转过了一定的角度，当转台匀速转动时，两个霍尔传感器输出的电信号，两路霍尔传感器输出的电信号经过整形后变为对应的方波信号F1和F2，F1和F2先进行与逻辑，形成相位差信号PD，然后高频脉冲信号HP和相位差信号PD进行与逻辑得到插值信号CZ，如图3所示。

磁钢数目已知，在圆周上均匀分布，霍尔传感器输出信号的一个周期对应的角度为已知量，图3中对应的是4个插值信号脉宽内高频脉冲数N1和4个方波信号F1周期内的高频脉冲数N2，则可以求得转轴在空间上转过的角度。

图4为图1中的信号处理模块和数据处理模块的工作原理图，霍尔传感器输出的两路电信号经过整形后分别为图3中F1和F2；PD是相位差信号；HP为高频脉冲信号；CZ为相位差PD和高频脉冲HP的与逻辑信号；RT为计数器一、二清零信号，以及倍频器、门控电路和数据选择器的初始化信号，由外部的单片机产生；ST为高频脉冲计数开始信号；END为高频脉冲计数结束、寄存器锁存计数值、打开八选一数据选择器和通知单片机计数结束信号。

单片机初始化，外部中断设置为下降沿有效；同时设置控制信号RT为逻辑‘1’，则FPGA内部计数器一、二分别清零，倍频器、门控电路和数据选择器进行初始化；单片机设置控制信号RT为逻辑‘0’，FPGA的内部倍频器开始工作，外部晶振产生初始脉冲信号，经过倍频器后产生高频脉冲信号HP；方波信号F1和F2经过与逻辑后得到相位差信号PD，相位差信号PD再和高频脉冲信号HP进行与逻辑后得到插值信号CZ；控制信号RT为逻辑‘1’时，门控电路初始化产生的信号ST为逻辑‘0’，信号END为逻辑‘1’，计数器一和计数器二处于清零状态；控制信号RT为逻辑‘0’时，门控电路开始工作，当方波信号F1第一个上升沿到来的时候，产生的信号ST翻转，变为逻辑‘1’，而信号END不变，仍为逻辑‘1’，计数器一和计数器二有高频脉冲输入，计数器一和计数器二开始分别对插值信号CZ脉宽内的高频脉冲数N1和方波信号F1周期内的高频脉冲数N2进行计数；当方波信号F1第五个上升沿到来的时候，门控电路产生的信号END翻转，变为逻辑‘0’，则FPGA内部计数器一、二同时结束计数，并将计数值分别锁存在寄存器一、二中，同时打开数据选择器；由于END翻转为逻辑‘0’，下降沿信号产生，则单片机响应外部中断，开始分别读取寄存器一、二中的计数结果；单片机是8位的I/O口，为了提高测量系统的精度，FPGA内部的两个计数器都是24位或者32位，单片机通过控制数据选择器将寄存器一、二中的结果读取到内存中，进行数据处理，完成后控制液晶屏显示角度值。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的霍尔式角度测量装置，主要包括转台、磁钢、霍尔传感器、信号处理模块、数据处理模块和液晶显示模块，其特征是，包括：转台由超声波电动机带动，匀速旋转；转台圆周的外侧固定交替排列的永磁磁钢，在圆周外侧均匀分布；霍尔传感器为两个，对称分布在永磁磁钢的两侧，一个霍尔传感器位置固定，另外一个霍尔传感器与被测转动系统的转动部分相连接；两个霍尔传感器输出的信号通入到信号处理模块，其核心电路由FPGA的内部逻辑门电路组成，可以实现角度测量系统需要的各种逻辑要求；信号处理电路的输出信号传送至数据处理模块，数据处理模块主要由单片机组成，可以实现角度测量系统需要的各种数据处理要求，并将处理后得到的角度值通过液晶显示模块显示。