基于STM32F4的ABS傳感器輸出正弦信號測量裝置設(shè)計

任夢圓　黃芳靈　張榮福

關(guān)鍵詞：ABS 傳感器；正弦信號測量；STM32；快速傅里葉變換；藍牙通信

中圖分類號：TN 98 文獻標志碼：A

引言

近年來，我國逐漸提高了對汽車行車安全的執(zhí)行標準，行車主動安全系統(tǒng)（如制動防抱死系統(tǒng)、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)等）越來越多地作為標準部件裝配于各類車輛，以提高行車制動安全性，優(yōu)化制動距離。目前，此類安全輔助系統(tǒng)的發(fā)展趨勢一方面聚焦于制造成本的低廉化，另一方面則注重提高其工作穩(wěn)定性[1]。作為汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）的關(guān)鍵部件，ABS傳感器裝配于汽車車橋輪轂用于實時測量車輪的轉(zhuǎn)速。

當前，國內(nèi)部分高校院所已對ABS 傳感器性能檢測展開了相關(guān)研究，如田錦明等[2] 基于LabVIEW 開發(fā)了汽車輪速傳感器測控系統(tǒng)；陳永良等[3] 開發(fā)了汽車輪速傳感器檢測臺；孫駿等[4] 基于VC++開發(fā)了汽車輪速傳感器性能測試系統(tǒng)，研究了傳感器間隙對輸出信號的影響。

磁電式ABS 轉(zhuǎn)速傳感器的輸出近似為正弦信號，通過對正弦信號幅值、頻率、有效值的測定，可以分析獲得傳感器性能。

1 磁電式ABS傳感器

ABS傳感器根據(jù)工作原理可以分為磁電式、電渦流式、霍爾式等類型，本文主要針對磁電式傳感器進行研究。磁電式ABS 傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律進行設(shè)計，周期變換的磁場產(chǎn)生周期性的電動勢。

如圖1 所示，磁電式ABS 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由永磁鐵（a）、線圈（b）、信號線彈簧夾片等組成，同激勵齒圈構(gòu)成車輪輪速測量裝置。當車橋輪轂轉(zhuǎn)動時，帶動齒圈同軸旋轉(zhuǎn)，齒圈表面凹凸齒切割環(huán)繞線圈的磁力線導(dǎo)致磁通量發(fā)生改變，進而生成了周期性變化的交流電壓，其電壓頻率同車橋的轉(zhuǎn)速成正比。ABS 傳感器工作時，觸頭每交替經(jīng)過一個齒圈端面，輸出一個周期 T 的正弦感應(yīng)電壓U。

根據(jù)GB/T 18459—2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標計算方法》標準與企業(yè)測試指導(dǎo)需求，制定磁電式ABS 傳感器性能測試總體技術(shù)方案，檢測參數(shù)包括電壓幅值（ V/mV）、有效幅值（Ve/mV）、感應(yīng)電壓頻率 （fP/Hz）和冷態(tài)電阻 （Rz/Ω）。

由于磁電式ABS 傳感器輸出為正弦信號，本文設(shè)計了一個針對正弦信號的測量裝置，可以對正弦信號的幅值、有效值、頻率和失真度進行測量。在測試過程中通過信號源模擬磁電式ABS 傳感器輸出，輸入測量裝置，用于檢驗測量裝置的測量精度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的微控制器STM32F407ZGT6 為核心設(shè)計了一套正弦信號測量裝置，對ABS 傳感器的輸出信號進行測定。該芯片主頻達到了168 MHz，擁有1 M 的片內(nèi)Flash 和198 KB 的RAM，帶有浮點運算單元（FPU），支持數(shù)字信號處理器（DSP）指令，這些資源使系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能[5]。

系統(tǒng)結(jié)合信號調(diào)理電路、程控放大/衰減電路以及一定的信號處理電路對輸入正弦信號進行預(yù)處理，使用STM32 自帶的12 位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，STM32 對所采集的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換（FFT）等計算，得到信號失真度。系統(tǒng)對信號進行調(diào)理衰減后，由STM32 判斷輸入信號幅值大小反饋調(diào)節(jié)前級程控放大電路增益，對信號幅值進行自適應(yīng)縮放，減小測量相對誤差。為了減小單片機運算壓力，信號峰值、有效值、頻率測量均借助外電路輔助測量，STM32 只需要進行簡單采集計算即可得到相應(yīng)的參數(shù)。系統(tǒng)通過觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鍵進行控制，測量結(jié)果及波形同時顯示在觸摸屏上；最后借助藍牙通信模塊將測量數(shù)據(jù)上傳到手機端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 THD 測量原理

要計算THD 的值，首先需要利用ADC 在時間為輸出信號的一個周期內(nèi)等時間間隔下采集若干個樣本點，利用離散的傅里葉級數(shù)變化，求出n 次諧波對應(yīng)的幅值。時間間隔太短會增加處理器運算困難，延長處理時間，但時間間隔過長會導(dǎo)致樣本點取樣不足，使得最后求取的幅值不夠精確。本研究選擇每個周期內(nèi)采1 024 個樣本點，在保證求取幅值的精確性的情況下，提高運算效率。最后將求得的THD 所需要的幅值代入公式中即可求出THD 值。

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括通過STM32F407 中ADC 的電壓采集，通過中斷系統(tǒng)的配置使其以一定的頻率對電壓采集電路輸出的電壓進行采集，使用STM32F407 內(nèi)置DSP 庫函數(shù)的FFT算法，對ADC 采集的電壓數(shù)據(jù)進行處理，求出一次諧波到五次諧波對應(yīng)的幅值。得到幅值后，利用公式計算出相應(yīng)的THD 值。為了增加測量準確度，減少頻譜泄漏，系統(tǒng)采用兩次FFT，第一次準確測量基波頻率，第二次根據(jù)基波頻率調(diào)整采樣率，得到五次諧波對應(yīng)的幅值，最后將計算出的THD 值顯示到觸摸屏上， 實現(xiàn)對THD 值的實時測量以及實時顯示。THD 值測量以及顯示過程如圖3 所示。

DFT 算法的原理如下。

運用蝶形運算在復(fù)數(shù)域內(nèi)進行計算則可求出各階對應(yīng)的幅值。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要由信號調(diào)理電路、供電電路、程控信號放大/衰減電路、信號預(yù)處理電路、單片機及其外圍電路等組成。其中藍牙通信模塊、觸摸屏模塊、供電電路以及單片機外圍電路已經(jīng)相對成熟，系統(tǒng)設(shè)計過程中多采用成品實現(xiàn)，此處不再贅述。系統(tǒng)主要針對信號調(diào)理電路、程控信號放大/衰減電路和信號預(yù)處理電路進行設(shè)計和測試分析。

4.1 ADC供電設(shè)計

測量裝置所用ADC 為STM32F407 自帶的12 位逐次逼近型模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器，可以滿足當前測量任務(wù)要求。為過濾和屏蔽來自印刷電路板上毛刺的干擾，供電電路將數(shù)字部分和模擬部分的供電和接地端隔開，ADC 采用獨立的供電，區(qū)別于STM32大部分電路使用的公共供電端VDD 和VSS，ADC 供電端接VDDA，接地端接VDDS。VDDA 由外部輸入的3.3 V 直流電源去耦獲得。外部電路使用AMS1117-3.3 電源穩(wěn)壓芯片，將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 輸出，接入開發(fā)板3.3 V 供電引腳。

ADC 的外部參考電壓Vref–接VSSA，Vref+接VDDA，VDDA 已經(jīng)具有較高的精度，可以作為參考電壓。ADC1 的通道17 連接內(nèi)部基準源，有助于提高ADC 的測量準確度。該內(nèi)部基準源的出廠測量值存儲在內(nèi)存的一個地址上，讀取后即可作為參考電壓來校準ADC 的采樣值。

4.2 信號調(diào)理電路

為了實現(xiàn)對輸入信號的精確測量，減少外界干擾，對輸入信號進行一定的信號調(diào)理是十分重要的。前級調(diào)理電路主要包括阻抗匹配電路、信號衰減電路和二階有源低通濾波電路[7]，系統(tǒng)利用二階有源低通濾波濾除高頻噪聲信號，低通濾波器傳遞函數(shù)為

為了實現(xiàn)信號幅值的自適應(yīng)縮放，此處增益控制電壓的大小由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出電壓決定，DAC 的輸出電壓由ADC 采集到的最大電壓反饋計算得到。但是由于DAC 只能輸出0～3.3 V 電壓，范圍過小，本裝置采用兩級放大，對于大信號將程控放大結(jié)果衰減為原來的1/10，對于小信號則放大10 倍。此過程由單片機控制繼電器進行選通， 選通依據(jù)為前次ADC 采集到的電壓。

4.4 信號預(yù)處理電路

為了減小單片機運算壓力，峰值和有效值檢測均采用外部電路輔助完成，單片機只需要采集直流電壓簡單運算之后顯示即可[8]。

電路如圖6 所示，調(diào)理之后的信號進入后級預(yù)處理電路，通過觸摸屏選擇測量參數(shù)，STM32控制模擬開關(guān)CD4051 地址端選通不同輸出端，進行不同的預(yù)處理操作：測量幅值時選通峰值檢波電路輸出信號峰值；測量有效值時選通有效值檢測電路輸出有效值；測量頻率時選通整形電路，輸出同頻率方波。

下面對三個預(yù)處理電路進行簡單介紹。

有效值檢測：使用AD637 芯片完成。AD637是一款完整的高精度單片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計算任何復(fù)雜波形的真有效值[9]。它提供了集成電路均方根直流轉(zhuǎn)換器中前所未有的性能，并且在精度、帶寬和動態(tài)范圍方面與離散和模塊化技術(shù)相當，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。有效值計算公式為

應(yīng)用時只需在芯片的外圍添加適當?shù)碾娮琛㈦娙菁纯蓪崿F(xiàn)任意波形交變信號的有效值的測量。其中平均電容 C1 可用來設(shè)定平均時間常數(shù)，并決定低頻準確度、輸出紋波大小和穩(wěn)定時間。R1、R2、C1、C2 及精密運放 OPA277 構(gòu)成二階低通濾波濾除檢波后的紋波[10]。前級輸入選擇低漂移運放LF356 構(gòu)成電壓跟隨器，與前級電路實現(xiàn)阻抗匹配。

峰值檢測：電路由二極管、電容和精密運放OPA350 構(gòu)成，可將輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉逯祵?yīng)的直流電壓輸出[11]。有效工作頻率范圍在500 kHz以下，對于100 mVpp 以上的輸入信號檢測誤差可達到3% 以內(nèi)。第一片運放結(jié)合二極管電容可以構(gòu)成峰值檢測電路，但是電路會長期處于負飽和狀態(tài)，當輸入信號發(fā)生變化時需要花費大量時間才能穩(wěn)定輸出[12]。為了解決該系統(tǒng)問題，引入了后一級負反饋電路，保證了電路中兩個運放都不會進入非虛短狀態(tài)。電路Tina9 仿真結(jié)果如圖7 所示，實際測量誤差在3% 以內(nèi)。

整形電路使用滯回比較器實現(xiàn)，將正弦波信號轉(zhuǎn)換為方波信號[13]，便于單片機捕獲上升沿測量信號頻率。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控程序主要是根據(jù)各個硬件模塊輸出的值進行采集處理計算，從而得出需要的測量值，同時主程序反饋調(diào)節(jié)電路中的放大倍數(shù)和繼電器模擬開關(guān)的通斷[14]。軟件整體采用模塊化設(shè)計，主要包括主控單元程序設(shè)計、ADC 采集程序設(shè)計、觸摸屏界面設(shè)計、FFT 算法設(shè)計、藍牙通信程序設(shè)計等。

主流程圖如圖8 所示，在液晶顯示器（LCD）屏幕上設(shè)計了峰值和有效值、頻率、失真度、波形復(fù)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳送5 個觸摸區(qū)域，按下不同的區(qū)域執(zhí)行對應(yīng)的程序。下面對于5 個區(qū)域的執(zhí)行操作作簡單介紹。

峰值和有效值：輸入信號通過外電路處理后，STM32 的ADC 采集對應(yīng)的電壓值，經(jīng)過放大倍數(shù)還原后得到峰值有效值顯示。

頻率：STM32 進行輸入捕獲，通過雙定時器計數(shù)精確得到輸入信號頻率，并在液晶屏和手機端顯示。

失真度：對輸入信號進行兩次FFT，分析輸入信號頻譜，計算獲得THD，具體流程如圖2所示。

波形復(fù)現(xiàn)：根據(jù)ADC 初始采集的電壓值確定坐標刻度，由進行FFT 時ADC 采集到的電壓數(shù)組描點還原波形。

數(shù)據(jù)傳送：STM32 與手機的短距離通信使用藍牙通信模塊HC06 實現(xiàn)，使用串口進行數(shù)據(jù)傳輸[15]。

系統(tǒng)上電后，各個外設(shè)進行初始化，包括觸摸屏、ADC、DAC、定時器和藍牙模塊。初始化完成后，系統(tǒng)對輸入信號的幅值進行檢測，自動調(diào)節(jié)前級程控放大電路增益，使輸入信號幅值維持在1～2 V，保證后續(xù)測量準確進行。系統(tǒng)持續(xù)掃描觸摸屏是否按下，按下后判斷按下區(qū)域，程序跳轉(zhuǎn)到指定功能實現(xiàn)處，同時液晶屏界面切換，改變模擬開關(guān)地址控制端選通不同預(yù)處理電路，輔助STM32 進行測量，計算結(jié)果顯示到液晶屏上。一次測量結(jié)束后可以通過按下觸摸屏上預(yù)留復(fù)位區(qū)域還原各個參數(shù)，為下一次測量作準備。

6 系統(tǒng)測試與分析

本文基于上述系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計搭建了實驗平臺，并對輸入正弦信號的峰值、有效值、頻率、失真度和波形進行了實驗研究，經(jīng)實驗驗證本裝置可對各個參數(shù)進行準確測量。

對于實驗的測試信號，首先將輸出信號接入示波器進行觀察，將示波器的測量值作為測量的標定值。將同一信號輸入本文設(shè)計的測量裝置，比較測量裝置測得結(jié)果與示波器測得結(jié)果，計算測量誤差。

6.1 峰值

在裝置中分別輸入峰值為50 mV，100 mV，500 mV，1 V，5 V，10 V 的不同頻率正弦信號，測量它們的峰值，測量結(jié)果如圖9 所示，系統(tǒng)測量誤差除50 mV 時均小于4%，測量結(jié)果準確。

6.2 有效值

在裝置中分別輸入峰峰值為50 mV，100 mV，500 mV，1 V，5 V，10 V 的不同頻率正弦信號，測量它們的有效值，測量結(jié)果圖10 所示，系統(tǒng)測量誤差除50 mV 時均小于4%，測量結(jié)果準確。

6.3 頻率

在裝置中分別輸入頻率為1 kHz，50 kHz，500 kHz，1 MHz 的不同幅值正弦信號，測量它們的有效值，測量結(jié)果如表1 所示，系統(tǒng)測量誤差小于1%，測量結(jié)果準確。

6.4 失真度

在裝置中分別輸入諧波失真度為5%，10%，50% 的不同頻率正弦信號，測量它們的有效值，測量結(jié)果如表2 所示，THD0為理論值，THDX為連續(xù)五次測量值，各次測量值與理論值之差均小于5%，測量結(jié)果準確。

7 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于STM32F407 的正弦信號測量裝置。本裝置可以對信號源輸出模擬ABS 傳感器信號的峰值、有效值、頻率和失真度進行測量。通過大量測試并分析測試結(jié)果可知裝置測量誤差均在5% 以內(nèi)，測量誤差小，測量精度高，性能良好，可以對后續(xù)ABS 輸出的正弦信號進行測量。