一種高可靠性角度傳感器硬件設(shè)計與實現(xiàn)

李建忠

（長沙碩博電子科技股份有限公司，湖南長沙，410006）

0 引言

角度傳感器廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活設(shè)備當(dāng)中，特別是在特種裝備領(lǐng)域，如電機電驅(qū)控制、攤鋪機找平控制、挖機多臂架旋轉(zhuǎn)控制等，要求角度傳感器具備耐高溫、高濕、抗粉塵和油污等惡劣環(huán)境[1]工作特性，同時結(jié)合特種車輛設(shè)備特點，對傳感器提出更多要求，如寬工作電壓范圍[2]，對外端口保護設(shè)計[3]以及雷擊浪涌等防護設(shè)計[4]，本系統(tǒng)提供一種基于旋變[5]的高可靠性角度傳感器硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于旋變的角度傳感器需要包含以下6 個部分：處理器電路、電源電路、測溫電路、關(guān)鍵參數(shù)存儲電路、CAN 通訊電路以及旋變信號解碼及處理電路，如圖1 所示，其中旋變信號解碼及處理電路作為整個系統(tǒng)關(guān)鍵部分，用于旋變傳感器的勵磁信號調(diào)理和驅(qū)動輸出以及旋變的正交信號解碼處理，設(shè)計當(dāng)中需要考慮短路、過壓故障的防護及處理存儲；關(guān)鍵參數(shù)電路用于記錄傳感器上次旋轉(zhuǎn)位置、圈數(shù)、溫度校正系數(shù)、傳感器校準(zhǔn)系數(shù)以及故障信息等，鐵電存儲器的使用將使數(shù)據(jù)記錄更可靠；測溫電路用于測量傳感器工作的環(huán)境溫度，利用溫度校準(zhǔn)系數(shù)對傳感器角度參數(shù)進行溫漂校準(zhǔn)；CAN 通訊電路用于傳感器與其他部件進行通訊，實現(xiàn)主機控制功能；處理器電路作為整個系統(tǒng)控制的核心，用于旋轉(zhuǎn)角度處理、參數(shù)存儲、溫度數(shù)據(jù)讀取、CAN 通訊；電源模塊中，電源模塊1 用于對輸入的車載電池電源UEE 進行過壓短路防護，反接保護等，電源模塊2 用于產(chǎn)生+5.0V電源，用于CAN 收發(fā)器和旋變解碼電路供電，而旋變勵磁信號電源需要的12V 電源需要通過電源模塊3 產(chǎn)生，電源模塊4 用于產(chǎn)生3v3 電源，3v3 電源用于給處理器模塊供電和旋變信號解碼及處理電路供電。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

■2.1 處理器及外圍電路設(shè)計

本方案采用STM32F103RCT6作為傳感器的控制核心，Cortex-M3 內(nèi)核，128KB 內(nèi)部flash，2 路I2C、2 路SPI、3 路UART，3 個12-bit S ADC 和10 個通用型16-bit 定時器，資源豐富，具體電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 處理器及外圍電路設(shè)計

晶振選用Sitime 12MHz 有源晶振，通過U6 TPS3823-33 外接看門狗，用于極端情況下系統(tǒng)復(fù)位處理，復(fù)位信號nRST 低電平有效，上拉處理，同時中靠近CPU 管腳處增加靜電器件U4 PESD3V3L1BA，在原有的 RC 濾波（R=10K，C=0.1μF）基礎(chǔ)上再并1nF 小電容，用于增強復(fù)位信號的抗靜電能力，由于外接的看門狗U6 TPS3823-33 對電源3V3進行監(jiān)控處理，因此對其電源增加靜電器件U5，提高靜電器件本身的抗干擾能力；預(yù)留調(diào)試串口J4，為增強系統(tǒng)的Uee 掉電保持時間，處理器供電電源3V3 并100μF 大電容和多個0.1μF 去耦電容，提高系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。

■2.2 電源模塊電路設(shè)計

電源模塊電路如圖3 所示，考慮到特種車輛戶外工作環(huán)境，輸入電源UEE 需要考慮至少滿足2KV（8/20μs）防浪涌設(shè)計，D4 6600W TVS 用于輸入電源的防浪涌設(shè)計，通過自恢復(fù)保險絲F1（電流參數(shù)為1.85A）和防反二極管形成短路保護和防反接保護設(shè)計；通過U10 max17504 降壓型DC-DC 實現(xiàn)電源+5.0V 輸出，值得注意的是，車載電池電源UEE 有可能是12V，也有可能是24V，考慮到發(fā)動機點火時電池電壓UEE 電壓波動以及電池饋電情況，一般要求UEE 輸入轉(zhuǎn)+5.0V 電源的降壓型DC-DC 寬電壓工作，即8～40V 均能正常工作，max17504 最高工作電壓60V，同步DC-DC，外圍電路簡單，性價比高，功率電感選用10μH/4.3A 電感，留足余量；通過U9 SGM6623 boost 升壓電源，將+5.0V 轉(zhuǎn)12V，給旋變勵磁驅(qū)動信號供電，當(dāng)UEE 波動時，保證12V 電源穩(wěn)定，否則對傳感器測量精度產(chǎn)生影響，D15 為肖特基二極管MBRS360BT3G，輸入輸出電容均為100μF，保證電源穩(wěn)定；+5.0V 電源通過線性電源SGM2049 產(chǎn)生3V3 電源，給系統(tǒng)處理器以及控制電路供電。

圖3 電源模塊電路

■2.3 旋變信號解碼及處理電路設(shè)計

如圖4 所示，旋變信號解碼及處理主要核心器件為U12 AD2S1210B，通過RES0 和RES1 兩個管腳連接到5V設(shè)置內(nèi)部初始分辨率為16bit，A0 和A1 拉高，數(shù)據(jù)讀取模式為通過內(nèi)部寄存器讀取，/SOE 引腳拉低，/RD 拉高接至電源5V，使能SPI 通訊模式，SPI 通訊端口、采樣使能端口SAM、狀態(tài)診斷DOS 和LOT 以及絕對式編碼器信號DIR（旋轉(zhuǎn)方向）以及NM（過圈指示）等信號均上拉，連接至處理器對應(yīng)管腳；由于旋變解碼器高分辨率（16bit），根據(jù)旋變信號輸出頻率（一般低于20kHz）特點，特對AD2S1210 的電源AVDD/DVDD/VDRIVE 進行電容-電感-電容的π 型濾波處理，電感選100μH，電容選用0.1μF，也可以預(yù)留0.01μF 電容來濾除更高階毛刺；勵磁差分信號EXC 和/EXC 輸出幅值須為小于±4V 的正弦信號，且無法直接驅(qū)動旋變傳感器，需要經(jīng)過功放電路驅(qū)動，如圖4 右側(cè)部分電路，EXC 和/EXC 信號經(jīng)過運放U11 正端設(shè)定偏壓值3.7V（通過電阻R31 27k 和R32 12k 分壓得到）后，電壓整體抬升至只有正向電平的正弦信號，這樣，運放供電電源只需單一電源12V 即可；為提高運放抗浪涌能力，將電源12V 串接小電阻R30 后給運放U11 供電，一般選擇10Ω以下電阻；運放選用時考慮需能提供300mA 以上驅(qū)動電流，耐壓12V，本設(shè)計根據(jù)實際測試效果，選用TI OPA2613；旋變旋變勵磁信號EXC、/EXC 以及反饋信號SINH/SINL 和COSH/COSL 均需通過保險絲和氣體放電管對端口進行過壓過流保護，防止出現(xiàn)短路（包含短路到地和電源）損壞端口。

圖4 旋變信號解碼及處理電路

■2.4 關(guān)鍵參數(shù)存儲電路設(shè)計

電路設(shè)計如圖5 所示，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計考慮非易失性存儲器NVRAM FV25v02，鐵電存儲器，具有無限次讀寫特點，容量256kbit，SPI 接口，讀寫速度快。

圖5 關(guān)鍵參數(shù)存儲電路設(shè)計

■2.5 測溫電路設(shè)計

本電路設(shè)計如圖6 所示，通過熱敏電阻Rt 和R1 在不同溫度下的分壓變化，經(jīng)過運放U1 跟隨輸出至處理器的ADC 端口進行模擬量采樣，因此電壓變化反應(yīng)電阻變化；同時對外部的UEE 電源進行采樣，了解電池電壓狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)掉電時，可將關(guān)鍵參數(shù)提前存儲至U2。

圖6 測溫電路設(shè)計

■2.6 CAN 通訊及防護電路

如圖7 所示，U13 選用TJA1051T/3 CAN 收發(fā)器，通過自恢復(fù)保險絲和TVS 實現(xiàn)CAN 總線防短路和過壓防護。

圖7 CAN 通訊及防護電路設(shè)計

3 系統(tǒng)PCB 設(shè)計

本系統(tǒng)模擬數(shù)字耦合，特別是旋變信號EXC、/EXC、SINH/SINL、COSH/COSL 及相關(guān)信號需要重點處理，其地網(wǎng)絡(luò)與其他信號地需單點接地，通過0Ω 電阻跳接，其他數(shù)字信號或電源不要穿過該PCB 區(qū)域，信號保護線路加粗至0.5mm 以上，電源保護線路線寬保證1mm 以上，如圖8所示，為保證產(chǎn)品強度，PCB 厚度設(shè)計為2.0mm。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于旋變的高可靠性角度傳感器設(shè)計方案，硬件參數(shù)選型及設(shè)計方法，硬件防護設(shè)計，PCB 設(shè)計等，成功開發(fā)出高可靠性角度傳感器，并在工程車中得到應(yīng)用（如攤鋪機找平系統(tǒng)），經(jīng)過試驗測試，滿足惡劣環(huán)境下的產(chǎn)品功能性能要求。

圖8 PCB 設(shè)計圖