G18转速测量仪文档格式.docx
- 文档编号:17080344
- 上传时间:2022-11-28
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:387.09KB
G18转速测量仪文档格式.docx
《G18转速测量仪文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《G18转速测量仪文档格式.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
3.1开发软件及编程语言简介10
3.2软件实现方法11
3.2.1转速的测量和实时显示实现11
3.2.2LCD的显示实现11
3.2.3功耗的测量实时显示实现14
4.系统测试15
4.1测试仪器与设备15
4.2指标测试15
4.2.1转速测量15
4.2.2功耗测量16
4.2.3转盘方向测量16
4.3误差分析16
4.3.1转速误差16
5结论17
参考文献:
17
附录18
附录1:
主要元器件清单18
附录2:
转速测量仪顶层设计图19
1.系统设计
1.1设计要求
设计并制作一个低功耗转速传感器和数据处理与显示电路,两者构成一台转速测量仪。
用该测量仪实时非接触测量一个转动圆盘的转速,转速范围为100~600转/分。
圆盘用覆铜板(材质FR4,厚度1.5mm)制作,直径为50mm,圆盘保留一半覆铜,圆心处钻一个孔用于固定在直流电机的转轴上。
圆盘表面与测速传感器的距离L可在2-10mm之间调整,转速测量仪示意如图1所示,圆盘测量结构如图2所示。
图1.1.1低功耗转速测量仪示意图
图1.1.2圆盘测量结构示意图
1.1.1基本要求
(1)测量圆盘的转速,测量误差的绝对值小于1%;
(2)测速传感器功耗PC≤2mW(600转/分状态下测量);
(3)显示实时转速数据;
(测量项目名称用中文显示)
(4)实时显示测速传感器功耗。
1.1.2发挥部分
(1)测速传感器功耗PC≤0.2mW(600转/分状态下测量);
(2)L=10mm时,转速测量仪能够正常工作;
(3)具有检测圆盘转动方向的功能;
(4)具有检测并用曲线显示圆盘转速变化的规律(20秒时间内改变2-5次转速)。
1.2方案比较与选择
1.2.1转速测量方案选择
转速测量方案的关键问题是传感器的选择。
方案一:
基于霍尔传感器实现的方案
其测量系统框图如下图1.2.1所示,利用霍尔传感器测量电机
的转速,属于非接触测量,通过单片机C8051F060进行转速脉冲的采集,进而通过7279显示接口芯片实现显示。
其优点就是结合了霍尔传感器的频率响应快,抗干扰能力强,输出为便于测量的矩形波等特点,但其存在的不足是霍尔传感器的感应距离只有3-5mm的范围。
如图1.2.1基于霍尔传感器的转速测量系统框图
方案二:
基于光电传感器实现的方案
其测量系统如下图1.2.2所示,利用光电传感器测量电机
的转速,属于非接触测量,将测得的信号进行放大,再通过FPGA进行数据的处理和显示处理,最终在显示屏显示。
其优点是采用了光电传感器,秉承了它检测距离长,响应时间短,分辨率高等特点。
如图1.2.2基于光电传感器的转速实现方案
方案三:
基于磁阻传感器实现的方案,利用磁阻传感器测量电机
转速,属于非接触测量,虽其测量范围也较宽,但在测量过程中,由于转速时磁场不对称,耦合电容参数选取、滞环整形电路参数选择等问题都可能严重影响测量的精度。
综上所述,采用方案二为最优方案。
1.2.2整形电路的选择
选用了一个LM393二集成运算放大器,后串接一个7404的非门构成整形电路,较比其他的方案,如使用555定时器、施密特触发器等等,此方案设计电路较为简单,且LM393是二集成运放,直流电源增一大,内部频率可实现自我补偿,有利于降低功耗。
1.2.3放大电路的选择
放大电路的选择关键在于决定放大作用的功能芯片选用问题上,选用LM358二集成运算放大器,较比一般运放电路都选用LM324四集成运算放大器而言,直流电源增益大,内部频率得到补偿等优点,有利于降低功耗,且使连接线路变得简单,减少线路误差。
1.2.3功耗的测量方案选择
基于FPGA的测量,在传感器的输入端串入一直电阻值的电阻,在由AD0809将电阻两端的电压脉冲转化成方波,通过软件计得其电压值,在通过计算得到输入端电流,进而计算可得到传感器的功耗。
1.2.4转盘方向检测方案选择
采用光电旋转编码器检测转动方向,顺时针转动时,输出为高电平;
逆时针转动时,输出为低电平。
虽然此方法可检测方向,同时,也可测量转速,但是转速范围限制大,功耗也相对较大.
图1.2.3采用光电旋转编码器检测转动方向电路图
采用两个光电传感器ST198,测量转速的同时,检测转盘方向,此种测速方案,转速范围大,可以满足设计要求,功耗也相对而言比较小。
综上所述,采用方案二,电路较为简单,转速范围符合要求,故采用方案二。
1.2.5显示界面方案选择
这是决定系统使用是否实用方便的关键。
采用点阵式液晶显示器(LCD)显示。
虽然编程较为复杂,但是其显示功能强大,可显示各种字体的数字、汉字,图像,还可以自定义显示内容。
采用发光二极管(LED)显示。
虽然编程简单,但只能显示非常有限的符号和数码字,无法实现本设计要求。
分析以上两种方案的优缺点,方案一可行。
1.3方案论证
1.3.1总体思路
低功耗转速测量仪设计的关键问题是:
一是如何实现转速和功耗的测量;
二是如何降低功耗;
三是如何实现转速和功耗的显示。
1.3.2设计方案
系统方框图如图1.3.1所示。
图1.3.1系统方框总图
一方面通过光电检测器组成的光电系统
进行脉冲采集得到点脉冲信号,经过放大整形后,得到相同频率的方波信号,通过测量方波信号的频率
或周期
测得转速的大小,将数据输送给FPGA核心处理,在LCD液晶屏上得到显示另一方面通过功耗检测,并送往,并在LCD液晶屏上显示功耗,另外,增设功耗的降低电路来降低功耗。
2.单元电路设计
2.1整体布局
整体功能:
测量并显示转速测量仪的转速和功耗,检测转盘的转动方向。
各单元电路分别做在三五块PCB板上,制版时,元器件排放尽可能靠近集成电路的管脚,特别是振荡回路走线尽可能短,电路板空白处大面积接地,以减小分布参数对电路的影响,以隔离数字电路部分产生的谐波,能有效防止谐波频率干扰,提高输出信噪比。
2.2转速测量电路
2.2.1转速测量原理
转速的测量方法很多,根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法),该系统采用了M法(测频法)。
由于转速是以单位时间内转数来衡量,在变换过程中多数是有规律的重复运动。
本设计采用频率测量法,其测量原理为,在固定的测量时间内,计取转速传感器产生的脉冲个数,从而算出实际的转速,设固定的测量时间
(min),计器计取的脉冲个数ml,假定脉冲发生器每转输出
个脉冲,对应被测转速为N(r/min),则
;
另在测量时间
内,计取转速传感器输出的脉冲个数
应为
,本检测装置中电机的转速传感器信号盘安装在转轴上,工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号,利用软件算出相邻的两个上升沿的时间差,即可算出当前转速
,公式为:
式中,
——转速信号盘每转输出信号数;
——信号转盘1圈电动机转的圈数;
——软件所计算出的相邻两个上升沿之间的时间差值。
该部分电路由光电检测系统和模拟信号的放大、整形电路等组成,如图2.2.1所示。
2.2.2原理方框图
如图2.2.1所示,
图2.2.1转速测量仪原理框图
2.2.3原理图的设计与制作
(1)转速测量仪放大、转盘方向检测电路
采用光电传感器ST198来采集电机的脉冲电信号,并通过LM358构成的放大电路来进行信号的放大,为完成方向的检测,我们采用两个并行放置的光电传感器来采集电机的脉冲电信号,然后根据采集出来的两路信号的上升沿到达快慢来检测其顺时针,或者逆时针。
如图2.2.2所示。
图2.2.2信号放大电路
(2)转速测量仪整形电路
通过比较器LM393对波形进行整形,在通过反相器LM324对波形进行再次整形,解决信号的毛刺冒险问题,如图2.2.3所示。
图2.2.3信号整形电路
(3)AD转换电路
将采集得到的模拟信号转换成可以被FPGA接受的数据信号,如图2.2.4。
图2.2.4AD转换电路
3.软件设计
3.1开发软件及编程语言简介
系统采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计,并将各模块集成于FPGA芯片中,然后通过Altera的FPGA软件开发平台Quartus
9.1,对设计文件自动地完成逻辑编译、逻辑化简、综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,最后对FPGA芯片进行编程,实现系统的设计要求。
采用VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptiponLanguage)超高速集成电路硬件描述语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点,VHDL语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。
VHDL语言的系统硬件描述能力很强,具有多层次描述系统硬件功能的能力,可以从系统级到门级电路,而且高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述混合使用。
VHDL在描述数字系统时,可以使用前后一致的语义和语法跨越多层次,并且使用跨越多个级别的混合描述模拟该系统。
因此,可以对高层次行为描述的子系统及低层次详细实现子系统所组成的系统进行模拟
。
3.2软件实现方法
3.2.1转速的测量和实时显示实现
程序设计框图如下图:
图3.2.1转速测量和实时显示程序设计框图
3.2.2LCD的显示实现
该部分程序用VHDL硬件描述语言编写。
利用液晶显示屏来显示实时转速、功耗,采用的液晶是MDLS系列字符型液晶显示模块(LCM)。
LCM由字符型液晶显示屏(LCD),控制驱动电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100等组成。
HD44780是字符型液晶显示模块的控制器。
分为控制部分和驱动部分,控制部分产生其内部工作时钟,控制着各个功能电路的工作,管理着字符发生器CGRAM和CGROM,显示存储器DDRAM。
其中CGROM为已固化好的字模库,CGRAM为可随时定义的字符字模库,根据用户不同的定义可调出所需要显示的字符。
图3.4.1为FPGA与液晶显示模块的接口图。
Vdd是+5V逻辑电源,V0是液晶驱动电源,Vss是电源地.。
D7~D0为数据总线,接收来自外部的数据。
RS为寄存器选择,RS=‘0’时取指令,RS=‘1’时取数据。
R/W为数据操作选择,为1时是读操作,为0时为写操作。
E是使能信号,为1时整个系统才开始工作。
HD44780有8条指令,指令格式非常简单,利用FPGA驱动字符型液晶显示模块主要是对这8条指令进行控制。
图3.2.2FPGA与液晶显示模块接口图
系统设计包含FPGA和字符型液晶显示模块两部分。
FPGA的设计主要包含时钟模块(clock)、液晶显示器译码模块(lcd_decoder)和液晶显示器驱动模块(lcd_driver)。
时钟模块(clock)是对显示时间的预置,即液晶显示器显示的内容。
液晶显示器译码模块(lcd_decoder)是把输入的时间译成与之对应的液晶显示器的专用二进制代码。
例如:
要在液晶显示屏幕上显示数字3,必须把3译码成二进制代码"
00110011"
,才能在显示屏幕上得到所需显示的数据。
液晶显示器驱动模块(lcd_driver)驱动液晶显示器模块。
FPGA内部电路原理图如图3.2.3所示。
图3.2.3FPGA内部电路原理图
FPGA内部电路的工作流程是:
首先数据的预置,然后被预置的数据通过液晶显示器译码模块(lcd_decoder)译成液晶显示器中所对应的二进制代码,送入液晶显示器驱动模块(lcd_driver),由lcd_driver模块的输出信号直接控制液晶显示器,输出对应的字符。
这样便达到了现场可编程逻辑器件FPGA驱动MDLS字符型液晶显示的目的。
FPGA控制液晶显示器驱动器部分(lcd_driver)内部三大进程分别是数据预置(loaddata)、分频(divider)和控制进程(control)。
分频进程是为满足使能信号的使能周期的最小时间,这是由于FPGA的频率太高,要满足使能周期的最小时间就必须利用分频实现。
控制进程是利用状态机来完成的。
STATE0﹑STATE1… STATE5分别表示set_dlnf状态(功能设置),clear_lcd状态(清屏),set_cursor状态(输入方式设置),set_dcb状态(限制开关控制),set_location状态(DDRAM地址设置),write_data状态(写数据).状态转换图如图3.2.4所示。
当复位信号reset=0时进入初始化状态即set_dlnf状态(功能设置),其输出为lcden<
='
0'
lcdda<
lcdrw<
data<
="
00111100"
lcden为使能信号,lcdda相当于RS寄存器的输入信号,lcdrw是数据读/写信号,data<
表示该功能方式设置的是8位数据接口,两行显示,5*10点阵字符.其它状态输出和功能查MDLS字符型液晶显示模块指令集可知。
图3.2.4液晶驱动状态图
3.2.3功耗的测量实时显示实现
图3.2.5功耗测量实时显示程序设计框图
4.系统测试
4.1测试仪器与设备
测试用仪器与设备如表4.1.1所示。
表4.1.1测试用仪器与设备
仪器名称
型号
指标
生产厂
数量
双通道数字示波器
TDS1012B-SC
100MHz
Tektronix
1
信号发生器
GFG-8216A
5MHz
江苏扬中电子
仪器厂
数字万用表
UT2006
3位半
深圳胜利公司
稳压电源
DF1731SC2A
0~30V
计算机
联想PC机
CPU:
AMD9750,
2G内存
联想公司
21
4.2指标测试
测试表中凡以“*”标志代替的,均为无法测量到的数据。
4.2.1转速测量
测试方法:
把传感器测得的信号经过整形放大处理后,送入FPGA核心板程序处理,结果显示于LCD液晶屏上,观测液晶屏可得。
调节电机电源,改变转速,在液晶屏上可观测到实时的转速大小,测量结果如表4.2.1。
表4.2.1电机转速测量表
被测量
实际值
测量值
误差(%)
电机
转速
(r/min)
100
102
0.020
300
305
0.016
400
406
0.015
600
608
0.013
4.2.2功耗测量
在传感器主干路串上一个1欧的电阻,通过ADC0809和FPGA程序测得其电阻的电压,进而求得通过传感器的电流,再通过FPGA程序计算得其功耗。
转速600转/分下测得功耗为20mw.
4.2.3转盘方向测量
4.3误差分析
4.3.1转速误差
系统转速产生的相对误差为:
(4.3.1)
其中,
为电机转速的测量值
为电机转速的实际值。
在测量过程中,由于电机电源的稳定性等外在干扰造成。
5结论
本设计制作完成了题目要求的基本部分和发挥部分的大部分要求,达到设计要求。
个别指标由于时间限制只完成相应的软件和硬件设计,整体调试尚未能全部完成。
但由于设计之初未考虑FPGA核心板的FLASH容量问题,无法将设计的内容保存在核心板内部,致使掉电之后,需要在重新下载程序,才能进行软件的工作。
【1】牛洁,李炳建,苟娜.基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计[J].电子测试.2008.6,vol.6
【2】何必威,马国欣.基于FPGA的转速光电传感测量系统[J].科学技术与工程.2010.5,vol.10
【3】李秋华,张天宏,王继业.基于磁阻传感器的宽量程转速测量电路设计[J].传感器与微系统.2006.6,vol.25
【4】潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:
科学出版社.2006.9第三版.
附录
主要元器件清单
电路部分
元件种类
标称值
数量(个)
封装号
转速测量
电阻
AXIAL0.4
200
2
2k
10k
4
20k
电容
103
TO-126
电位器
204
运放
LM358
DIP8
LM393
LM324
DIP-14
光电传感器
ST198
SIP4
电源电路部分
10uF
RB.2/.4
22uF
104
SIP2
整流二极管
DIODE0.4
LM337
TO-220
POT2
AD转换
RAD0.1
220uF
AD转换芯片
ADC0809
DIP28
其他
FPGA核心板
EP2C35F484C8
BGA484
插槽、导线、排针等若干
转速测量仪顶层设计图
转速测量仪顶层映射原理图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- G18 转速 测量仪
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)