《传感器原理与应用》课程设计报告-磁电式轮速传感器系统设计.doc

传 感 器 原 理 及 应 用 设 计 实 验 报 告实验题目：磁电式轮速传感器系统设计专 业： 电子信息科学与技术 2011年 6月目 录摘 要-2引 言-2第一章 传感器的基本概念-31.1传感器的定义-31.2传感器的组成-31.3敏感元件的分类-41.4传感器主要性能指标-51.5几种常用传感器-6第二章 传感器在汽车测速中的应用-9 2.1轮速传感器-92.2轮速信号的检测-102.3轮速传感器系统硬件-102.4信号处理电路-112.5总线通信电路-11第三章 结果预算-123.1信号处理电路-123.2传感器信息-123.3仪表盘信息传输-12第四章 结论及总结-84.1结论-134.2设计心得-13参考文献-13摘 要随着社会科技的发展，传感器网络化是传感器领域发展的一项新兴技术。它在网络协议的基础上实现传感器信号的数字化、网络化变送。网络技术可解决汽车电子化中的线路复杂和线束增加问题，在汽车电控中采用网络化传感器是一个发展方向。本设计介绍一种基于can总线的汽车轮速传感器的设计方法及有关芯片的功能,设计研究了轮速传感器信号处理电路并用单片微机进行信号的采集和处理。所设计的传感器测速系统测量，其有实用性强、准确度高等特点,具有广阔的应用前景。引 言 目前，网络技术是汽车电子领域发展的一项新技术。它不仅是解决汽车电子化中的线路复杂和线束增加问题的技术，而且其通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在车上应用的一个基础，是车上信息与控制系统的支撑。 汽车电子网络按功能可分为面向控制的网络(con)和面向信息传输的网络(ion)。按网络信息传输速度，美国汽车工程师协会(sae)将网络分为a，b，c三类。a类为低速网，波特率在9600bps以下，进而波特率在125kbps以下为中速网b类，125kbps以上为高速网c类。车轮速度(即车轮绕轮轴旋转的线速度)传感器(简称轮速传感器)信号，可供发动机控制模块、防抱制动系统(abs)控制模块及仪表控制模块共享，使车辆在制动过程中，防抱制动控制模块和发动机控制模块联合控制，达到最佳制动效能。发达国家虽已普遍使用abs系统，但对轮速信号处理的方法以硬件和软件的形式作为abs系统的电子控制器(ecu)的一部分而制成专用电路和芯片加以保护。国内对轮速信号的处理大多存在轮速识别的门槛值过高(车速即车体的速度低于10km/h时就无法正确测量车轮速度)的问题。 本设计针对轮速传感器产生的信号特点，设计了基于can总线的汽车轮速传感器信号处理电路，并用单片机对此信号采集、量化。结果显示:设计出的轮速传感器系统具有轮速测量门槛低(车速达3km/h)、工作可靠、抗干扰能力强等优点，同时，可作为can总线局域网的测点，实现传感器信号的数字化、网络化的变送。第一章 传感器基本概念在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件传感器或智能传感器，已经成为各领域中不可或缺的重要技术工具。获取各种信息的传感器无疑“掌握”着这些领域和系统的命脉。传感器是信息采集系统的首要部件，是现代化测量和自动化的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在，传感器技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱，可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成了句空话，信息技术和计算机技术就成了无源之水。目前，从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情情报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民的日常生活等，无一不于传感器技术紧密相联系。可见应用、研究和开发传感器和传感器技术是信息时代的必然要求。因此，可以毫不夸张地说：“没有传感器及传感器技术将没有现代科技的迅速发展”。11 传感器的定义国家标准gb7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。“传感器”在新韦式大词典中定义为: “从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器transducer”来称谓“传感器sensor”，亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器，其主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将其转换为另一种形态的信息。12 传感器的组成传感器主要是由敏感元件、转换元件和基本电路三大部分组成，核心是转换元件，决定传感器的工作原理，框图如下：被测信息输出信息信号调节电路敏感元件转换元件 辅助电路1、敏感元件 敏感元件是传感器的核心元件，它能直接感受或响应被测非电量，并按照一定规律转换成与被测有确定对应关系的其它量的元件，在实际应用时应注意的是：并非所有的非电量都能用现有的技术直接转换为电量，而是要先进行预转换，然后再转换为电量。2、转换元件 转换元件是传感器中另一个核心元件，也称变换器或是转换器，它是指能将敏感元件所感受的或响应与检测的待测信息转换成适宜传输和检测的电信号的部分。转换元件根据直接转换和间接转换的原理又分为一次转换型和二次转换型。（1）一次转换型 一次转换型又称直接转换型，通常物理性传感器是属于一次转换，如温度传感器、压力传感器、磁场传感器等。在转换过程中，它将被测非电量直接传换成有用的电量。（2）二次转换型 结构型传感器（如角度、厚度、位置）均属于二次型传感器，在转换过程中，通常必须通过前置敏感元件与转换后才能完成，即实现“被测非电量 有用非电量 有用电量”的二次转换过程。3、信号调节电路 信号调节电路又称信号调理电路，它是集成或是单片传感器中的重要电路，在信号调理过程中，它能把转换元件输出的电信号调整成便于显示、记录、处理和控制的电信号。4、辅助电路 辅助电路是指传感器的电源供电电路（交、直流电源）和外围电路。在实际应用和设计中，传感器的组成并不完全和上述完全一致，这要看被测对象、转换原理、使用环境和性能要求等具体情况的不同而存在差异。13 敏感元件的分类传感器的品类繁多，原理各异，检测门类极多，因此分类也各有不同。目前，尚无一统一的分类方法，但较多的分类方法有两种：一是根据将外界输入信号转换为电信号所采用的效应分类；另一种是根据输出量分类。1、按被测量分类物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。2、按输出量分类 按输出量分类有模拟式传感器和数字式传感器。其中传感器的特点是模拟式输出信号为模拟量，而数字的位数字量。且数字传感器便于和单片机或是微处理器联用构成智能仪器和实时操作系统。3、技术要求 无论哪种传感器，在使用时军事作为测量和控制系统的首要原件，必须具有快速、准确、可靠和廉价的基本特点。因此须具有以下技术要求：l 量程大或工作范围宽，并具有一定的过载能力；l 匹配特性好，灵敏度高，线性度好；l 反应速度快，可靠性好；l 稳定性好，即传感器的静动态响应准确度能满足设计要求，并能长期稳定；l 适应性强，即动作能量小，对被测量的影响小；l 性价比高，使用、维修和校准简单方便。14 传感器的主要性能指标在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。1、反映传感器静态特性的性能指标静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。(1) 线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。(2) 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量y 与引起该增量的相应输入量增量x 之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度s 值越大，表示传感器越灵敏.(3) 迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。(4) 重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。(5) 漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比(6) 测量范围(measuring range)传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。 (7) 量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。(8) 精度(accuracy)传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映，测量误差越小，传感器的精度越高。传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示，其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差，由系统误差和随机误差两部分组成。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差。如果传感器的工作条件偏离正常工作条件，还会带来附加误差，温度附加误差就是最主要的附加误差。(9) 分辨率和阈值(resolution and threshold)传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时，数字式仪表的最后一位数不变，仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”(dead band)，则将死区的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。(10) 稳定性(stability)稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响了传感器的稳定性。稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。2、传感器动态特性的性能指标动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。15 几种常用传感器1、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。2、称重传感器称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力-电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力-电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。3、电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。4、压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍5、热电阻传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200+500范围内的温度。热电阻传感器分类：1. ntc热电阻传感器：该类传感器为负温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而减小；2. ptc热电阻传感器：该类传感器为正温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而增大。6、温度传感器高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。7、光敏传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、ccd和cmos图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。8、磁电式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（101000 hz）, 所以得到普遍应用。 定义：利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 直接将机械能转换为电能，是有源传感器。一、类型及其工作原理分类：恒定磁通式：动圈式、动铁式 变磁 通式： 开磁路、闭磁路电磁感应定律 ：n匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，即 当线圈的导体与磁场之间做相对切割磁力线运动时，在导体中产生感应电动势。由此可设计一类恒磁通式磁电传感器。用于测量振动及线速度。恒磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。 磁路系统产生恒定的直流磁场, 磁路中的工作气隙固定不变, 因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式）, 也可以是磁铁（动铁式）, 动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电势为 : 式中: b工作气隙磁感应强度; l每匝线圈平均长度; n线圈在工作气隙磁场中的匝数; v相对运动速度。 特点： 1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁通不变。 2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。第二章 传感器在汽车测速中的应用21、轮速传感器 由于磁电式传感器工作比较稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，所以，目前在汽车中使用的轮速传感器广泛采用变磁阻式电磁传感器。它由定子和转子组成：定子包括感应线圈和磁头(为永久磁铁构成的磁级)两部分；转子可以是齿圈或齿轮两种形式，齿轮形式的转子如图1所示。安装时，磁头固定在磁极支架上，支架固定在长轴上，齿圈通过轮毂、制动毂连为一体，长轴穿过车轮与内部的轴承配合，如图2所示： 轮速传感器及安装示意图 图1 轮速传感器 图2传感器安装示意图 转子的转速与车轮的角速度成正比。转鼓带动车轮转动，传感器转子的齿顶、齿间的间隙交替地与磁极接近、离开，使定子感应线圈中的磁场周期性的变化，在线圈中感应出交流正弦波信号。由此，使车轮运转在各种工况，可对传感器输出信号进行测量。分析变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特征： (1)传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号； (2)正弦波信号的幅值受气隙间隔(磁头与齿圈间的气隙)和车轮转速的影响。气隙间隔越小，车轮速度越高，正弦波信号的幅值越大； (3)信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影响，为每秒钟经过磁头线圈的齿数，即等于齿圈齿数乘以每秒钟的轮速。 轮速传感器产生的信号如下图所示： 不同车速时轮速传感器的输出信号图3 车速较高时传感器输出信号 图4 车速较低时传感器输出信号22、轮速信号的检测 将轮速传感器输出的每个正弦波信号调理整形产生一个方波信号，后续电路对方波信号进行处理。可分为以下几种方法：(1)直接送单片机的t0记数，用t1作定时器。在每个t1定时时间内读出t0的记数值，经计算得到轮速；(2)将方波信号先进行f/v转换，再由单片机a/d转换而得到轮速；(3)方波信号送单片机的外部中断/int0引脚，将其设定为边沿触发方式，用t1作定时器对方波信号进行周期测量，经计算得到轮速。但第一种方法在低速时所测得的轮速误差较大。假定轮速不变，每个t1定时时间读一次t0的记数值，在t1i和t1i+1时间内读得数值由于读数时磁头与齿顶的位置关系有时会相差1，轮速较低时，t1定时时间内t0的记数值较小，因而相对误差较大，导致轮速识别的门槛值过高。第二种方法可提高低速时的测量准确度，但增加了硬件f/v和a/d转换芯片的开支。第三种方法可以在不增加硬件开支的前提下，有效地提高低速时的测量准确度，本设计采用了第三种方法进行检测。23、轮速传感器系统硬件 轮速传感器系统的硬件以80c31单片微机为核心(外部扩展8kram和8keprom)。外围电路有信号处理电路、总线控制及总线接口等电路，结构框图如上图5所示。 图5 智能传感器硬件结构框图 轮速传感器产生信号经滤波、整形、光电隔离后，送80c31的/int0输入引脚。t1作定时器使用，对脉冲信号进行周期测量。sja1000，82c250组成与can总线的控制和接口电路。在轮速传感器的设计过程中，充分考虑其抗干扰和稳定性，单片机的输入/输出端均采用光电隔离，同时用看门狗定时器(max813)进行超时复位，以确保系统可靠工作。24、信号处理电路 根据轮速传感器信号特性，处理电路由限幅电路、滤波电路和比较整形电路组成。 限幅电路将轮速传感器输出信号vi正半周的幅值限制在5v以下，负半周使其输出为-0.6v。滤波电路设计成带反馈的有源低通滤波器，其截止频率为2075hz(按最高车速为200km/h设计，传感器输出信号对应的频率)，选q=0.707。比较整形电路中设置一定的比较电压，与滤波器输出信号相比较输出方波信号。lm311n输出方波的幅值为10v，经r5，r6分压后得幅值为5v的方波信号送光电隔离器。25、总线通信电路 总线接口电路包括传感器与can总线接口和仪表板节点与can总线接口。通过总线接口电路实现传感器和节点间的数据、控制指令和状态信息的传送。使用总线接口容易形成总线式网络的车辆局域网拓扑结构。具有结构简单、成本低、可靠性较高等特点。 传感器与can总线的接口以can控制器sja1000为核心，通过82c250实现传感器与物理总线的接口。can总线物理层和数据连路层的所有功能由通信控制器sja1000来完成。它具有basiccan(82c200兼容模式)和pelican(扩展特性)2种工作模式，采用多主结构，具有与各种类型的微处理器相连地接口。 sja1000的引脚功能和电器特性与82c200完全兼容，较82c200具有更强的错误诊断和处理功能。它具有编程时钟输出，可编程的传输速率(最高达1mbps)，可编程的输出驱动器组态，可组态的总线接口，用识别码信息定义总线访问优先权。控制器使用方便、价格便宜、工作环境温度范围(-40125)，特别适合于汽车及工业环境使用。 82c250作为can总线控制器和物理总线间的接口，是为汽车高速传输信息(最高为1mbps)设计的。它提供对can控制器的差动接收功能和对总线的差动发送能力，完全与iso11898标准兼容。在运动环境中，具有抗瞬变、抗射频和抗电磁干扰性能，内部的限流电路具有电路短路时对传送输出级进行保护的功能。芯片的特色是通过对rs(8号)引脚输入电平的设计，可工作于3种工作方式： (1)高速方式(vrs0.3vcc)；(2)斜率方式(0.4vcc0.75vcc)。芯片以高速方式工作时，发送输出晶体管尽可能快的简单地开和关，不测量限制上升和下降的斜率，要用屏蔽电缆来避免射频干扰。当芯片以斜率方式工作时，总线可用非屏蔽的双绞线或并行线。对上升和下降的斜率的限制，取决于rs引脚到地的连接电阻值，并与rs引脚的电流成正比。 sja1000，82c250的信号电平与ttl兼容，可直接接口。但为提高可靠性和抗干扰性能，在智能传感器的设计中，它们之间用光电隔离。sja1000的rd，wr，ale，int分别与80c31的rd，wr，ale，int0引脚相连。80c31的p0.0p0.7与sja1000的ad0ad7接口，80c31和sja1000用统一的5v电源供电。给sja1000的rx1脚提供约0.5vcc的维持电位。82c250的canh