一种基于CAN总线的高精度磁场检测与解码电路的制作方法

本发明涉及一种基于can总线的高精度磁场检测与解码电路，是一种非接触测量角位移的旋转磁场检测与解码电路.

技术背景

随着伺服机构朝着高精度、高可靠、数字化、集成化方向发展，使得传感器要求越来越高，须具备环境适应性强、测量精确、线性度高等特点，使执行机构实时对导弹的飞行轨迹进行控制。目前基于磁编码的数字式传感器存在明显的优势是它自身靠磁敏感技术直接输出角度信息，其无接触性能特点增加了传感器的耐磨性，提高了产品工作可靠性，且角度精度高无需其它外部变换即可直接对输出的数据进行应用，多路节点靠2根总线进行数据传输大大减小了电路设计的难点，使电路在布局布线时更容易实现，可以有效节约电路板的空间体积，同时可有效节约电路设计成本，有利于伺服系统的高性能设计。

传统的角度测量装置主要依赖电阻体的设计精度，电刷与电阻体相互接触，得到测量电压，间接得到系统角度信息，这种方式实现的角度反馈传感器的精度及线性度低，直接影响了舵系统工作的精确程度，且易导致在舵机中引入非线性环节，不适宜在高精度舵系统中应用。

伺服系统一般使用的角度测量装置主要有：旋转变压器、光电编码器、霍尔元件以及机械量测量传感器等。旋转变压器需要进行r/d变换，成本一般较高、体积较大和信号处理外围易受干扰，在小型化以及低成本方面研制方面受到较大限制；光电编码器输出精度主要靠码盘的精度保证，也使伺服系统增加了体积，更增加了伺服电机系统的制造工艺难度和成本；传统的电位计，主要缺点为不能获得绝对角度信息，电刷与滑环的摩擦接触大大缩短了它的工作寿命和可靠性。这些方案实现的角度测量装置普遍存在外围电路复杂、精度不高、环境适应性差、可靠性不足等缺点。

总体来讲，现有技术的缺点主要有以下两点：

1、测量信号具有较强的非线性特性，易于激发极限环振荡。

2、测量方式为接触测量，模拟传输易引入多环节误差，增加系统控制难度，可靠性低，不满足使用寿命要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于can总线通信的间接测量旋转磁场，并完成高精度磁场解码，从而实现角位移非接触测量与控制的电路，解决模拟式电位计外围电路复杂、误差环节多、电刷长时间磨损带来系统振荡以及应用成本高等问题。

本发明的技术方案为：

一种基于can总线的高精度磁场检测与解码电路，主要思路是设计双极性磁钢并装于舵轴中，磁钢正对磁编码芯片，编码芯片对旋转磁场进行测量，并通过专用ssc接口将测量结果发送给主控芯片mcu，由mcu完成磁场的接收与解码，得出对应的舵轴旋转角度；mcu完成解算后将数字信号通过can总线控制模块实时发送给伺服控制电路，完成伺服系统的闭环控制。

具体包括：磁场检测芯片(u2)、磁场解码与通信控制模块(u1)、can总线通信控制器(u3)、通信阻抗匹配电阻(r1、r3、r4)、磁场检测速率设置电阻(r2)和can总线匹配电阻(r5)；磁场检测芯片(u2)通过ssc接口连接到磁场解码与通信控制模块(u1)，电阻r1、r3、r4用以两者之间通信线路的阻抗匹配；完成磁场解算后将得到的磁场偏转角度信息通过can总线控制器(u3)以总线帧的形式发送给伺服控制控制器，最终完成系统的闭环控制；磁场解码与通信控制模块(u1)内部集成晶振。

其中，使用mcu的通用i/o口实现磁感应芯片的ssc通信。

本发明采用基于磁场检测和解码的非接触测量方式，实现了系统的非接触测量，提高了产品工作可靠性；基于can总线的通信方式大大减小了电路设计的难点，使电路在布局布线时更容易实现，可以有效节约电路板的空间体积，同时可有效节约电路设计成本。

附图说明

图1为本发明的高精度磁场检测与解码电路结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明基于这样一个原理，设计一个双极性磁钢并装于舵轴中，磁钢正对磁编码芯片，编码芯片对旋转磁场进行测量，并通过专用ssc接口将测量结果发送给主控芯片mcu，由mcu完成磁场的接收与解码，得出对应的舵轴旋转角度；mcu完成解算后将数字信号通过can总线控制模块实时发送给伺服控制电路，完成伺服系统的闭环控制。

如图1所示，本发明是这样一种基于can总线通信的间接测量旋转磁场，并完成高精度磁场解码，从而实现角位移测量与控制的电路。具体包括：磁场检测芯片(u2)、磁场解码与通信控制模块(u1)、can总线通信控制器(u3)、通信阻抗匹配电阻(r1、r3、r4)、磁场检测速率设置电阻(r2)、can总线匹配电阻(r5)。磁场检测芯片(u2)通过ssc接口连接到磁场解码与通信控制模块(u1)，完成磁场的高精度测量与解码，同时可方便的设置通信时间、芯片id号以及进行零位更改，电阻r1、r3、r4用以两者之间通信线路的阻抗匹配；完成磁场解算后将得到的磁场偏转角度信息通过can总线控制器(u3)以总线帧的形式发送给伺服控制控制器，最终完成系统的闭环控制。磁场解码与通信控制模块(u1)内部集成晶振，省去了外部振荡器电路，使用方便，并了实现小型化。这样设计的优点是实现了旋转磁场的测量与解码，得到了高精度的偏转角度信息，测量方式为非接触方式，测量信号解码后通过总线传输；实现的电路元器件为常用器件，不仅成本低，且结构简单，工作可靠性高、寿命长，提高了基于磁场解码角位移测量电路的通用性和伺服系统工作可靠性。可通过总线响应不同的命令，从而实现传感器id号、通信间隔时间和系统零位的更改和标定。

磁敏感芯片和mcu相连，通过ssc接口获取感应芯片角度等信息。u2型号为tle5012是一款基于gmr原理的角度传感器芯片，惠斯通全桥电路在3600范围内测量与芯片封装表面平行的磁场方向θ，全桥电路可以放大信号，消除温度的影响。两个惠斯通桥的输出电压x、y，分别代表θ的余弦值和正弦值.芯片内部处理电路根据以x、y，计算θ，把θ转化为15位数字量存储在角度值寄存器aval(angleval—ueregister)中，角度值数字量与θ呈分段线性关系：

1)aval的值处于0～0x3fff时，θ介于0～179.99°；

2)aval的值处于0x7fff～0x4000时，θ介于0.0l～-180°。

感应芯片角度传感器基于igmr技术，可检测平行于封装表面磁场360°变化。可应用于汽车和工业领域里转角位置检测。感应芯片内部集成角度计算模块，可以将原始值(sine和cosine)进行数字处理后输出绝对角度。集成自动标定和温度补偿功能，在温度范围和寿命周期里可以达到0.1°精度。汽车级认证，可工作在-40℃至150℃范围。感应芯片具备极其精确的角度分辨率(15bit)以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新率，极其适合精确测定高动态应用中的转子位置。同时感应芯片具有先进的诊断功能及安全特性,确保了产品高可靠性。

u1为c8051f506，该mcu完全集成的混合信号soc微控制器单元，具有片内上电复位电路、vdd监视器、看门狗定时器、和时钟振荡器。该控制器具有4352字节的内部数据ram，32kb在系统可编程flash，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。器件温度范围为-40°～125°，电源电压为1.8v～5.25v，且内部集成晶体振荡器。

u3为sn55hvd251，是一款can总线转换器，具有实时性强、传输距离远、抗干扰能力强，成本低等优点，同时使用can总线开发的器件使用简单。

本发明是一种非接触测量角位移的旋转磁场检测与解码电路，实现了角度的非接触测量，同时采用高性能控制器进行数据处理与总线通信，实现了系统的高精度、高可靠、非接触角位移测量与控制。

具体实施时，编码芯片对旋转磁场进行测量，并通过专用ssc接口将测量结果发送给主控芯片mcu，由mcu完成磁场的接收与解码，得出对应的舵轴旋转角度；mcu完成解算后将数字信号通过can总线控制模块实时发送给伺服控制电路，完成伺服系统的闭环控制。解决了传统角位移测量的缺点，将传统机械式测量方式转换为对旋转磁场的检测，大大提高了测量精度以及可靠性，同时该电路设计新颖，结构紧凑，对促进伺服机构小型化、数字化、组合化设计有积极意义。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。