新型角加速度傳感器的研制畢業(yè)設(shè)計(論文)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　作 者： 李從勇 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化（工業(yè)電氣自動化）</p><p>　　指導(dǎo)教師： 張 齊 </p><p>　　完成日期： 2012年6 月

2、 </p><p><b>　　原 創(chuàng) 性 聲 明</b></p><p>　　本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。</p><p>　　簽 名：

3、 日 期： </p><p><b>　　本論文使用授權(quán)說明</b></p><p>　　本人完全了解南通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。</p><p>　?。ūＣ艿恼撐脑诮饷芎髴?yīng)遵守此規(guī)定）</p>

4、<p>　　學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： </p><p>　　南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　注：1、學(xué)院可根據(jù)專業(yè)特點，可對該表格進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?lt;/p><p><b>　　南通大學(xué)杏林學(xué)院</b></p><p>　　畢

5、 業(yè) 設(shè) 計（論文）</p><p><b>　　南通大學(xué)杏林學(xué)院</b></p><p><b>　　2012年6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)軸角加速度是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動時的一項重要參數(shù),旋轉(zhuǎn)體的角加速度在實踐中有著廣泛和重要的應(yīng)

6、用。對角加速度的測量原理、方法進(jìn)行了研究,尋求一種高精度連續(xù)測量角加速度可行的方法。本文提出的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)機械角加速度直接測量方法通過對交流異步測速發(fā)電機勵磁方式的改變，構(gòu)成了能直接測量機械角加速度的測旋轉(zhuǎn)角加速度發(fā)電機。它可以直觀地反映出各種旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)隨時間變化的機械角加速度的變化情況，可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)機械角加速度快速變化的測量場合。用此方法測量了異步電機空載運行時由旋轉(zhuǎn)磁場振動而引起的轉(zhuǎn)子角加速度的變化情況，證明了測量方法的可行性。此方法

7、在科研生產(chǎn)中有一定應(yīng)用價值。</p><p>　　本文便是運用C8051F020單片機來構(gòu)建的角加速度測量儀。電機在運行過程中，需要對其進(jìn)行監(jiān)控，角加速度是一個必不可少的一個參數(shù)。本系統(tǒng)就是對電機角加速度進(jìn)行測量，并可以和PC機進(jìn)行通信，顯示電機的角加速度，并觀察電機運行的基本狀況。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 機械角加速度; 加速度發(fā)電機; 異步電機; 測量</p>&l

8、t;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The angular acceleration of a rotary shaft is one o f the most important parameters for revolution mechanism, which is widely employed in practical applications

9、.The principles and approaches for measuring angular acceleration were studied to find a feasible way to obtain the accurate and successive value of angular acceleration .A new method to measure the mechanical angular ac

10、celeration of rotating system is established by changing the exciting mode of AC asynchronous tacho-generator, and form</p><p>　　I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of

11、SOC speed measuring instrument. The system is the motor angular acceleration measurement, and PC and can communicate that the motor angular acceleration, and to observe the motor running the basic situation.</p>&

12、lt;p>　　Keywords: Mechanical angular acceleration; Acceleration tachogenerator; Induction motor ; Measurement</p><p><b>　　摘要2</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b&g

13、t;　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 工程背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.3 理論意義與研究價值2</p><p>　　1.4 本課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 新型角加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

14、5</p><p>　　2.1 電磁式角加速度傳感器的測量原理5</p><p>　　2.2 電磁式角加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)7</p><p>　　第三章 測量系統(tǒng)的方案論證11</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的總體流程圖11</p><p>　　第四章 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計12</p><

15、p>　　4.1 單片機最小系統(tǒng)12</p><p>　　4.1.1 單片機的選取12</p><p>　　4.1.2 最小單片機系統(tǒng)14</p><p>　　4.2 放大電路的設(shè)計</p><p>　　4.2.1 INA128芯片介紹16</p><p>　　4.2.2 INA128構(gòu)建的放大電路17&

16、lt;/p><p>　　4.3 AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計18</p><p>　　4.4 實時顯示電路設(shè)計19</p><p>　　4.5 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計20</p><p>　　4.5.1 SD卡功能原理的介紹21</p><p>　　4.5.2 SD卡硬件功能的設(shè)計22</p><p>　　

17、4.6 數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計24</p><p>　　第五章 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計26</p><p>　　5.1 系統(tǒng)總程序流程圖設(shè)計26</p><p>　　5.2 顯示模塊的流程設(shè)計26</p><p>　　5.3 數(shù)字濾波的設(shè)計27</p><p>　　5.4 存儲模塊流程設(shè)計28</p>

18、<p>　　5.5 數(shù)據(jù)通信模塊流程設(shè)計30</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望32</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p><p><b>　　附 錄36</b></

19、p><p><b>　　附錄1 程序36</b></p><p>　　附錄2 系統(tǒng)的電路原理圖56</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 工程背景</b></p><p>　　在對于運動物體的測量,控制及

20、導(dǎo)航中，不但需要以下信息如角位移，角速度，更需要角加速度的信息。旋轉(zhuǎn)角加速度的測量是機械測量中很常見的測量物理量之一。在現(xiàn)有的公開技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)角加速度的測量，一般都是通過間接的幾個線加速度信號的合成來求取的。也有采用流動電勢原理制作的直接測量旋轉(zhuǎn)角加速度的液環(huán)式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器，但是現(xiàn)實應(yīng)用中比較復(fù)雜以及精度比較低。</p><p>　　在國家現(xiàn)有技術(shù)中，中國實用新型專利號LZ87208367 提供了一種磁電式

21、的加速度傳感器。該加速度傳感器是用于測量振動加速度，由于其結(jié)構(gòu)的奇特，其銅環(huán)直接連接在外殼上，導(dǎo)致無法測量旋轉(zhuǎn)角加速度。</p><p>　　針對國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的不足，所以提出一種新型角加速度傳感器，是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，角加速度傳感器的轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)機械同軸安裝，從而快速直接地把旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)角加速度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，輸出電壓信號跟其旋轉(zhuǎn)角加速度直接可一一對應(yīng)，且結(jié)構(gòu)比較簡單，測量精度較高和使用較方便。<

22、/p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　對于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度，通常只有處于兩種狀態(tài)，一種是穩(wěn)定狀態(tài)和另一種不穩(wěn)定狀態(tài)也就是俗稱的動態(tài)。在眾多的種類的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中,通常我們期望于系統(tǒng)運行在穩(wěn)定的狀態(tài)下,因此,有效地防止各種外界的干擾是我們保證系統(tǒng)運行在穩(wěn)態(tài)下的基礎(chǔ)前提,從而快速準(zhǔn)確地測處各種動態(tài)干擾因素是抑制這些干擾的關(guān)鍵;然而對于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來講各種動態(tài)干擾都

23、會以轉(zhuǎn)軸角加速度體的形式表現(xiàn)出來, 因而快速準(zhǔn)確、有效的測量處轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機械角加速度是提升系統(tǒng)高精度控制的前提。目前國內(nèi)關(guān)于旋轉(zhuǎn)機械角加速度測量的方法,大致可歸納為兩大類方法，直接測量和間接測量。直接測量法通常使用特殊敏感的器件來直接測量;間接測量法是以微分電路或者微分算法對角速度信號進(jìn)行微分處理來得到相應(yīng)的角加速度。前者典型代表是一種利用壓阻效應(yīng)來測量的方法,如1995年Furukawa等人設(shè)計的一種壓阻式角加速度傳感器[1],其

24、原理是利用黏貼在兩側(cè)的壓敏電阻，通過阻值在加速度產(chǎn)生時隨著懸臂梁表面相應(yīng)張力的變化而進(jìn)行檢測的。與其相似的還有壓阻式復(fù)合慣性加速度傳感器[2],在開環(huán)壓阻式角加速度傳感計的基礎(chǔ)上對敏感質(zhì)量環(huán)進(jìn)行力反饋,從而提出了閉環(huán)力平衡系統(tǒng)的設(shè)計方案</p><p>　　1.3 理論意義與研究價值</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對于眾多運動物體的控制和監(jiān)控系統(tǒng)中，我們不但需要其角速度信息、

25、角位移信息，更需要系統(tǒng)的角加速度信息。因此測量各種運動物體的角加速度的傳感器相繼成功研發(fā)并投入生產(chǎn)使用，夠成了傳感器領(lǐng)域的另一個分支。起初,角加速度傳感器應(yīng)用于國家軍事工業(yè)上。在1940年，德國研制的V-2型導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制系統(tǒng)中，就第一次采用了角加速度傳感器。而后，伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速地發(fā)展，尤其是自動化控制技術(shù)的快速發(fā)展，角加速度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，如蘇聯(lián)和美國等，都比較注重角加速度傳感器的研究工作。&

26、lt;/p><p>　　如今的坦克、戰(zhàn)艦、戰(zhàn)斗飛機、導(dǎo)彈、運載火箭、人造衛(wèi)星以及航天飛機等運動物體的控制系統(tǒng)中，都大量地應(yīng)用了角加速度傳感器。如國內(nèi)的某研究機構(gòu)研制的炮身增穩(wěn)系統(tǒng)，在使用了角加速度傳感器后，使坦克上的武器裝備在顛簸的行駛條件下，其控制精度得了到顯著的提升。在戰(zhàn)艦以及飛行器中，同樣使用了角加速度傳感器后系統(tǒng)對海浪及氣流等造成的穩(wěn)定性能控制得到了提升，使其系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，從而有效地控制了飛行器的飛行或戰(zhàn)

27、艦的行駛狀態(tài)[7]。</p><p>　　角加速度傳感器除了應(yīng)用在控制系統(tǒng)領(lǐng)域中，還廣泛地應(yīng)用在各種檢測方面：如飛機的機動性能的測試；車輛工具的啟動及剎車性能的測試；以及研究汽車碰撞時對司機以及搭乘者的所經(jīng)受碰撞沖擊情況，則通常將角加速度傳感器安裝在人的頭部或者人身的重要部位；在高精密機械儀器中，通過測量齒輪的角加速度來研究齒輪傳動裝置的傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性；在探討汽輪機組和鉆機的扭震；檢測工作母機上刀具的顫震及斷裂

28、[8]；甚至在體育事業(yè)中也可以采用角加速度傳感器，檢查運動員的動作以待提高其運動水平。 </p><p>　　總之，角加速度傳感器在各種行業(yè)及領(lǐng)域中有著較為廣泛的應(yīng)用前景，反方面來說目前我國角加速度傳感器研究是屬于有待進(jìn)一步發(fā)展的分支，近幾年來我國在角加速度傳感器的發(fā)展雖然取得了可喜的進(jìn)步,但是離其實用化、商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化仍俱有一定的差距,角加速度傳感器的工藝的穩(wěn)定性和設(shè)計的合理性仍需要產(chǎn)品的不斷優(yōu)化。比如作為工

29、業(yè)支柱的汽車產(chǎn)業(yè)中,歐美國家已有十余種角加速度傳感器投放生產(chǎn),而本國的汽車角加速度傳感器市場卻非常不景氣絕大部分依賴外國進(jìn)口，這也導(dǎo)致本國汽車業(yè)深發(fā)展得到了阻礙。這是國內(nèi)研究者和制造者面臨的艱巨任務(wù),也是角加速度市場一個良好的發(fā)展機會。</p><p>　　1.4 本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)角加速度的測量方法。其測量裝置結(jié)構(gòu)簡單, 即將測量裝置與

30、被測裝置同軸聯(lián)接即可,在加有直流勵磁的情況下,其輸出信號能直接反映出旋轉(zhuǎn)機械角加速度的變化情況,可適用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)機械角加速度快速變化的任何測量場合[9.10]。</p><p>　　實現(xiàn)角加速度系統(tǒng)的測量，首先應(yīng)根據(jù)所要功能需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的選型配置和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用軟件設(shè)計，及總體設(shè)計。在設(shè)計測量系統(tǒng)時，必須以系統(tǒng)工程的思想進(jìn)行通盤考慮。在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，分布去逐項實現(xiàn)各子模塊。最終實現(xiàn)測量系統(tǒng)的實時顯示，與數(shù)

31、據(jù)保存及串口通信[14.17]。</p><p>　　本論文主要研究基于C8051F020MCU的新型角加速度測量系統(tǒng)的設(shè)計，大致共分為六章：</p><p>　　第一章主要介紹了角加速度傳感器工程背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究價值，并簡要地介紹了本課題研究的主要內(nèi)容；</p><p>　　第二章主要介紹了新型角加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；</p>&l

32、t;p>　　第三章主要介紹了角加速度的傳感器測量系統(tǒng)的方案論證；</p><p>　　第四章主要介紹了測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計；</p><p>　　第五章主要介紹了測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計；</p><p><b>　　第六章總結(jié)與展望；</b></p><p>　　新型角加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理</p>

33、<p>　　2.1 電磁式角加速度傳感器的測量原理</p><p>　　旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為: </p><p>　　上式中, 測電機的輸出轉(zhuǎn)矩;負(fù)載轉(zhuǎn)矩;為動態(tài)轉(zhuǎn)矩; 為飛輪矩;為角加速度;為轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時,原動機的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡,為不變值,此時系統(tǒng)無旋轉(zhuǎn)機械角加速，即角加速度為零;當(dāng)原動機的輸

34、出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩不等時,旋轉(zhuǎn)角加速度隨即發(fā)生變化, 從而引起轉(zhuǎn)速的變化,系統(tǒng)進(jìn)入動態(tài)運行中。從上式可以看出,對于某一系統(tǒng)而言,旋轉(zhuǎn)機械角加速度與轉(zhuǎn)速成正比, 因此可以由轉(zhuǎn)速的變化來反映旋轉(zhuǎn)角加速度的大小的變化。根據(jù)兩者的之間的關(guān)系,可通過對兩個已知值的標(biāo)定來確定旋轉(zhuǎn)角加速度的實際值的大小。</p><p>　　從上文分析可以得到, 旋轉(zhuǎn)機械角加速度的測量關(guān)鍵問題在于角加速度的測量。本文提出的新型角加速度測量方法是

35、通過改變空心杯轉(zhuǎn)子交流異步測發(fā)電機運行的勵磁條件，從而構(gòu)成了測量角加速度的測速發(fā)電機,實現(xiàn)了對角加速度的實時測量。</p><p>　　如下圖2.1中的圓圈表示杯形轉(zhuǎn)子, 兩側(cè)的勵磁繞組與輸出繞組在空間位置上嚴(yán)格嚴(yán)格保持垂直的電角度, 此電機的勵磁繞組以交流勵磁時用來測量速度,當(dāng)勵磁繞組以直流勵磁時則可以用來測量角加速度。當(dāng)定子勵磁繞組外接頻率為f的恒壓交流電源u，勵磁繞組中有電流流過，在直軸（即軸）上產(chǎn)生以頻率

36、 f脈振的磁通。在轉(zhuǎn)子不動時，脈振磁通在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電勢（空心杯轉(zhuǎn)子可以看成有無數(shù)根導(dǎo)條的籠式轉(zhuǎn)子，相當(dāng)于變壓器短路時的二次繞組，而勵磁繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組），產(chǎn)生的磁場與勵磁電源同頻率的脈振磁場，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通，在杯型轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并以勵磁磁場的脈振頻率交變，又因空心杯轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路繞組，故旋轉(zhuǎn)電勢在杯型轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生交流短路電流，若忽視杯型轉(zhuǎn)子的漏抗的影響，那么此短路電流

37、所產(chǎn)生的脈振磁通在空間位置上與輸出繞組的軸線一致，因此轉(zhuǎn)子脈振磁場與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。輸出繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢實際就是交流異步測速發(fā)電機輸出的空載電壓，其大小正比于轉(zhuǎn)速，其頻率為勵磁電源的頻率。</p><p>　　圖2.1 空心杯轉(zhuǎn)子交流異步測速發(fā)電機原理圖</p><p>　　而當(dāng)勵磁繞組兩側(cè)加為直流電源時，會產(chǎn)生恒定不變的電流通過勵磁繞組，竟而產(chǎn)生一個恒定的氣隙磁通。當(dāng)轉(zhuǎn)子

38、轉(zhuǎn)速為零時，輸出繞端不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)( n0)時,空心杯轉(zhuǎn)子因切割磁力線從而產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電動勢,同時在的作用下將產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而在輸出繞組的軸線方向產(chǎn)生一個穩(wěn)定的磁通。</p><p>　　和與穩(wěn)定的磁通及旋轉(zhuǎn)速度n成正比,轉(zhuǎn)子電流與其產(chǎn)生的磁通也成同樣的正比關(guān)系,即:</p><p>　　因為輸出繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢跟穿過線圈的磁通量的變化率成正比關(guān)系, 則有

39、:</p><p>　　從上面兩式可以分析得出當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定不變時,輸出繞組電壓為零;當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時,輸出繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢在勵磁不變的情況下與成正比。結(jié)合上述原理圖分析可得出正比于旋轉(zhuǎn)角加速度,從而可用此方法來測量旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角加速度。</p><p>　　其測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.12所示。</p><p>　　圖2.12 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖</p>

40、<p>　　2.2 電磁式角加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　一種旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器，其包括機座，位于前后端蓋之間，穿過前端蓋和后端蓋的轉(zhuǎn)軸軸心，分別置于轉(zhuǎn)軸與前端蓋和轉(zhuǎn)軸與后端蓋之間有著高速軸承。還包括：</p><p>　　外定子鐵心，外定子鐵心與轉(zhuǎn)軸同軸心置于基座內(nèi)，在外定子鐵芯上設(shè)有鑲嵌輸出繞組的繞組槽。</p><p>　　內(nèi)定子鐵心，

41、它置于外定子鐵心與轉(zhuǎn)軸之間，和外定子鐵心以及轉(zhuǎn)軸同軸心，內(nèi)定子與外定子之間有間隙，間隙內(nèi)為氣隙磁場（勵磁磁場）。勵磁磁場是由外定子鐵心上繞組槽內(nèi)的勵磁繞組加上直流恒流源來作為內(nèi)定外定子鐵心之間的磁路的勵磁源所形產(chǎn)生的。</p><p>　　外定子鐵心上有輸出繞組，其置于外定子鐵心上的繞組安放槽內(nèi)，其軸線與氣隙磁場的磁軸互相垂直。</p><p>　　杯形轉(zhuǎn)子繞組，杯底裝于轉(zhuǎn)軸上，且和轉(zhuǎn)軸同

42、軸心，杯底置于內(nèi)外定子鐵心的氣隙磁場之間，且和轉(zhuǎn)軸同軸心。</p><p>　　如下圖所示為本旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和A-A面剖視圖。</p><p>　　圖2.2 為電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器結(jié)構(gòu)式意圖</p><p>　　圖2.2說明：6（外定子鐵心）與8（內(nèi)定子鐵心）的材料為硅鋼片（低磁材料）；4（構(gòu)成外定子鐵心輸出繞組）的材料為電磁漆包線；2為高速轉(zhuǎn)軸

43、；構(gòu)成7（杯形繞組)的材料為銅導(dǎo)線或鋁線；構(gòu)成1(轉(zhuǎn)軸)的材料為不銹鋼材料；構(gòu)成前端蓋3，機座5，后端蓋9的材料為鋁合金等金屬材料。</p><p>　　圖 2.21為電磁式角加速度傳感器 A-A面的剖視圖</p><p>　　圖2.21說明：10定子鐵心勵磁繞組與4外定子鐵心輸出繞組的軸線正交；6外定子鐵心與8內(nèi)定子鐵心與1轉(zhuǎn)軸同軸心，內(nèi)外定子鐵心之間存在間隙，7杯形轉(zhuǎn)子繞組與1轉(zhuǎn)軸，8

44、內(nèi)定子鐵心以及6外定子鐵心同軸；</p><p>　　交流異步測速發(fā)電機具有以下優(yōu)點：</p><p>　　*采用四極繞組當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時每一瞬間穿過短路環(huán)的兩路脈振磁通其方向相反，從而產(chǎn)生的附加都很小剩余電壓很小。</p><p>　　*杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機通常為四極可減少由于磁路和轉(zhuǎn)子電阻的不對稱對性能的影響。</p><p>　　*為了減

45、小剩余電壓，結(jié)構(gòu)上可采用輸出繞組與勵磁繞組分別嵌在內(nèi)外定子完成后調(diào)節(jié)內(nèi)外定子的位置（角度），使剩余電壓保持某一最小值。</p><p>　　2.3 電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器的工作原理</p><p>　　本傳感器的工作原理；在內(nèi)外定子鐵心之間產(chǎn)生勵磁磁場（氣隙磁場），杯形轉(zhuǎn)子繞組處于內(nèi)外定子鐵心之間氣隙磁場中，且與內(nèi)外定子鐵心位于同以軸心上，杯形繞組與轉(zhuǎn)軸連接可相對于內(nèi)外定子鐵心作旋轉(zhuǎn)運動

46、。運行時，角加速度傳感器的旋轉(zhuǎn)軸與被測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動軸同軸相連結(jié)。如果被測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸作勻轉(zhuǎn)速運動，則杯形繞組也同樣作恒轉(zhuǎn)速運動，在杯形轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此電勢產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流，從而轉(zhuǎn)子電流形成對應(yīng)的勵磁磁場，然而此時由于恒速轉(zhuǎn)動，則此時的勵磁磁場的磁幅值恒定，從而導(dǎo)致輸出繞組的輸出電勢為零；如主運動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸做非恒速運動，則此時有旋轉(zhuǎn)角加速度，因為主旋動軸與角加速度傳感器的軸相聯(lián)，從而杯形繞組也做非恒速轉(zhuǎn)動。此時在杯形繞組中產(chǎn)生的電

47、勢與被測系統(tǒng)的非恒轉(zhuǎn)速運動的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)，杯形轉(zhuǎn)自產(chǎn)生的電勢產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，該轉(zhuǎn)子電流是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，因此，該轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生氣隙磁場的磁勢幅值也跟隨著變化，該氣隙磁場磁勢幅值隨時間變化又與外輸出繞組相交鏈，從而在外輸出繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電勢，該電勢大小與被測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化的大小相對應(yīng)。</p><p>　　本文的新型角加速度傳感器可根據(jù)空心杯交流異步測速發(fā)電機得運行條件而轉(zhuǎn)換成角加速度傳感器。交流異步測

48、速發(fā)電機與直流測速發(fā)電機一樣，是一種測量轉(zhuǎn)速或傳感轉(zhuǎn)速信號的元件，它可以將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡妷盒盘?。理想的測速發(fā)電機的輸出電壓與它的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。而交流測速發(fā)電機的特性和主要指標(biāo)有輸出特性與線性誤差，輸出相位移與相位誤差和剩余電壓，因為改用直流勵磁源主要考慮輸出特性與線性誤差和剩余電壓，交流異步測速發(fā)電機當(dāng)勵磁繞組加電壓而轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時，輸出繞組產(chǎn)生的電壓稱為剩余電壓。產(chǎn)生剩余電壓的主要原因有：磁路不對稱、氣隙不均勻、輸出繞組與勵磁繞

49、組不正交、以及溫升增加、繞組匝短路，繞組端部藕合，鐵芯片間短路、轉(zhuǎn)子杯材料不均勻、形狀不規(guī)格等。線性誤差：實際輸出電壓與線性輸出電壓的最大差值與對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速（技術(shù)條件規(guī)定的）的線性輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)，稱為線性誤差。</p><p>　　通常為了減小由于轉(zhuǎn)子和磁路的不對稱性引起的剩余電壓，杯形轉(zhuǎn)子異步電動機通常是四極電機。為了減小剩余電壓，還可以采用以下方法：可將勵磁繞組和輸出繞組分開，分別嵌在內(nèi)、外定子鐵芯上。

50、采用補償繞組來消除剩余電壓。在外部采用適當(dāng)電路，產(chǎn)生一個校正電壓抵消剩余電壓。</p><p>　　如上面的描述，本課題的傳感器是利用電磁感應(yīng)原理構(gòu)成旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器，被測系統(tǒng)與測量傳感器同軸安裝，從而直接把旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)機械角加速度變換成電壓信號輸出，輸出的電壓信號和旋轉(zhuǎn)角加速度可以直接對應(yīng)。在其結(jié)構(gòu)上，氣隙磁場恒定，輸出的電壓與旋轉(zhuǎn)角機械加速度可以直接一一對應(yīng)，因此此測量裝置測量精度高，且結(jié)構(gòu)簡單；由于采用空

51、心杯形轉(zhuǎn)子繞組，角加速度傳感器的轉(zhuǎn)動慣量大大減小，靈敏度和測量精度提高明顯；由于角加速度傳感器和被測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸同軸相連，可以直接獲取旋轉(zhuǎn)信號。因此簡單實用且方便，便于各種旋轉(zhuǎn)角加速度的場合測量。</p><p>　　第三章 測量系統(tǒng)的方案論證</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的總體流程圖</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機應(yīng)用技術(shù)以及功能

52、日益強大，價格低廉化等顯著特點，使全數(shù)字化測量系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。考慮到單片機具有體積小、性能強大、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。對于測量系統(tǒng)的硬件搭建和軟件編程，設(shè)計出一種以單片機為主的旋轉(zhuǎn)角加速度測量系統(tǒng)，保證了測量精度以及實時性。</p><p>　　本設(shè)計采用C8051F020單片機完成對整個系統(tǒng)的管理，協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，并進(jìn)行復(fù)雜的控制決策。測量信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊后輸入至單片機，單片機根據(jù)收

53、到的信號對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，以輸送到各個模塊。系統(tǒng)的開關(guān)量控制模塊，可方便的實現(xiàn)整個系統(tǒng)的復(fù)位。因此實現(xiàn)了一套結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全和運行可靠的角加速度測量系統(tǒng)。</p><p>　　其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示</p><p>　　第四章 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　4.1 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路技

54、術(shù)提高。單片機在過程控制中、直接數(shù)字控制中有著顯著的優(yōu)點。它體積小科員做成體積極小的控制器用于一些體積不大的設(shè)備和空間有限的生產(chǎn)過程、控制過程。其價格低廉是最主要的優(yōu)勢。相比PLC、工控機等有較高的性價比。</p><p>　　4.1.1 單片機的選取</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機硬件電路設(shè)計思路（如圖3.1）對單片機模塊進(jìn)行設(shè)計，要使單片機準(zhǔn)確的測量電機旋轉(zhuǎn)角加速度，并

55、且使其數(shù)據(jù)能實時顯示出來和存儲[12]。</p><p>　　C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片， 其具有8個數(shù)字I/O 口64個引腳。下面為其特點； </p><p>　　1. 高達(dá)25MIPS高速流水線結(jié)構(gòu)的與8051 完全兼容的CIP-51 內(nèi)核。</p><p>　　2. 全速、片內(nèi)非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口。</p>&l

56、t;p>　　3. 12 位、100 ksps的8個通道ADC，以及帶PGA和模擬多路開關(guān)。 </p><p>　　4.. 兩個12 位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)的更新方式 。</p><p>　　5. 具有可在線系統(tǒng)編程的64K字節(jié)的FLASH 存儲器 。</p><p>　　6. 片內(nèi)RAM具有4352字節(jié)。</p><p>　　7.

57、外部數(shù)據(jù)存儲器接口可尋址64K字節(jié)地址 。</p><p>　　8. 硬件可實現(xiàn)SPI通信、SMBus 和兩個全雙工UART 串行接口 。</p><p>　　9. 高達(dá)16 位 5個通用的定時器。</p><p>　　10. 具有無個捕捉/比較模塊的定時器陣列/可編程計數(shù)器。</p><p>　　11. 片內(nèi)看門狗定時器WDT和VDD 監(jiān)視

58、器以及內(nèi)置溫度傳感器。</p><p>　　C8051F020是獨立工作的片上系統(tǒng)。C8051F020 MCU所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可以由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還有在線系統(tǒng)重新編程能力，可對非易失性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，且準(zhǔn)許現(xiàn)場更新8051固件。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路可使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品得MCU 進(jìn)行不占用片內(nèi)資源、全速高速、在系統(tǒng)調(diào)試。在線調(diào)試系統(tǒng)不但支持?jǐn)?shù)據(jù)觀察以及修改存儲器和寄存器，

59、支持觀察點、斷點、單步運行和停止命令。在使用片內(nèi)JTAG 調(diào)試時,可全功能運行下所有的模擬和數(shù)字外設(shè)。</p><p>　　C8051F020具有邊界掃描和調(diào)試電路接口，通過4位引得腳JTAG接口。該JTAG接口完全符合IEEE 1149.1規(guī)范，完全的邊界掃描功能為生產(chǎn)和測試提供便利。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)軟件支持在線觀察修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要添加額外的目標(biāo)RAM

60、、程序存儲器、定時器或者通信通道。在調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可以正常工作。當(dāng)MCU單步執(zhí)行時或遇到斷點而導(dǎo)致的停止運行時，所有的外設(shè)（SMBus和ADC除外）都可以停止運行，從而來保持與指令執(zhí)行的同步。</p><p>　　C8051F020U具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口（0、1、2和3）。在F020中還有4個附加的額外端口（4、5、6和7） ，因此擁有高達(dá)64個通用端口I/O。這些I/O端口的工作條件與標(biāo)準(zhǔn)805

61、1基本相同，但稍有一些修改。每個I/O端口引腳都可以被設(shè)置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這使器件低功耗使用埋下了一些基礎(chǔ)。C8051F020最特別的改進(jìn)是使用了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個功能大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將其內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到前四個（P0、P1、P2和P3）的I/O端口引腳。這與以往的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I/O的有著很大的區(qū)別，這種結(jié)構(gòu)可支持各種的功能組合。 </p><p&g

62、t;　　通過配置交叉開關(guān)控制寄存器可將系統(tǒng)片內(nèi)的硬件中斷、串行通信總線、計數(shù)器或定時器、轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器的輸出以及微控制器內(nèi)部的其它各數(shù)字信號映射到前四個I/O端口引腳。此特性可有用戶設(shè)定來選擇通用I/O端口號和所需數(shù)字資源的組合。</p><p>　　MCU工作條件都可在工業(yè)溫度范圍(-45～+85)內(nèi)用2.7V—3.6V的電壓工作。I/O端口和JTAG引腳都可輸入5V的電壓信號。C8051F020器件是使

63、用Cygnal專利的CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51采用高速流水結(jié)構(gòu)，與以往的單片機結(jié)構(gòu)相比其讀寫指令的速度有很大的提升。在標(biāo)準(zhǔn)的8051中，所有指令（除MUL和DIV以外）都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，系統(tǒng)最大的時鐘頻率為12～24MHz。而對于CIP-51內(nèi)核的單片機，三分子二的指令的執(zhí)行時間只為2個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)，只有部分4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。</p><p>　　CIP-51被M

64、CS-51指令集完全兼容,可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的全部的外設(shè)部件，包括16位的計數(shù)器/定時器、全雙工的兩個UART、內(nèi)部RAM為256字節(jié)、128字節(jié)的特殊功能寄存器(SFR)地址空間及8個字節(jié)寬的I/O端口。</p><p>　　4.1.2 最小單片機系統(tǒng)</p><p>　　C8051F020單片機芯片作為主控核心，包括晶振電

65、路部分和基準(zhǔn)電壓電路。</p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。該引腳為晶體或陶瓷諧振器的內(nèi)部振蕩器電路的反饋輸入。為了得到一個精確的內(nèi)部時鐘，可以在 XTAL1 和 XTAL2 之間接上一個晶體或陶瓷諧振器。如果被一個外部 CMOS 時鐘驅(qū)動，則該引腳提供系統(tǒng)時鐘。單片機在啟動運行時都需要進(jìn)行復(fù)位操作，使處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確

66、定的初始狀態(tài)，并從此狀態(tài)開始工作。</p><p>　　C8051F020單片機設(shè)有一個復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對CHMOS單片機，RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻)，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)即24個時鐘周期以上的高電平，使器件復(fù)位，只要使C8051F020的RST保持高電平，C8051FO20就一直處于復(fù)位狀態(tài)。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3的I/O口都有高電平輸出。當(dāng)RST轉(zhuǎn)換為低電

67、平后，系統(tǒng)退出復(fù)位，CPU從此初始狀態(tài)開始進(jìn)行工作。</p><p>　　單片機采用的復(fù)位方式是自動復(fù)位方式。對于單片機只須通過外接一個電容至VCC即可。在通電瞬間，電容可通過電阻充電，就導(dǎo)致了RST端瞬間的高電平出現(xiàn)，只要保持此時間達(dá)到一定的長，單片機就可以有效的復(fù)位。RST端保持一定的時長其包括VCC的上升時間和振蕩器起振的時間，Vss上升時間若為10ms，振蕩器起振的時間和頻率有關(guān)。10MHZ時約為1ms，

68、1MHZ時約為10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位，使RST在高電平下應(yīng)保持20ms以上的時間。通常RC時間常數(shù)越大，RST端上電保持高電平的時間就要越長。</p><p>　　加入復(fù)位電路無效，CPU加電后就會從隨機的狀態(tài)開始工作，從而系統(tǒng)就不能保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　如下圖：</b></p><p>　　4.2 放大電

69、路的設(shè)計</p><p>　　根據(jù)測量系統(tǒng)的信號要求，傳感器輸出的信號為mv電壓信號，單片機無法直接采集所以需要采用放大電路進(jìn)行放大。本文出于各方因素考慮，選用了INA128儀用放大器集成芯片來搭建放大電路。</p><p>　　4.2.1 INA128芯片介紹</p><p>　　INA128 是具有高精度低功耗的通用儀表放大器，它使用了通用的3運放設(shè)計和體積小巧

70、使其應(yīng)用范圍廣泛反饋電流Current-feedback輸入電路即使在高增益條件下(G=100時 200kHz)也可提供較寬的帶寬。</p><p>　　通過使用外部電阻的改變可實現(xiàn)萬倍放大的任一增益選擇INA128提供了具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增益等式。INA128是通過激光來修正微調(diào)且偏置電壓 (50mV) 和溫度漂移0.5µV/非常低以及高共模抑制（在增益為100時120dB），即使在電源電壓低到±

71、;2.25V 時其靜態(tài)電流也只有700uA是電池供電系統(tǒng)的理想選擇。其器件能受±40V電壓而無損壞的內(nèi)部輸入保護(hù)措施。INA128的封裝為8引腳塑料DIP和SO8表面襯底封裝其工作規(guī)定溫度范圍為-40至+85。</p><p>　　*具有低偏置電壓小于50µV。</p><p>　　*擁有低溫度漂移最大0.5</p><p>　　*偏置電流輸入很

72、低 最大 5nA。</p><p>　　*CMR最120d的高共模抵制。 </p><p>　　*±40V輸入電壓保護(hù)。</p><p>　　*具有很寬電源電壓范圍 ±2.25 至±15V。</p><p>　　*700µA低靜態(tài)電流。</p><p>　　4.2.2 INA12

73、8構(gòu)建的放大電路</p><p>　　信號放大電路可采用兩個INA128芯片來對小信號進(jìn)行放大。若采用一級放大，當(dāng)放大倍數(shù)較大時，電路可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，因此采用兩級放大電路，并在級間采用電容耦合電路，圖4.22所示是其電路圖。圖中，INA128的失調(diào)電壓漂移很低和低噪聲等性能指標(biāo)，簡單的放大倍數(shù)設(shè)置，只須通過改變外部電阻的大小電阻 </p><p>　　電阻，物質(zhì)對電流的

74、阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。 [全文]就能改變放大倍數(shù)。圖4.22中1、8腳跨接的電阻就是用來調(diào)整放大倍率,4、7腳需提供正負(fù)相等的工作電壓,2、3腳輸入要放大的電壓，并從6腳輸出放大的電壓值。5腳則是參考基準(zhǔn)，如果接地，則6腳的輸出即為與地之間的相對電壓。</p><p>　　儀用放大器放大的倍數(shù)；由第二級INA128輸出端的輸出電壓應(yīng)為0到

75、2.4V。而一級INA128輸入端采集的為0到20mv的電信號，根據(jù)計算可知放大倍數(shù)。</p><p>　　而每塊INA128放大增益數(shù)為； </p><p><b>　　Gain=1+</b></p><p>　　4.3 AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計</p><p>　　C8051F020具有一個片內(nèi)12位ADC ，一

76、個高達(dá)9個通道的輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器。該ADC工作的最大采樣速率在100ksps時可提供真正的12位精度，INL為±1LSB。</p><p>　　ADC0的基準(zhǔn)電壓可以在DAC0輸出和一個外部VREF引腳之間選擇。對于C8051F020器件，ADC0有其專用的VREF0輸入引腳；片內(nèi)15ppm/°C的電壓基準(zhǔn)可通過VREF輸出引腳為其它系統(tǒng)部件或片內(nèi)ADC產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。 <

77、;/p><p>　　ADC完全由CIP-51的特殊功能寄存器控制。其中一個輸入通道連接著單片機內(nèi)部溫度傳感器，其剩余的8個通道全部接外部輸入。8個外部輸入通道可被配置為4個一個差分輸入或4個兩單端輸入。系統(tǒng)控制器可以將ADC置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗?？删幊淘鲆娣糯笃鹘釉谀M多路選擇器之后，增益可以用軟件進(jìn)行配置，從0.5到16以2的整數(shù)次冪遞增。當(dāng)不同的輸入通道之間其輸入的電壓信號變化較大或在差分方式，DAC可用于提供

78、直流偏移 ，這個放大環(huán)節(jié)是非常有用的。其A/D轉(zhuǎn)換啟動方式有4種：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出和外部命令信號輸入。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號或周期性的定時器溢出信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個狀態(tài)位指示，或者產(chǎn)生中斷(如果中斷被使能)。在轉(zhuǎn)換完成后，10或12位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個特殊功能寄存器中。這些數(shù)據(jù)字可以用軟件控制為左對齊或右對齊。</p><p>　　4.4 實時顯示電路設(shè)計<

79、;/p><p>　　本文顯示電路采用LCD1602進(jìn)行動態(tài)顯示。</p><p>　　1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的等諸多優(yōu)點，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。與數(shù)碼管相比該模塊有如下優(yōu)點；</p><p>　　1.顯示位數(shù)多，可顯示162，而32個數(shù)碼管體積相當(dāng)龐大了。</p><p>　　2.豐富的顯示

80、內(nèi)容，可顯示所有大、小寫字和母數(shù)字。</p><p>　　3.程序比較簡單，而用用數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，則會占用很多時間來刷新顯示，而1602則會快速自動地完成此功能。</p><p>　　1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：各引腳標(biāo)注功能為下：</p><p>　　第1腳：VSS為地電源。</p><p>　　第2腳：VDD接正5V電源。&l

81、t;/p><p>　　第3腳：V0是控制顯示器的對比度調(diào)，當(dāng)其腳接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高。</p><p>　　第4腳：寄存器選擇引腳RS，其為高電平時數(shù)據(jù)寄存器、否側(cè)為指令寄存器。</p><p>　　第5腳：RW決定了其讀寫，高電平時進(jìn)行讀操作，反之為寫操作。</p><p>　　第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平

82、時，液晶模塊執(zhí)行命令。    第 7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。</p><p>　　第15～16腳:空腳（有的用來接背光）。</p><p>　　4.5 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計</p><p>　　特別是隨著SD卡及U盤在生活中的普及，嵌入式系統(tǒng)把讀寫SD卡/U盤功能集成到系統(tǒng)，成為一種趨勢。在本論文設(shè)計中, 采集數(shù)據(jù)的存儲采用

83、了SD卡。</p><p>　　為了便于運行狀況監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集，要求大容量的存儲設(shè)備。所以本文選用SD來存儲數(shù)據(jù)。SD卡讀寫是指單片機讀寫SD卡。SD/MMC卡是一種容量大(最大可達(dá)4GB)、性價比高、體積小、訪問接口簡單的存儲卡, 而且通過 USB讀卡器, 可以很方便地將卡中文件拷貝到通用計算機中。目前, SD卡已大量用于數(shù)碼相機、MP3、手機與大容量存儲設(shè)備中。SD卡是一種低電壓的flash閃存產(chǎn)品，有標(biāo)準(zhǔn)的

84、SD/SPI兩種操作模塊。對于SD操作模式，讀寫速度快，控制信號線多，操作復(fù)雜，對于SPI操作模塊，速度慢，線少，操作相對簡單。 </p><p>　　嵌入式系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)采集或者讀取參數(shù)文件，往往需要通過串口或者其他的方式進(jìn)與PC機數(shù)據(jù)傳輸。采用SD卡進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳輸則是一種不錯的方案。 </p><p>　　4.5.1 SD卡功能原理的介紹</p><p>　　SD

85、卡模塊的外形如圖4.51所示：</p><p>　　圖4.51 SD卡模塊實物圖</p><p>　　根據(jù)主控制器與SD卡的通信協(xié)議不同,其有兩種訪問模式:SD模式和SPI模式。在不同的通信模式下,其對應(yīng)的SD卡引腳的功能也不一樣,具體引腳功能在在下文會說明。通常主機只能以其中的一種通信模式進(jìn)行運行。該通信模式的選擇對于主控制器來說是透明的,SD卡會檢測其通信協(xié)議模式的復(fù)位命令,而當(dāng)通信模

86、式選定后,在通電情況下系統(tǒng)是不能切換到另一種模式的。SD模式下，主控制器使用SD總線訪問存儲卡,而對于普通的單片機是沒有硬件SD 總線的, 盡管軟件仿真一個SD總線,但其訪問速度會受到限制, CPU時間會大量被占用,而對于SPI總線一般單片機都具有,本文對SD卡的讀寫就是通過SPI總線實現(xiàn)的。下面介紹SPI總線工作方式。在當(dāng)系統(tǒng)處于SPI總線模式下,CS為片選信號,SCK為時鐘信號, DI(DataIn)為主控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)信號, DO

87、(DataOut) 為卡發(fā)送的據(jù)信號，其都是單向通信的。SD卡的結(jié)構(gòu)如圖4.52 所示, SD卡內(nèi)部除了卡接口控制器還有大量存儲單元、寄存器以及SD和SPI兩種模式的對外接口等。外部主控制器訪問卡的外部信號線采用簡接相連,是通過卡的接口控制器與存儲器單元接口連接。卡接口</p><p>　　C8051F020單片機作為測量系統(tǒng)的主控制器。C8051F020單片機在指令上與8051在完全兼容,但其性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的8

88、051單片機, 片內(nèi)包括了8052的所有外設(shè)外,又外擴了更多豐富的外設(shè)。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集功能對于C8051F020來說是輕而易舉的,還能很容易地實現(xiàn)SD卡的訪問。與 SD卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下:</p><p>　　*單片機內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu),高速度指令運行,指令運行速度是標(biāo)準(zhǔn)的C51系列單片機大約10倍,指令運行速度可高達(dá)25MIPS,滿足高速操作SD卡的功能要求。</

89、p><p>　　*具有硬件SPI接口,可與SD卡的SPI總線方便地對接。</p><p>　　*具有64個I/O端口。一般的數(shù)據(jù)采集需要滿足外,還有足夠的I/O端口用于與SD卡的連接以及顯示模塊連接。而且,軟件可以配置這些I/O口線，從而實現(xiàn)不同的功能,其中通過配置相關(guān)寄存器可得到SPI接口。</p><p>　　*強大中斷系統(tǒng)的時刻由用戶擴展的,支持22個中斷源（包括

90、SPI接口產(chǎn)生的中斷），2個優(yōu)先級。</p><p>　　*Flash片內(nèi)存儲器64KB、和XRAM為4KB。其存儲空間滿足了SD卡需要,從而可以簡單地滿足文件系統(tǒng)的建立和SD卡訪問的需要。</p><p>　　*輸出3.3V的工作電壓,SD卡與其工作電壓完全吻合。</p><p>　　*通過編程可切換內(nèi)外時鐘,可以使用內(nèi)部時鐘,也可以使用外部時鐘。</p&g

91、t;<p>　　*JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試模式,可實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的簡單方便。</p><p>　　4.5.2 SD卡硬件功能的設(shè)計</p><p>　　C8051F020 MCU的串口的主要特點有:三線同步傳輸和全雙工模式,其發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)可以同步進(jìn)行;可以工作有兩種，主機方式和從機方式;當(dāng)工作在主機方式下數(shù)據(jù)的最大傳輸速率(位/秒)10Mb/s可達(dá)系統(tǒng)時鐘頻率的一半;SP

92、I可通過編程來控制傳輸速率;發(fā)送中斷標(biāo)志結(jié)束設(shè)置,不影響CPU時間;可編程改變的串行時鐘極性與相位;具有兩種保護(hù)，其分別為寫沖突保護(hù)和總線競爭保護(hù)。對于C8051F020的SPI系統(tǒng)而言,首先通過I/O端口的配置功能選擇開關(guān)控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2,將I/O 端口P2.2、P2.3、P2.1、P2.0配置成SPI功能引腳SCK、MOSI、MISO、和CS,此時SPI接口就有其四個I/O端口就組成了。SPI0CFG、SPI0

93、CKR、SPI0CN、SPI0DAT這四個特殊功能寄存器是跟設(shè)置和SPI接口性能有關(guān)的，其中跟SPI的配置有關(guān)的為SPI0CFG寄存器,其影響了SPI的工作方式,和通信過程中數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)的反映?？刂萍拇嫫鱏PI0CN, 用于決定SPI的工作模式,錯誤標(biāo)志在通信過程中的得到反映，時鐘速率寄存器SPI0CKR,決定了SCK輸出的頻率。</p><p>　　4.6 數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計</p><p&

94、gt;　　根據(jù)系統(tǒng)功能要求，要使單片機測量的數(shù)據(jù)能夠向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件電路中必須要考慮到單片機的發(fā)送部分，由于單片機通過串口發(fā)送出來的是TTL邏輯電平（0V和5V），而計算機RS-232總線上輸入、輸出數(shù)據(jù)和控制信號為+12V左右的電壓，單片機要和PC的上位機通信就必須是電平一致，所以發(fā)送部分關(guān)鍵的部分是電平轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送，電平轉(zhuǎn)換可以用模擬器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是為了方便起見，本次設(shè)計采用的是集成芯片，一個芯片加上它的外圍電路即可完成電

95、平的轉(zhuǎn)換的工作。結(jié)構(gòu)簡單、方便容易，精確度高。</p><p>　　本次所采用如下圖的USB型的串口模塊，下面我們將詳細(xì)的敘述。</p><p>　　USB轉(zhuǎn)串口模塊全稱為USB to Serial port Module，它可以將USB接口虛擬成一個串口，解決客戶無串口的苦惱?，F(xiàn)在市面上的USB轉(zhuǎn)串品的設(shè)備可謂是琳瑯滿目，質(zhì)量也是參差不齊。造成這種現(xiàn)象的根本原因就在于控制芯片的不同?，F(xiàn)在

96、USB轉(zhuǎn)串口橋接芯片有很多，比如CP2102、FT232、PL2303等等。但并非每一種芯片都可以用作ISP下載。經(jīng)過測試CP2102是不能下載的，而FT232可以下載，但其價格實在不菲。最為適中的就是臺灣生產(chǎn)的PL2303，可以穩(wěn)定下載，并可以支持多種操作系統(tǒng)。 PL2303HX采用28腳貼片SOIC封裝，工作頻率為12MHZ，符合USB 1.1通信協(xié)議，可以直接將USB信號轉(zhuǎn)換成串口信號，波特率從75～1228800，有2

97、2種波特率可以選擇，并支持5、6、7、8、16共5種數(shù)據(jù)比特位，是一款相當(dāng)不錯的USB轉(zhuǎn)串口芯片。</p><p><b>　　測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1 系統(tǒng)總程序流程圖設(shè)計</p><p>　　按下單片機復(fù)位按鈕、傳感器測角加速度電機同時與旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，單片機內(nèi)部初始化，利用傳感器數(shù)據(jù)采集經(jīng)放大電路后，

98、單片機讀取A/D并在顯示器上顯示出來。通過USB串口模塊與PC機通信實時制作曲線圖，從而有效地快速準(zhǔn)確地反映出角加速度的變化。</p><p>　　主程序詳情見附錄1主程序部分。</p><p>　　5.2 顯示模塊的流程設(shè)計</p><p>　　數(shù)據(jù)的顯示通過LCD1602進(jìn)行10ms的刷新顯示，其顯示有效位為四位。</p><p>　　下

99、圖為顯示模塊軟件流程圖：</p><p>　　顯示程序詳情見附錄1顯示程序部分。</p><p>　　5.3 數(shù)字濾波的設(shè)計</p><p>　　中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）。A、方法：相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，N值的選取：3-14。B、優(yōu)點：融

100、合了兩種濾波法的優(yōu)點對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。程序詳情見附錄1顯示程序。</p><p>　　5.4 存儲模塊流程設(shè)計</p><p>　　硬件抽象層包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、通訊的基本函數(shù)是由其SPI接口來完成的以及SPI中斷的處理。硬件環(huán)境配置包括硬件初始化、以及內(nèi)存變量初始化等。通訊的基本函數(shù)是由其SPI接口來實現(xiàn)完成的，包括主控制器向SD

101、卡發(fā)送一字節(jié)和從SD卡讀取一字節(jié)的基本函數(shù)，這是所有SPI通訊的基礎(chǔ)。SPI接口在SPI中斷處理時。自動調(diào)用中其中斷的相關(guān)服務(wù)程序，在其中斷服務(wù)程序內(nèi)容中，獲取其控制寄存器的相關(guān)信息。這其信息包含著產(chǎn)生中斷的各種狀態(tài)標(biāo)志，從而根據(jù)不一樣的狀態(tài)標(biāo)志，選著不同函數(shù)處理的方式。</p><p>　　命令層，什么是命令層就是系統(tǒng)調(diào)用硬件抽象層的數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的函數(shù)，從而讓其SPI協(xié)議規(guī)定的各種命令在SD卡中得到實現(xiàn)。根

102、據(jù)存儲卡的基本協(xié)議，進(jìn)而調(diào)用不同的命令來實現(xiàn)SD卡的各種不同的功能。其命令大致可分成十個類別。各種類別都包含了幾十條具體具體的命令，對于SPI協(xié)議，主機會主動發(fā)送每個命令。其發(fā)送的命令為6個字節(jié)的長度。其主要組成包括兩種命令，Command表示命令號，占用6位，長度為4個字節(jié)Parameter表示命令參數(shù)，其各種命令實物命令參數(shù)值是不同的。其命令結(jié)構(gòu)式順序總是從高到低的來排列，當(dāng)存儲SD卡接檢測到主機所發(fā)送的命令。會對應(yīng)其接受的命令做出

103、各種響應(yīng)。</p><p>　　SD卡的響應(yīng)方式有4種格式，其中包括R1、R1B和R2以及RB格式。</p><p>　　應(yīng)用層函數(shù)提供客戶程序訪問SD卡的高級接口函數(shù)。使用時不需要知道SD卡的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)和命令內(nèi)容、不需要知道SPI的接口協(xié)議等基本內(nèi)容，客戶程序只需要簡單地調(diào)用接口函數(shù)了解SD卡的當(dāng)前狀態(tài)、讀取自己需要的內(nèi)容或?qū)懭胱约旱膬?nèi)容。應(yīng)用層程序是在命令層基礎(chǔ)上的更高抽象，調(diào)用命令

104、層函數(shù)實現(xiàn)。</p><p>　　考慮到SD卡能用讀卡器直接讀入PC機 ,所以將SD卡作為存儲設(shè)備,具體采用128MB的SD卡。SD卡的讀寫方式有兩種其分別為SD方式和SPI方式,這里選擇SPI通信方式。扇區(qū)是SD卡上的文件系統(tǒng)基本單位,格式化時由操作系統(tǒng)將每個扇區(qū)設(shè)為512B,則采集數(shù)據(jù)時也要在C8051F020內(nèi)部設(shè)置一個512 B的緩沖區(qū),待其寫滿后一次性寫入到SD卡中。由于采樣時間相隔為10ms,這就要求

105、系統(tǒng)在10ms內(nèi)把數(shù)據(jù)完全寫入SD卡內(nèi)，不然就會造成數(shù)據(jù)的丟失。</p><p>　　在進(jìn)行格式化時每簇含扇區(qū)的個數(shù)是由操作系統(tǒng)所決定的、扇區(qū)個數(shù)的保留、FAT表的具體位置設(shè)計以及根目錄的地址等信息。SD卡的第一個扇區(qū)用來存放那些信息。在卡上建立文件時首先需讀取首扇區(qū)的內(nèi)容,由此把各個偏移地址計算出來。</p><p>　　首先計算出FAT表的位置,并將第一頁FAT表讀入,并檢查是否有空簇

106、。若有則記錄其偏移地址并寫到根目錄相應(yīng)文件屬性中;否則依序讀FAT下一頁,直到最后一個FAT頁。每個文件在根目錄中占32B,包括文件名、擴展名、文件起始簇的位置、文件的顯隱性等屬性。</p><p>　　FAT文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖5.4所示：</p><p>　　數(shù)據(jù)區(qū) 根目錄區(qū) FAT2 FAT1 保留扇區(qū) 引導(dǎo)扇區(qū)</p><p>　　

107、5.4 FAT系統(tǒng)文件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　24小時采集的信號數(shù)據(jù)量計算如下:</p><p>　　采樣率100點/s ,每個點用8位表示,則數(shù)據(jù)量24x3600x100 =8.64MB。這樣大量的數(shù)據(jù)可以采用Flash或者移動存儲卡的形式存儲。</p><p>　　因為數(shù)據(jù)是連續(xù)采集的，所以SD卡中的文件大小會隨著時間的變化而增大的，也就是說開始建立的時候是