基于fpga的霍爾式角度測量裝置制造方法
【專利摘要】一種基于FPGA的高精度霍爾式角度測量裝置，主要包括轉(zhuǎn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁鋼、霍爾傳感器、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和液晶顯示模塊。轉(zhuǎn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)圓周的外側(cè)固定交替排列的永磁磁鋼，在圓周外側(cè)均勻分布，兩個(gè)霍爾傳感器對稱分布在永磁磁鋼的兩側(cè)，一個(gè)霍爾傳感器位置固定，另外一個(gè)霍爾傳感器與被測轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)相連接。霍爾傳感器先將角度信號傳送到信號處理模塊(FPGA)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊(SCM)處理后得到角度值，最后通過液晶模塊進(jìn)行顯示。該測量裝置能夠?qū)⒔嵌戎抵苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行顯示，具有精度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于FPGA的霍爾式角度測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種角度測量裝置，更具體的是涉及一種基于FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)的霍爾式角度測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]角度測量可以應(yīng)用于航空、航天、雷達(dá)等軍事裝備，也可以用于數(shù)控機(jī)床、汽車、電力、建筑等多個(gè)領(lǐng)域，在這些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般需要通過角度作為反饋信號來對設(shè)備進(jìn)行控制，因此，角度測量精度的高低在很大程度上決定了控制精度的好壞。目前常用的角度測量裝置主要是旋轉(zhuǎn)編碼器，其測量精度和分辨率較高，其價(jià)格也相對較高，但同時(shí)也存在易受灰塵污染和覆蓋等缺點(diǎn)，導(dǎo)致測量精度和分辨率下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型提供了一種基于FPGA的霍爾式角度測量裝置，使用時(shí)霍爾傳感器將被測轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角度轉(zhuǎn)換成電信號輸出，該電信號經(jīng)過信號處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊后，可以直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量在液晶屏上顯示出來，且測量精度較高，具有好的應(yīng)用前景。
[0004]本實(shí)用新型的目的采取下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]一種基于FPGA的霍爾式角度測量裝置，主要包括轉(zhuǎn)臺(tái)、磁鋼、霍爾傳感器、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和液晶顯示模塊。
[0006]轉(zhuǎn)臺(tái)由超聲波電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)圓周的外側(cè)固定交替排列的永磁磁鋼，在圓周外側(cè)均勻分布。
[0007]霍爾傳感器為兩個(gè)，對稱分布在永磁磁鋼的兩側(cè)，一個(gè)霍爾傳感器位置固定，另外一個(gè)霍爾傳感器與被測轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)相連接。
[0008]信號處理模塊的核心電路由FPGA的內(nèi)部邏輯門電路組成，可以實(shí)現(xiàn)角度測量系統(tǒng)需要的各種邏輯要求。
[0009]數(shù)據(jù)處理模塊主要由單片機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)角度測量系統(tǒng)需要的各種數(shù)據(jù)處理要求，并將處理后得到的角度值通過液晶屏進(jìn)行顯示。
[0010]如上述的結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型基于FPGA的霍爾式角度測量裝置，其工作原理為:
[0011]霍爾傳感器將角度信號轉(zhuǎn)化成兩路具有相位差的電信號，信號處理模塊將兩路電信號經(jīng)過整形后，采用高頻脈沖插值計(jì)數(shù)的方法，獲取兩路電信號相位差內(nèi)和周期內(nèi)的脈沖總數(shù)，數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理后將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化成角度值，并通過液晶片顯示出來。該測量裝置能夠?qū)⒔嵌戎抵苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行顯示，具有精度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型基于FPGA的霍爾式角度測量裝置的系統(tǒng)構(gòu)成圖；
[0013]圖2為轉(zhuǎn)臺(tái)和霍爾傳感器的構(gòu)成圖；
[0014]圖3為本實(shí)用新型基于FPGA的霍爾式角度測量裝置的工作原理圖；
[0015]圖4為圖1中的信號處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的工作原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本實(shí)用新型角度測量裝置的特征。
[0017]圖1為本實(shí)用新型基于FPGA的霍爾式角度測量裝置的系統(tǒng)構(gòu)成圖，霍爾傳感器、信號處理模塊(FPGA)、數(shù)據(jù)處理模塊(SCM)和液晶顯示四部分構(gòu)成?；魻杺鞲衅鬏敵鼋嵌刃盘?，角度信號經(jīng)過整形后送入FPGA，F(xiàn)PGA通過外部晶振和內(nèi)部的倍頻器產(chǎn)生高頻脈沖，對進(jìn)行邏輯處理后的角度信號再進(jìn)行與邏輯，同時(shí)對相位差和周期內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，F(xiàn)PGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器的啟停由單片機(jī)進(jìn)行控制，且計(jì)數(shù)結(jié)束后FPGA通知單片機(jī)將計(jì)數(shù)結(jié)果取出，單片機(jī)對計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理后得到角度值，最后用液晶屏將角度值顯示出來。
[0018]圖2為轉(zhuǎn)臺(tái)和霍爾傳感器的構(gòu)成圖，包括電動(dòng)機(jī)1、轉(zhuǎn)臺(tái)2、永磁磁鋼和兩個(gè)霍爾傳感器。轉(zhuǎn)臺(tái)2通過電動(dòng)機(jī)I帶動(dòng)，以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)2圓周的外側(cè)固定交替排列的永磁磁鋼，在圓周外側(cè)均勻分布，磁極方向如圖所示。磁極的兩側(cè)分別放置兩個(gè)霍爾傳感器，其中霍爾傳感器3位置固定，霍爾傳感器4與被測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置連接。
[0019]圖3為本實(shí)用新型基于FPGA的霍爾式角度測量裝置的工作原理圖，初始位置時(shí)兩個(gè)霍爾傳感器的位置相同，然后被測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)過了一定的角度，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)霍爾傳感器輸出的電信號，兩路霍爾傳感器輸出的電信號經(jīng)過整形后變?yōu)閷?yīng)的方波信號Fl和F2，F(xiàn)l和F2先進(jìn)行與邏輯，形成相位差信號PD，然后高頻脈沖信號HP和相位差信號PD進(jìn)行與邏輯得到插值信號CZ，如圖3所示。
[0020]磁鋼數(shù)目已知，在圓周上均勻分布，霍爾傳感器輸出信號的一個(gè)周期對應(yīng)的角度為已知量，圖3中對應(yīng)的是4個(gè)插值信號脈寬內(nèi)高頻脈沖數(shù)NI和4個(gè)方波信號Fl周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù)N2，則可以求得轉(zhuǎn)軸在空間上轉(zhuǎn)過的角度。
[0021]圖4為圖1中的信號處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的工作原理圖，霍爾傳感器輸出的兩路電信號經(jīng)過整形后分別為圖3中Fl和F2 ;Η)是相位差信號；HP為高頻脈沖信號；CZ為相位差ro和高頻脈沖HP的與邏輯信號；RT為計(jì)數(shù)器一、二清零信號，以及倍頻器、門控電路和數(shù)據(jù)選擇器的初始化信號，由外部的單片機(jī)產(chǎn)生；ST為高頻脈沖計(jì)數(shù)開始信號；END為高頻脈沖計(jì)數(shù)結(jié)束、寄存器鎖存計(jì)數(shù)值、打開八選一數(shù)據(jù)選擇器和通知單片機(jī)計(jì)數(shù)結(jié)束信號。
[0022]單片機(jī)初始化，外部中斷設(shè)置為下降沿有效；同時(shí)設(shè)置控制信號RT為邏輯‘I’，則FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器一、二分別清零，倍頻器、門控電路和數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行初始化；單片機(jī)設(shè)置控制信號RT為邏輯‘0’，F(xiàn)PGA的內(nèi)部倍頻器開始工作，外部晶振產(chǎn)生初始脈沖信號，經(jīng)過倍頻器后產(chǎn)生高頻脈沖信號HP ;方波信號Fl和F2經(jīng)過與邏輯后得到相位差信號PD，相位差信號H)再和高頻脈沖信號HP進(jìn)行與邏輯后得到插值信號CZ ;控制信號RT為邏輯‘I’時(shí)，門控電路初始化產(chǎn)生的信號ST為邏輯‘0’，信號END為邏輯‘ I’，計(jì)數(shù)器一和計(jì)數(shù)器二處于清零狀態(tài)；控制信號RT為邏輯‘0’時(shí)，門控電路開始工作，當(dāng)方波信號Fl第一個(gè)上升沿到來的時(shí)候，產(chǎn)生的信號ST翻轉(zhuǎn)，變?yōu)檫壿嫛?’，而信號END不變，仍為邏輯‘1’，計(jì)數(shù)器一和計(jì)數(shù)器二有高頻脈沖輸入，計(jì)數(shù)器一和計(jì)數(shù)器二開始分別對插值信號CZ脈寬內(nèi)的高頻脈沖數(shù)NI和方波信號Fl周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù)N2進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)方波信號Fl第五個(gè)上升沿到來的時(shí)候，門控電路產(chǎn)生的信號END翻轉(zhuǎn)，變?yōu)檫壿嫛甇 ’，則FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器一、二同時(shí)結(jié)束計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值分別鎖存在寄存器一、二中，同時(shí)打開數(shù)據(jù)選擇器；由于END翻轉(zhuǎn)為邏輯‘0’，下降沿信號產(chǎn)生，則單片機(jī)響應(yīng)外部中斷，開始分別讀取寄存器一、二中的計(jì)數(shù)結(jié)果；單片機(jī)是8位的I/O 口，為了提高測量系統(tǒng)的精度，F(xiàn)PGA內(nèi)部的兩個(gè)計(jì)數(shù)器都是24位或者32位，單片機(jī)通過控制數(shù)據(jù)選擇器將寄存器一、二中的結(jié)果讀取到內(nèi)存中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成后控制液晶屏顯示角度值。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的霍爾式角度測量裝置，主要包括轉(zhuǎn)臺(tái)、磁鋼、霍爾傳感器、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和液晶顯示模塊，其特征是，包括:轉(zhuǎn)臺(tái)由超聲波電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，勻速旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)臺(tái)圓周的外側(cè)固定交替排列的永磁磁鋼，在圓周外側(cè)均勻分布；霍爾傳感器為兩個(gè)，對稱分布在永磁磁鋼的兩側(cè)，一個(gè)霍爾傳感器位置固定，另外一個(gè)霍爾傳感器與被測轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分相連接；兩個(gè)霍爾傳感器輸出的信號通入到信號處理模塊，其核心電路由FPGA的內(nèi)部邏輯門電路組成，可以實(shí)現(xiàn)角度測量系統(tǒng)需要的各種邏輯要求；信號處理電路的輸出信號傳送至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊主要由單片機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)角度測量系統(tǒng)需要的各種數(shù)據(jù)處理要求，并將處理后得到的角度值通過液晶顯示模塊顯示。
【文檔編號】G01B7/30GK204007505SQ201420355709
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月22日
【發(fā)明者】姚慶安, 鄭虹, 梁超 申請人:姚慶安, 鄭虹, 梁超