基于FPGA的扭矩转角传感器仿真信号发生器_卢俊杰.pdf

第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：国家自然科学基金项目（）；国家自然科学基金项目（）收稿日期：修改日期：，（，；，）：，：；：基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器卢俊杰，郑永军，罗 哉，王彦明，胡晓峰，郭 斌（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州；杭州沃镭智能科技股份有限公司，浙江 杭州）摘 要：针对 控制器试验台设计中接入扭矩转角传感器存在成本高和微处理器无法输出多路同步 信号的问题，设计了基于 的仿真信号发生器来模拟真实扭矩转角传感器输出的 路 信号。通过硬件电路设计实现模拟电压、和 三种方式输入目标扭矩和转角信号。基于 实现系统的信号采集和数据处理。利用 并行架构设计了通用型 协议模块实现多路同步信号的输出，该模块支持节拍时间，帧总长度等多项参数配置。最后，采用逻辑分析仪对输出波形多次测量，验证了系统的精度满足设计要求。关键词：；扭矩转角传感器；协议；仿真信号发生器中图分类号：文献标识码：文章编号：（）电动助力转向系统（，）具有节能环保、安装方便、效率高、路感好和回正性好等优点，是汽车转向系统的发展方向。主要由扭矩转角传感器、车速传感器、汽车电子控制单元（，）、助力电机和转向器等组成。检测扭矩转角传感器和车速传感器传输的信号判断 系统的工作模式，进而控制助力电机旋转方向和电流大小产生合适的转向助力。控制器总成包括助力电机和，目前在 控制器总成进行各项性能测试中都需要接入扭矩转角传感器，但由于扭矩转角传感器存在成本高，交样周期长和安装复杂等因素，时常满足不了测试需求，因此需要开发扭矩转角传感器仿真信号发生器来模拟真实的扭矩转角传感器所发出的单边半字节传输（，）信号供 使用。微处理器的架构无法通过软件输出多路同步 信号，国内对 协议的研究也只有对传感器输出 协议进行解析方面的资料。目前国外已有不少内部集成 硬件模块的微处理器，如 公司的 系列微处理器集成了两个 硬件模块，但通过多块微处理器级联来扩展，存在成本高，硬件资源冗余问题。针对以上问题，本文设计了一款基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器，可以将工控机发送的第 期卢俊杰，郑永军等：基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器 目标扭矩和目标角度信号转换为六路同步 信号。通信协议是美国机动车工程学会（，）推出的一种汽车传感器，与 通信的新标准（），相比于模拟输出和 输出，具有更高的数据传输速度和更好的抗干扰性，并且具有故障诊断能力，未来将在局部系统中广泛取代 和 总线。扭矩转角传感器原理图 所示是一款目前 应用较多的电磁式扭矩转角传感器的结构图，利用了交变电磁感应的原理测量转子的位置，也是本系统模拟的对象。方向盘的扭矩通过扭杆的变形转换为输入轴和输出轴之间的相对转角，由式（）实现对扭矩信号的测量：（）式中：为轴相对转角；为方向盘扭矩；为扭杆有效长度；为扭杆材料剪切模量；为扭杆截面极惯性矩；为扭转刚度，只与扭杆形状和材料有关。图 扭矩转角传感器结构图图 传感器输出转角信号特性曲线图方向盘的转角通过对输入轴的绝对转角进行测量，方向盘的转角量程为 ，一般采用大齿轮与输入轴相连，大齿轮带动小齿轮，测量小齿轮和转子的转角以游标算法（）实现量程的扩展。图 所示为传感器输出的表示转角信息的 信号特性曲线图，纵坐标为 信号中的数字量，其中 信号以 为周期，共 个周期，信号以 为周期，共 个周期，在每段 范围内任意角度值均存在唯一的 和 信号值组合与其对应。通信协议 协议通过两个下降沿之间的一系列脉冲序列来传输数据，如图 所示。用节拍（）作为时间单位，每个脉冲的逻辑高电平固定时间为 个节拍。如表 所示，同步脉冲是 帧的头部，低电平时间为固定的 个节拍。状态脉冲、数据脉冲和 脉冲称为（半字节），逻辑低电平时间为（）个节拍，用来表示 的数据，因此 可以为 至。状态脉冲可以传递传感器故障信息，数据脉冲可以表示两个 的数字量，即 至 ，循环冗余校验（）脉冲校验数据脉冲，暂停脉冲用来保证每一帧 的总长度是一样的。图 帧脉冲序列图表 帧标准格式脉冲序号内容脉冲序号内容同步脉冲数据 的低 状态脉冲数据 的中间 数据 的高 数据 的高 数据 的中间 校验数据 的低 暂停脉冲图 主、副扭矩信号与数字量关系图 本系统输出六路，其中 和 分别包含主、副扭矩信号；和 分别包含主、副转角信号；表示转角信号，高、低逻辑电平与前两路相反，即逻辑低电平固定时间为 个节拍；，与前三路 完全相同，用于提高传感器精度。对于工控机输入的目标扭矩值，首先由系统设置的扭矩刚度和式（）得到轴相对转角，如图 所示为轴相对转角 与 数字量的分段函数关系，其中 为传感器的有效测量范围，为机械测量范围，在有效测量范围内 数字量与轴相对转角线性关系为式（），同时为了提高传输可靠性，主、副传 感 技 术 学 报第 卷信号的 数字量之和应为 。（）对于工控机输入的目标转角值，首先通过求余算法分别得到 转角 和 转角，使用 数字量 至 来线性表示转角，则 数字量与 和 线性关系分别为式（）和式（），同理 转角主、副信号的数字量之和应为 。（）（）硬件电路设计图 为硬件电路设计原理图。本系统支持模拟电压、脉冲和 三种方式来传输目标扭矩和转角信号。首先，两路 至 模拟电压或占空比 至 幅值 频率 的 脉冲分别通过 位 芯片 和基于 芯片的光耦隔离电路得到 扭矩和 至 转角信号；串口通过 接口，经过电平转换芯片 将目标扭矩和转角信号通过命令帧的方式发送给。图 硬件设计原理图表 为串口发送的命令帧格式（进制表示），其中前两个字节“”是为了提高传输的可靠性，再接收到字节“”，那么后面接收的四个字节就表示目标扭矩和转角值，同理，串口可以传输与传感器输出特性相关的设置参数值。表 命令帧格式命令帧（）功能初始值 目标扭矩和转角值，输入方式模拟输入 扭矩刚度 （）节拍时间 帧总长度 个节拍 故障注入 其次，屏用来显示当前扭矩和转角值以及设置参数值，同时四个按键实现与表 串口相同的设置参数功能。再次，接线端子提供 的 电源经过 转换和稳压芯片及其外围电路变换为 ，电源网络为其他模块供电。最后，通过三个数字隔离芯片 实现 与输出信号的相互隔离及 至 的电平转换。图 所示为基于 的双通道隔离电路，左侧为 引脚输出的两路 信号，右侧为 的两个扭矩转角传感器输入接口，管用于抑制瞬态电压。图 双通道隔离电路 逻辑设计 作为本系统的主控单元，其逻辑设计是仿真信号发生器性能的关键，型 的逻辑设计采用 官方推出的 开发环境，主要包括了数据模块、交互模块和应用模块，内部逻辑设计框图如图 所示。图 内部逻辑设计框图数据模块主要接收工控机通过模拟电压、和串口发送的目标扭矩和转角信号：控制模块通过 通信控制 芯片对两路模拟电压以 周期采样，经过 内部 倍过采样功能和 数字滤波器模块滤波后，得到两个 至 数字量；采集模块利用 系统时钟和 触发器对异步输入信号的上升沿和下降沿捕捉，得到两组逻辑高、低电平的计数值；串口 接收模块根据 协议与工控机通信，每接收到一个字节会产生一个系统时钟周期的脉冲信号。交互模块主要把数据模块通过三种方式得到的信号转换为目标扭矩和转角值：以模拟电压为例，式（）为模数转换和扭矩、转角值转换公式。第 期卢俊杰，郑永军等：基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器 ；（）；（）式中：表示输入的模拟电压，表示模数转换结果，由于 不能存储浮点数，直接对结果取整误差较大，因此数据处理与存储模块将 转换后的数字量通过化简后的式（）分别得到放大 倍的扭矩值和 倍的转角值并寄存，其中除法通过移位算法实现可以减少硬件资源消耗，取整误差最大值分别小于 和，符合要求。命令解析模块和按键处理模块采用状态机设计，将得到的扭矩、转角值和设置参数值传输到数据处理与存储模块寄存，同时根据参数“输入方式”，数据处理与存储模块中的三选一选择器输出当前输入方式的扭矩和转角值；控制模块控制 接口将寄存器中的数据实时显示。应用模块是 设计的核心：计算模块把交互模块传输的扭矩、转角值和扭转刚度，根据式（）式（）转换为 帧中数据脉冲的半字节数据，其中扭矩值和扭转刚度的除法采用了除法器 核，同时计算公式中出现浮点数，而 只能处理整数，因此采用定点数算法：；（）式中：表示浮点数，表示整数，为定点位置取。最后，个 协议模块根据交互模块传输的设置参数，将待发送的 数字量组成 帧，不断输出 路同步 信号。图 协议发送模块逻辑架构图 通用 协议模块本文基于 设计了一个通用的 协议发送模块，图 所示为所设计模块的逻辑架构图，该模块可配置参数包括：表示每个脉冲中固定节拍数为逻辑高或低电平；表示模块输入时钟 的周期，单位为；表示一个节拍的时间，单位为；表示一个 帧的总节拍数；表示状态脉冲的 数字量。通过输入两个待发送 数据的组合 和模块使能信号，模块就会连续地输出相应的 信号。协议发送模块由 校验模块、节拍计算模块和组帧模块组成。在节拍计算模块中，首先，利用 的除法器 核“”计算 得到一个节拍时间的计数值，若系统时钟周期已知，可以采用移位算法取代除法器 核，进一步减少 资源消耗。其次，以 为判断条件，分别根据 信号计算状态脉冲、根据 计算数据脉冲、根据 校验模块的结果计算 脉冲、根据（前面脉冲序列的节拍数之和）计算暂停脉冲的逻辑高、低电平的计数值。在 中，为了检测数据传输中可能出现的错误，需要对数据脉冲即 个 进行 校验。其中校验结果用 即 个 表示，初始种子值为，生成多项式为式（）所示。（）（）具体实现过程见图，采用了 元素的查找表法。上电时，将 个元素保存在 中；当组帧模块的状态机处于 状态时，给 和 赋初值，接着经过 个系统时钟周期的异或运算得到当前帧的 校验结果。其中，校验的运算时间只要保证在状态机进入状态 之前即可，因此也可以在状态机前 个状态中计算。图 校验模块流程图组帧模块由状态机组成，该状态机使用了 个状态采用独热码编码，分别为、和图 每个脉冲序列低、高电平各一个状态。本模块状态机跳传 感 技 术 学 报第 卷转条件较简单，因此采用二段式结构：当在 状态下检测到 为逻辑高电平，则跳转到 状态；其余的状态都是比较系统时钟计数器和节拍计算模块得到的当前状态计数值，进而判断是按 帧顺序跳转到下一状态还是停留。最后，通过组合逻辑根据状态机所处的状态输出 结果。在 的 开发环境中对 协议发送模块综合，得到 资源使用情况见表。表 硬件资源使用情况资源使用情况 实验结果为了验证本设计能够模拟真实的扭矩转角传感器，因此采用直流电源 分别输出直流电压 、作为模拟电压输入，该直流电源的电压精度为（读数 位）可以满足传输目标扭矩和转角信号的精度要求。根据式（）计算出模拟电压对应的 转换结果分别为，对应的扭矩值（）分别为，对应的角度值（）分别为，。将系统的扭矩刚度设置为 ，则对应的轴相对转角 分别为，同时对应的 转角分别为，转角 分别为，。图 为搭建的实验平台，其中 为仿真信号发生器，为 数字逻辑分析仪，为直流电源。通过逻辑分析仪对仿真信号发生器输出的 路 波形进行观察。图 实验平台搭建图设置仿真信号发生器的节拍时间 为 ，帧总长度为 个节拍；数字逻辑分析采样率 ，采样 。图 为数字逻辑分析仪捕捉到 路 波形，测得同步脉冲低电平时间 为 ，则 符合 协议标准。对 组模拟电压输入产生的波形，分别随机选取 个 帧解析，提取数据脉冲中包含的扭矩和转角值并取平均作为结果，测试结果如表 表 所示。公司的电磁式扭矩转角传感器的精度为转向扭矩角，转向角度，结果表明本系统的误差均小于 满足精度的设计要求。图 数字逻辑分析仪波形图表 轴相对转角（转向扭矩角）目标值（）数字量实际值（）误差（）表 转角（转向角度主信号）目标值（）数字量实际值（）误差（）第 期卢俊杰，郑永军等：基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器 表 转角（转向角度副信号）目标值（）数字量实际值（）误差（）最后，将仿真信号发生器接入 控制器试验台，工控机中 程序发送阶梯变化的目标值并采集 信号结果见图，其中同样阶梯变化的曲线表明系统功能正常。图 工控机 程序界面图 结束语本文根据 控制器试验台设计中对模拟扭矩转角传感器的需求，设计了一款基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器，经实验验证，本系统的精度满足设计要求，并能在试验台中使用。后续 和 可以选用低成本芯片替换。本文基于 设计的 协议模块多项参数可配置，具有较好的通用性，可以方便的移植到其他类型传感器的仿真信号发生器设计中，对国内 协议的研究和 控制器试验台的研发具有实用价值。参考文献：李琤 汽车电动助力转向系统匹配设计及性能分析 机械强度，（）：刘永春，王秋花，郭庆波，等 基于普通 实现 接口数据的采集 汽车电器，（）：周振齐 车载 协议解码方法 中国集成电路，（）：王乾，叶雨欣，王渊，等 多传感模块融合的空气流量计的设计 仪表技术与传感器，（）：李志鹏，王博男，孟旭，等 电磁式扭矩传感器原理、研究现状及发展趋势 仪器仪表学报，（）：许猛 电动拖拉机电动助力转向系统研制南京：南京农业大学，李志鹏，孟旭，赵青青 声表面波扭矩传感器仿真分析与试验研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：赵浩 基于 的感应移相式扭矩测量系统 传感技术学报，（）：宋昌平，侯训波，刘晓文，等 系统传感器角度信号静态标定及算法解析 汽车零部件，（）：，（），（）：王磊，李翔，胡建荣 基于 技术的电荷信号发生器设计 核动力工程，（）：康信文，唐杰，张彤 基于 的 气体测量系统 传感技术学报，（）：龚泯宇，郭世旭，田皓文，等 基于 的低噪声高保真数字水听器设计 传感技术学报，（）：卢俊杰（），男，中国计量大学计量测试工程学院，硕士研究生，主要研究仪器仪表设计及信号处理，；郑永军（），男，中国计量大学计量测试工程学院，副教授，主要从事智能仪器开发、信号处理与分析方面的研究，。