STM32与LabVIEW平台的车用带轮多参数检测仪的研制

2万 · 2019-7-8 11:16

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电流测量。使用4}20mA电流模式，而片内ADC只能对电压采样，通过
以下电路将4}20mA转换为电压输出电路设计如图2.12所示。可以直接使用采样
电阻获得电压，后接一级电压跟随器作阻抗匹配，接入ADC引脚[12]。采样电压范
围0.6一3 V，未充分利用输入电压范围。

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STM32片上有三个独立的ADC，最多能实现三路同步采样，而本系统中设计
6路同步采样，故该方案等时间间隔采样会出现偏差。
方案2:使用外置模擞转换芯片
模数转换芯片的选择，根据本应用的场合和需求，应主要考虑多通道同步采
样及采样范围，其它参考的指标有:采样速率、采样精度、无杂散动态范围、信
噪L匕、孔径误差等[13]0

2万 · 2019-7-8 11:18

由于本文针对的是对电感式传感器和气动式传感器的信号采样，电感式传感
器中输出的是双极性信号，因此ADC的选择上首先考虑其采样范围。设计中使用
了6组采样通道，因此应选择多通道的ADC。系统中对采样的精度要求较高，应
选择非线性度变化较小的器件。本设计在算法处理中，要求同步采样数据，STM32
内置ADC的多通道采集是通过开关复用实现，不能做到6通道同步采集。非同步
采集的数据不同时处在与带轮轴线垂直或平行的线上，使得算法处理出现偏差，
不能反映真实的参数信息。
综上所示，系统选用ADI公司生产的高速多通道模/数转换器AD7606 o AD7606
是8通道双极性的16位ADC，最高可支持200KHz同步采样，积分非线性误差
士O.SLSB，也即与真实值最大偏差士0.07mV o

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电磁阀是实现自动化测量的驱动器，在控制系统起到调整流体介质的方向、
流量、速度等参数。电磁阀从原理上可分为直动式、分布直动式和先导式，本设
计中使用的是先导式电磁阀。当线圈通电，在电磁力作用下使先导孔打开泄压，
此时主阀背腔压力低于进口压力，流体动力在压差作用下推动活塞;当线圈断电，
磁场消失，弹簧复位使得先导孔封闭，与先导孔相连的腔室增压，流体压力和弹
簧力的作用下，活塞复位，关闭阀门[t630
系统中选用的二位三通阀作为气路总开关;
选用先导式S通电磁阀作为气缸执行动作的驱动器，具有二位单电控，内部
弹性密封和过电压自保护功能，相关参数如下:
(1)使用流体:空气;
}2)内部先导式使用压力范围:0.15}0.7MPa
(3)最高动作频率:SHz;
(4)线圈额定电压:24V;
(S)消耗功率:0.4W(带灯)。
电磁阀内部包含感性元件，为避免通断电瞬间的尖峰电压对单片机控制信号
的干扰，常用的隔离方式有继电器隔离、变压器隔离和光藕隔离。本设计中电磁
阀的开关和时间控制精度要求不高，采用TLPS21光藕隔离的方式，使前级和后
端电路之间没有电的直接联系，通过光藕使能端的导通与否，从而实现对后端电
路的控制，也即低电压对外部高压的控制。如图3.b所示为双通道电磁阀控制电
路，1N4004作为续流二极管，反向并联在输出两端，是为了消除断电后线圈产
生的反向电动势，保护元件不会被反电势击穿。
TLPS21-2GB负载端集电极一发射级击穿电压Vc}o=SSV，电流传输比率
CTRS' 1000l0 } Ic最高输出SOmA。为使该电路驱动更大功率的器件，提高通用性，
在光祸负载端接一级三极管电路。

2万 · 2019-7-8 12:35

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磁性开关是利用磁场信号来感应的一种开关器件，系统中用来检测气缸活塞
运动的状态。本设计中选用SMC两线式磁性开关，内部封装了两片磁簧管组成
的触点开关，如图3.7所示，气缸上的磁环靠近时，两根磁簧管被磁化而使触点
闭合，形成电回路;当磁环运动离开后，磁性开关脱离了磁场范围，磁簧管失磁，
触点断开，电信号消失[(m1Us1。根据磁性开关的这种特性可以设计相应的电路来
检测到气缸活塞位置，从而进行下一步的测量动作。

2万 · 2019-7-8 12:36

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步进电机是靠控制输入脉冲数量来实现转动的角度，可用于高精度的定位、
传动、速度控制等，应用广泛[[19]。系统选用减速步进电机，步进角度1.g0，相电
流1A，配以电机驱动器，在电路上仅需要设计相应的接口电路，如PWM、使
能接口、方向位等;电机驱动模块要求脉冲高电压为3.6}SV，单片机产生的高
电平为3.3V，单片机无法直接控制电机驱动器，还需设计电平转换电路。系统
要求电机在测量时匀速转动一圈，因此需要一路固定频率和固定脉冲数的PWM
来控制电机转动一圈。

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方案2:使用光祸进行电平转换
如图3.10所示，CP, ENA是3.3 V信号，经过光祸转换成SV信号，该电路
搭建简单，对于20KHz以下的低速信号可以调制出良好的信号。

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AD7606可对8个模拟输入通道进行同步采样，可采样双极性输入信号，供
电仅需单SV电源。AD7606各模拟输入通道均内置钳位保护电路(钳位电压
16.5V)、数字滤波器(与过采样同步使用)、采样保持放大器、16位高速ADC以
及高速并行和串行接口等，同时所有通道均能以高达200ksps的吞吐速率采样[[20]a
(1)模拟输入范围。
根据系统信号所需的输入范围，通过RANGE引脚选择士SV或士lOV输入范围。
(2)模拟输入阻抗。
AD7606的模拟输入阻抗固定为1 MS2，不随AD7606采样频率变化。较高的
输入阻抗允许传感器信号可以直接与采样芯片的输入引脚相连，简化或免除前置
跟随器的设计。
(3)输入钳位保护。
图3.12显示了钳位电路电压与电流的关系，钳位保护电路允许输入过压
士16.5V o

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(4)模拟输入抗混叠滤波器。
AD7606提供了抗混叠滤波器，在士SV，-3dB带宽典型值为1 SkHz，士lOV
带宽典型值为23kHz o
(S)采样保持放大器。
采样保持放大器在CONVST x的上升沿对8个输入通道进行同步采样，一
个器件的8个采样保持器以及不同器件的采样保持器的孔径时间通过设计保证
严格匹配，因此，一个系统中允许多片AD7606同步采样。AD7606所有通道的
转换时间4},s } BUSY下降沿表示所有通道转换结束。
(6)内部/外部基准电压。
设置REF SELECT引脚，选择AD7606内置2.5 V或外部2.5V基准电压源，
2.5V基准电压会被内部缓冲放大至4.5V，此4.5V是ADC所用的基准电压。
(7)数字滤波器。
AD7606内置一个可选的数字滤波器，在较低采样速率或者更高信噪比或更
宽动态范围的应用中，使用该滤波器能得到更好的采样效果。系统中采样频率较
低，应使用数字滤波器。
OS引脚选择采样倍率，如设置OS=010，即采样倍率4，则在下一个CONVST
上升沿采集各通道第一个采样点，一个内部产生的采样信号采集所有通道的其余
3个点，然后对这些点求均值，从而改进了SNR的性能。表3.3所示为过采样倍
率与采样速率之间的关系。

STM32与LabVIEW平台的车用带轮 多参数检测仪的研制

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