霍爾式磁電里程儀系統設計

齊龍妹，馬 戎，李歲勞，周 博

（西北工業大學自動化學院，陜西 西安 710129）

0 引言

里程儀是用于記錄車輛行駛里程的傳感器，目前已經成熟應用并開發的有機械式里程儀、光電式里程儀和磁電式里程儀。對于機械式里程儀，高速行駛的車輛常常造成鋼絲軟軸疲勞斷裂，從而使里程表功能失效，除此之外，還存在著精度低的缺點［1］。光電式里程儀，雖然車輪轉動1周可產生脈沖300個或更多、分辨率高、響應幾乎沒有滯后現象，測量精度達到了10-3m／s［2］，但是安裝困難和成本高，使得光電式里程儀的推廣受到了限制。磁電式里程儀是純電子式里程表傳感器，與機械部件不直接接觸，傳感器探頭與靶輪之間有一定的間隙，代表了目前汽車市場的主流發展方向［3］，具有高可靠性、經濟性和技術性等優點。為了滿足車輛導航在野外和復雜道路狀況下的應用需求，設計了一款低成本、易安裝、可靠性高、測量精度可以滿足普通車輛導航需求的霍爾式磁電里程儀。

1 霍爾傳感器原理與磁路設計

目前，霍爾效應傳感器已廣泛應用于精密測磁、自動化控制、通信、計算機和航天航空等工業部門及國防領域［4］?；魻柺絺鞲衅魇抢没魻栃谱鞯囊环N磁電轉換元件，分為線性霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器。線性霍爾元件輸出的是模擬量，而開關型霍爾元件輸出的是數字量。線性霍爾元件的輸出電壓與磁感應強度成正比，直接或間接引起磁場變化的物理量均可成為其檢測的對象，可以感受很小的磁場變化，但是在獲取信息的同時也向應用系統引入了干擾或產生零點漂移，通過軟硬件算法處理可以把引入的干擾消除。能夠將許多非電物理量如力、位移、速度、角度、轉數和轉速等，轉變成電量來進行檢測和控制［5］。開關型霍爾傳感器的最小檢測距離是固定的，考慮到車輛在行駛過程的震動和顛簸會使檢測距離變化，適用性不強，所以本里程儀的設計選用線性霍爾器件作為測量元件，通過實時采集與磁場強度成正比的電壓信號，經過軟件和硬件處理，保證信號的可靠性檢測。

霍爾傳感器在磁電式里程儀系統中工作原理是：當傳感器的旋轉機構在外驅動作用下旋轉時，會帶動永久磁鐵旋轉，穿過霍爾元件的磁場將產生周期性變化，引起霍爾元件輸出電壓變化，并通過后續電路處理提取車輛里程信息。

可靠的磁路設計是準確測量里程信息的前提。在設計中將永磁體安裝在車輛的輪轂上，以輪轂的安裝中心軸為圓心，將磁體均勻安裝在汽車的輪轂上（如圖1所示），增加安裝磁體的安裝個數，可以提高里程儀的測量精度。通過實驗可以測得，當永磁體同名安裝在車輛輪轂上時，若永磁體之間距離15 mm以上，則每個永磁體產生的磁場幾乎不受影響，而當永磁體之間的距離相距小于10mm時，每個磁體產生的磁場之間相互作用使得磁體周圍的磁感應強度增大。所以，如果磁體之間的距離相距小于10 mm時，選擇相鄰磁體之間異名安裝，這樣采用合適的閾值判斷方法，可以提高測量精度。同時，當車輛的輪轂材料不同時，對磁體的磁場有影響，通過理論分析和實驗驗證，當車輛輪轂采用含鐵量較高的金屬時，會使得磁體產生的磁場加強，也就是金屬被永磁體產生的強磁場磁化，同時加強了永磁體產生的磁場強度。當車輛輪轂采用鋁合金材料時，因為鋁合金是抗磁性物質，對磁路幾乎沒有影響。

圖1 永磁體安裝

2 信號調理電路

選擇型號為N35的NdFeB永磁材料作為永久磁鐵，規格為直徑3mm×厚度2mm的圓柱形。選用型號為UGN3503的線性霍爾傳感器作為磁場感應元件，UGN3503具有極高的靈敏度，響應速度可達23kHz，工作電壓為4.5～6V，低噪聲輸出。由于周圍磁場的變化會使得傳感器的靜態輸出有微小的跳變。為了使得傳感器靜態輸出時不受溫度和周圍干擾磁場的變化影響，采用差分輸入［6］，如圖2所示。選用兩片霍爾元件，這樣能夠減小溫度和干擾磁場對霍爾元件造成影響?；魻杺鞲衅鞯墓╇婋妷簽?V時，傳感器的靜態輸出為2.48V，當磁體在距離傳感器5～20mm范圍變化時，輸出電壓的變化范圍為2.48～2.7V，差分輸入時傳感器的變化范圍為0.22V。當磁鋼的N極作為激勵時，傳感器的差分信號輸出為0～0.22V，可以將信號放大6倍。這樣可以在很大程度上提高里程儀的非接觸檢測距離。

圖2 信號調理電路

3 單片機系統設計

經過調理的信號需要微控制器進行信號采集、信號處理和數據傳輸。系統控制器單元主要考慮其必須滿足：封裝小、帶有一定采樣精度的 A／D、UART、片內JTAG仿真以及豐富的存儲空間等。綜合考慮上述主要因素，最終選擇了Cygnal公司的C8051F005單片機作為主控芯片，其12位A／D采樣速率最大可以達到100kHz。內部集成了異步串口通訊功能，可以工作在全雙工方式。通過控制寄存器選擇4種工作方式（1種同步方式，3種異步方式），通訊速度、起始停止位也可以根據需要進行設置。UART對外有2條獨立的收發引腳，接收和發送電平均為TTL電平。設計中采用外部晶振，主時鐘可以通過一個晶體或陶瓷諧振器并接XTAL1和XTAL2而得到。通過CROSSBAR，軟件配置P0.0和P0.1分別為發送和接收端口。

如圖3所示，磁電式里程儀系統通過串口與主計算機相連，由于系統中數據發送和數據接收距離并不遠，而且通信速度要求不高，因此設計時選用串行通信中應用最廣泛的RS232接口進行數據傳輸。又由于單片機UART通信電平為TTL電平，不能直接與電腦進行通信，中間必須要進行電平轉換，所以轉換芯片選用MAX3232ESE。

圖3 磁電式里程儀結構

在實際應用中，由于傳感器的輸出信號有正有負，為了使得信號都能夠被放大，而且都能夠被單片機所采集，就需要將雙極性信號轉換到ADC的有效輸入范圍內，可以利用AD623的參考電壓解決這個問題，即需要將參考電壓至少提高到1.2V。系統將C8051F005單片機的基準電壓端VREF（2.45 V）通過運算放大器AD8606變換成1.2V，然后將1.2V的基準電壓加到AD623的REF端，使輸出電壓的零點偏移到1.2V，正好對應C8051F005單片機A／D轉換的輸入范圍，保證ADC的采樣輸入電壓大于0。經過信號調理電路之后，A／D采樣到的原始信號如圖4所示。

可以看出，雖然經過了信號調理，但是輸入信號仍然存在很大的噪聲，所以在軟件處理中采用數字濾波算法，將信號進行平滑處理。

圖4 A／D采樣得到的原始信號

將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以采用軟件算法來模擬硬件濾波的功能，低通濾波算法為：

Xn為本次采樣值；Yn-1為上次的濾波輸出值；a為濾波系數，其值通常遠小于1；Yn為本次濾波的輸出值。

本次濾波的輸出值主要取決于上次濾波的輸出值，本次采樣值對濾波輸出的貢獻是比較小的，但多少有些修正作用，這種算法模擬了具有較大慣性的低通濾波器功能。濾波算法的截止頻率為：

π為圓周率，取3.14；a為濾波系數；t為采樣間隔時間。此處a=1／4，低通濾波的截止頻率為1990Hz。

低通濾波后的結果如圖5所示，與圖4進行對比可以看出，信號的高頻噪聲濾除效果明顯。

圖5 低通濾波后的信號

本設計中假設汽車的最大行駛速率為100km／h，汽車的輪胎周長為1.5m，計算出汽車的轉動頻率為f=（100000／1.5）／3600=18.5158Hz。按照預定在車輪上最多安裝100個磁體時，磁信號最大頻率f=1851.85Hz，里程儀的理論精度可以達到0.015m。若采用相鄰磁體的磁極相反安裝方式，則傳感器輸出信號的最大頻率為f=925.9Hz。但是單片機的A／D采樣率最大極限為100kHz，此時信號變化頻率為1.852kHz，因為濾波算法為經過數字低通濾波后采樣10個點作為1組數，對這組數據進行算術平均，再進行閾值判斷，所以50kHz的采樣速率采1.852kHz的信號，在信號1個周期內可以采樣53個點，可以滿足要求，A／D采樣間隙為20μs。串口的數據更新速率為100Hz，也就是每隔10ms，串口更新1次數據。利用A／D采樣速率來確定數據的更新時間，當A／D采樣50個點的時候，時間為10ms，此時置位發送標志位，里程儀通過串口傳送數據。定義數據傳輸格式為7個字節，數據幀的幀頭為aa，幀尾為55。第2個字節到第6個字節是里程脈沖數，依次從低位到高位。磁電式里程儀系統軟件的總體設計流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

4 實驗驗證

將里程儀安裝在經過改裝的江鈴全順6593D2-H型客車上，磁體安裝在車輛輪胎的外周上。當車輛行駛時，與車體固定在一起的線性霍爾元件能夠檢測到周圍磁場的變化，當磁鐵離霍爾元件最近時，電壓最大，霍爾元件輸出的是正弦波形，通過檢測波形中波峰點的個數達到里程計數的目的。實驗中霍爾元件與磁鐵的距離檢測為20mm。當安裝100個磁體時，里程儀的刻度因子（輪胎周長為1.5m）為0.015m。里程儀發送數據為7個字節，數據幀的幀頭為aa，幀尾為55。里程儀將里程數通過串口實時發送，為了實驗中能方便接收數據，使用NI公司開發的 LabWindows／CVI［7］軟件開發了數據接收軟件。

數據接收軟件主要完成下面幾個功能：

a.接收下位機的里程計數，與用戶輸入的里程儀刻度因子進行運算，計算車輛行駛里程。同時每1s更新1次速度信息。

b.通過使用上位機程序里面的計時模塊，將時間信息、里程信息和速度信息保存為文本文件，便于對數據進行進一步的處理。

c.能夠手動配置端口通信參數。

d.實時將接收到的數據在接收窗口欄顯示。

將設計的磁電式里程儀測得數據與實驗室現有光電式里程儀測得數據進行對比，如表1所示，最大測量絕對偏差為0.0135m，小于刻度因子0.015 m，滿足車輛導航的應用要求。

表1 實驗結果 m

5 結束語

在分析了現有常用里程儀的優缺點之后，提出了霍爾式磁電里程儀的設計方案，最后通過跑車實驗驗證了該系統能夠提高非接觸測量檢測距離，最高測量精度可以達到0.015m，滿足車輛導航的應用要求。另外，安裝方式簡單和低成本，使得該設計具有很大的實用價值。

［1］尚峰斌.車速里程表的工作原理及優缺點［J］.汽車實用技術，2012，（10）：55-57.

［2］王耀金.高精度里程儀測速精度研究［D］.西安：西北工業大學，2007.

［3］劉 鷹，胡彥亮.基于數字式里程儀的INS／里程儀導航系統［J］.彈箭與制導報，2008，28（4）：59-78.

［4］林紹華.霍爾傳感器原理及在車速傳感器中的應用［J］.輕型汽車技術，2003，12（5）：14-16.

［5］邱淑賢.霍爾式汽車車速傳感器檢測系統［J］.長春工業大學學報，2010，31（3）：319-323.

［6］楊俊恩，孟志東，楊國鵬，等.差分霍爾傳感器的轉速測量技術研究［J］.儀表技術，2010，（10）：66-70.

［7］王建新，楊世風，隋美麗.LabwWindows／CVI測試技術及工程應用［M］.北京：化學工業出版社，2006.