基于MLX90316的方向盤轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)設(shè)計

楊超　韓峻峰　郭毅鋒　田博

【摘 要】本文介紹了一種基于MLX90316霍爾傳感器的方向盤轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MLX90316霍爾元件作為角度采集芯片，STM32作為微控制器，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對方向盤旋轉(zhuǎn)角度檢測并實(shí)時顯示，理論誤差小于0.5°，具有良好的精度，可以滿足方向盤角度的測量要求。

【關(guān)鍵詞】STM32；方向盤轉(zhuǎn)角；MLX90316；檢測系統(tǒng)

0 引言

在當(dāng)今，隨著汽車工業(yè)和檢測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的方向盤轉(zhuǎn)角檢測設(shè)備應(yīng)用在汽車檢測領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)的檢測設(shè)備采用的角度傳感器如磁感式、光電式和磁阻式等，存在機(jī)械磨損導(dǎo)致精度降低，使用壽命不高、抗沖擊震動能力差需要經(jīng)常更換，同時存在采集數(shù)據(jù)量小、計算程序復(fù)雜等缺點(diǎn)[1]。文中提出的方向盤轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)，采用基于三軸霍爾技術(shù)的MLX90316作為角度采集芯片，克服了傳統(tǒng)傳感器存在的機(jī)械磨損導(dǎo)致精度降低、需要經(jīng)常維修更換的缺點(diǎn)，同時充分利用STM32豐富的資源，減少了硬件投資，體積小、成本低，避免了復(fù)雜的程序設(shè)計。

1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)分為MLX90316角度檢測模塊、STM32處理模塊、電源模塊、存儲及LCD顯示模塊，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。首先利用三軸霍爾芯片MLX90316設(shè)計的轉(zhuǎn)角傳感器測得方向盤旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)MLX90316的SPI通訊協(xié)議將角度數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32微控制器，經(jīng)過STM32進(jìn)行處理后在LCD上實(shí)時顯示角度數(shù)據(jù)，利用STM32的（可編程電壓檢測器）PVD可以進(jìn)行掉電存儲，有效保證系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32片上資源簡介

STM32是ST公司發(fā)布的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，Cortex-M3內(nèi)核是ARM公司設(shè)計的32位RISC核心，具有高性能、低功耗、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用增強(qiáng)型芯片STM32F103VC作為控制核心，該款芯片具有256K字節(jié)的FLASH閃存以及48K字節(jié)的RAM，最高運(yùn)行頻率可高達(dá)72MHz，工作電壓為2.0 ～3.6 V[2]。STM32F103VC擁有3路速度高達(dá)2MB/24MHz的SPI設(shè)備接口，3路USART，2路UART串行通信接口，內(nèi)置可編程波特率發(fā)生器，最高可達(dá)4.5Mbit/s，此外，靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC能夠快速訪問NOR FLASH或者NAND FLASH，便于存儲器擴(kuò)展和LCD液晶顯示屏。STM32F103VC豐富的片上資源，簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，降低了系統(tǒng)功耗，能夠滿足系統(tǒng)要求。

2.2 角度信號采集模塊設(shè)計

角度信號采集模塊主要由MLX90316以及外圍電路組成。MLX90316是一款運(yùn)用Melexis公司獨(dú)創(chuàng)Triaxis（三軸霍爾）技術(shù)的傳感芯片。檢測原理如圖2所示，MLX90316采用的差分技術(shù)將垂直于芯片表面的磁感強(qiáng)度B⊥抵消，將平行于芯片表面的磁場強(qiáng)度B||分解為兩個正交的分量Bx||和By||，再通過集磁片IMC將兩個正交分量轉(zhuǎn)化為垂直方向上的分量Bx⊥和By⊥，然后由內(nèi)部平面霍爾元件測量從而產(chǎn)生同步的相位差為90°的正交差分信號，最后經(jīng)過內(nèi)部可編程為14bit或15bit的ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給基于16bit RSIC微處理器的DSP計算得出角度位置信號[3]。計算得到的角度信號可以選擇12bit的ADC或PWM輸出、14bit的數(shù)字串行SPI輸出，本文選擇SPI方式輸出，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，這極大的減小了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，理論分辨率可達(dá)0.022°。

2.3 電源模塊電路設(shè)計

為了便于汽車工業(yè)的應(yīng)用，電源采用車載12V DC供電，同時為滿足MLX90316傳感器的5v 工作電壓及STM32微控制器的3.3V供電要求，采用L7805和AMS1117電源穩(wěn)壓穩(wěn)壓芯片。L7805是一款常用電源穩(wěn)壓芯片，所需的外圍元件少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，AMS1117是正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是本系統(tǒng)電源設(shè)計方案中較理想的選擇。電源電路設(shè)計圖如圖4所示。

2.4 掉電存儲和LCD顯示模塊設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)角度數(shù)據(jù)存儲和防止角度數(shù)據(jù)掉電丟失，系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT45DB161D FLASH存儲器，具有功耗低，容量大，讀寫速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。AT45DB161D工作電壓為2.5V至3.6V，可采用SPI接口進(jìn)行讀寫，最高頻率可達(dá)66MHz容量高達(dá)16MB，支持用戶智能頁面編程，每頁512/528字節(jié)，共4096頁，另外還有兩個512/528字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)[5]。由于系統(tǒng)采用可編程電壓監(jiān)測器PVD來監(jiān)視供電電壓，當(dāng)供電電壓下降到預(yù)設(shè)定的閥值以下時，將產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用FLASH讀寫函數(shù)，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的角度信息通過SPI串行總線保存在AT45DB161D中。當(dāng)供電電壓又恢復(fù)到給定的閥值以上時，也會產(chǎn)生一個中斷，通知軟件供電恢復(fù)。供電下降的閥值與供電上升的PVD閥值有一個固定的差值（PVD遲滯），引入PVD遲滯目的是為了防止電壓在閥值上下小幅抖動，而頻繁地產(chǎn)生中斷，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

為了便于實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)測量的角度信息，設(shè)計了LCD顯示模塊。文中采用驅(qū)動芯片為SSD1289的3.2英寸TFT液晶LCD，分辨率可達(dá)320×240，支持65K色顯示，自帶觸摸屏。采用STM32F103VC的靈活的靜態(tài)存儲控制器FSMC模塊來控制LCD顯示器，將測得的角度信息實(shí)時顯示在LCD上，同時加入觸摸控制，設(shè)計了良好的人機(jī)交互界面。利用FSMC模塊可以對LCD快速讀寫，簡化硬件接口設(shè)計，同時避免了模擬I/O口的復(fù)雜程序設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計使用C語言編程，以高效的ARM開發(fā)環(huán)境Realview MDK為編譯調(diào)試平臺。軟件程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、角度數(shù)據(jù)采集及處理程序、數(shù)據(jù)存儲及顯示程序3個主要部分，程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

基于以上設(shè)計方案，研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了角度測量，試驗(yàn)在0到360°之間進(jìn)行每隔36°的角度測量。測試過程和方法為：將MLX90316傳感器通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，電機(jī)采用42步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，經(jīng)過1/8細(xì)分為0.225°，通過定時器輸出160個PWM脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)動36°，通過串口將角度檢測系統(tǒng)與PC上位機(jī)連接，讀取100組的傳感器數(shù)據(jù)取平均值并保存，其它測量點(diǎn)的測試方法類似，最終試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，系統(tǒng)測試的誤差在±0.5°以內(nèi)，小于汽車方向盤角度檢測所要求的≤±3°，表明本文介紹的基于MLX90316的方向盤轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)具有良好的精度，系統(tǒng)的設(shè)計方法是可靠可行的。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)方向盤轉(zhuǎn)角檢測設(shè)備存在的不足，設(shè)計了一種基于STM32F103VC微控制器和三軸霍爾傳感器MLX90316的轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)，完成了硬件電路設(shè)計和軟件程序調(diào)試，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。同時給出系統(tǒng)測試結(jié)果，試驗(yàn)表明系統(tǒng)的絕對誤差小于0.5°，低于國家機(jī)動車輛方向盤檢測儀規(guī)范要求的≤±3°，具有良好的精確性。該系統(tǒng)硬件投資小成本低，程序簡單，能夠?qū)崟r檢測方向盤旋轉(zhuǎn)角度，具有一定的實(shí)踐意義。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]