石　煒，朱光宇

(福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福建福州　350108)

0　引言

文中設(shè)計了一種基于L3G4200D陀螺儀和C8051F040單片機的非接觸式角度傳感器，能夠以CAN協(xié)議格式輸出方向盤轉(zhuǎn)動的角速度和角度。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動角度大于一周時，也可準確得到方向盤轉(zhuǎn)動角度。文中設(shè)計的傳感器實現(xiàn)非接觸式測量，具有體積小、精度合理、成本較低、可靠性較高等優(yōu)點。

1　系統(tǒng)的測量原理

根據(jù)陀螺儀傳感器對平動加速度不敏感，只對敏感軸上角速度敏感這一特點，可知陀螺儀的直接輸出值是相對敏感軸的角速度。文中設(shè)計了一種以陀螺儀傳感器作為核心測角元件的方向盤轉(zhuǎn)角測量方法，測量結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測量結(jié)構(gòu)示意圖

在轉(zhuǎn)動部件和PCB板上分別設(shè)置第一、第二陀螺儀傳感器，兩片陀螺儀的敏感軸均平行于方向盤轉(zhuǎn)軸的軸線。轉(zhuǎn)動部件跟隨方向盤轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)動部件還與時鐘彈簧轉(zhuǎn)子固定連接，時鐘彈簧定子和PCB板均設(shè)在傳感器外殼上，所述外殼固定于機動車體上。

利用時鐘彈簧的轉(zhuǎn)子出線端與定子出線端電氣連接的特性，將第一陀螺儀的各輸入輸出線路與時鐘彈簧的轉(zhuǎn)子出線端電氣連接，將PCB板與時鐘彈簧的定子出線端電氣連接，從而實現(xiàn)第一陀螺儀的各輸入輸出線路與PCB板的電氣連接。

如圖2所示，機動車行駛在平面L上時，方向盤轉(zhuǎn)軸與平面L所成角度為α，平面K是垂直于方向盤轉(zhuǎn)軸的一個平面。當(dāng)車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向時，平面L上機動車自身具有的偏航率v在平面K上的投影即對方向盤轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的角速度ω2i=v·sinα．

圖2　偏航率投影示意圖

因為第一、第二陀螺儀的敏感軸均和方向盤轉(zhuǎn)軸的軸線平行，所以第一陀螺儀測量的是平面K上方向盤轉(zhuǎn)軸相對于地面的角速度ω1i，第二陀螺儀測量的是車身偏航率在平面K上的投影角速度ω2i，于是可以得到：

翻譯所賴以生存的外部文化背景，同樣影響著翻譯實踐，制約甚至操縱著譯者的具體翻譯行為。作為文化的載體，不同的語言映射并承載著不同的文化內(nèi)涵。文學(xué)翻譯實踐中，譯者如果對原文本的文化背景了解不夠，某種程度上忽略了文化差異,對原文的理解便會依賴或局限于自己所處的文化氛圍，就會導(dǎo)致偏差，出現(xiàn)誤譯。例如：

ωi=ω1i-ω2i

式中：ωi為平面K上方向盤轉(zhuǎn)軸相對車身的角速度。

根據(jù)運動學(xué)原理，角度等于角速度在時間上的積分，對ωi進行時域積分運算即可得到方向盤轉(zhuǎn)角θ．在數(shù)字系統(tǒng)中，其離散型方程如下：

式中：θ0為初始角度；ωi為角速度；Δti表示采樣數(shù)據(jù)的時間間隔。

2　系統(tǒng)組成與硬件設(shè)計

根據(jù)上述原理設(shè)計的方向盤轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)主要由陀螺儀信號采集模塊、單片機數(shù)據(jù)處理模塊、霍爾角度校正模塊和CAN總線發(fā)送模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框圖

選用C8051F040單片機作為系統(tǒng)的微處理器，該芯片帶有64個數(shù)字I/O引腳，可以對外部器件進行邏輯控制，片內(nèi)集成CAN2．0B控制器和Flash存儲器[3]；選用L3G4200D作為陀螺儀傳感器，該器件是一款三軸數(shù)字陀螺儀，量程最大可達±2 000 dps，提供一個16位數(shù)據(jù)輸出，以及可配置的低通和高通濾波器等嵌入式數(shù)字功能，即使時間推移或溫度變化，這該器件仍能保持連續(xù)穩(wěn)定的輸出[4]。

2．1I2C接口電路

L3G4200D的通信接口兼容SPI或I2C接口。文中采用C8051F040微處理器與2片L3G4200D通過I2C(半雙工模式)協(xié)議通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。

如圖4所示的I2C接口電路中，C8051F040為主器件，L3G4200D為從器件，L3G4200D的從地址由SDO引腳的輸入決定，SDO接高電平時，從地址為1101001b；SDO接低電平時，從地址為1101000b。因此在同一I2C總線中允許同時連接兩個L3G4200D而不發(fā)生地址沖突。

圖4　I2C接口電路圖

2．2CAN總線接口電路

文中選用CTM1050收發(fā)器，CTM1050是集成電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線保護于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，該模塊TXD、RXD與CAN控制器發(fā)送、接收引腳直接連接，不需要外接其他元器件[5]。圖5為CTM1050與C8051F040連接原理圖，C8051F040的CANTX和CANRX分別為報文輸出和輸入端，經(jīng)過總線收發(fā)器CTM1050連接到CAN總線上。

圖5　CAN收發(fā)器電路圖

2．3角度校正模塊

根據(jù)上述原理設(shè)計的轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)，誤差主要來源于對角速度積分的不精確。同時，采樣頻率越快，積分時間間隔越小，測量精度越高。由于這種誤差會隨著時間逐漸累積，文中設(shè)計了角度校正功能，保證了角度值的長時間測量精度。設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示，在轉(zhuǎn)動部件上設(shè)置永磁體，在PCB板上設(shè)置由永磁體觸發(fā)的霍爾開關(guān)器件，每當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動到校正點位置都會發(fā)生角度校正，該校正點對應(yīng)于，當(dāng)方向盤位置回正時，永磁體觸發(fā)霍爾器件，此時霍爾器件輸出的電信號發(fā)生跳變，通知微處理器校正角度值。

圖6　角度校正模塊結(jié)構(gòu)圖

規(guī)定方向盤旋轉(zhuǎn)軸的回正位置為轉(zhuǎn)角的零點，順時針轉(zhuǎn)動為正，逆時針轉(zhuǎn)動為負，方向盤轉(zhuǎn)角范圍-780°<θ<+780°。發(fā)生校正時方向盤轉(zhuǎn)角θ的正確值可能為0°、±360°、±720°，設(shè)計如下校正方法：

發(fā)生角度校正時，若-90°<θ<+90°，則θ重置為0°；若+270°<θ<+450°，則θ重置為+360°；若-450°<θ<-270°，則θ重置為-360°；若θ>+630°，則θ重置為+720°；若θ<-630°，則θ重置為-720°。只需滿足當(dāng)發(fā)生角度校正時角度誤差小于±90°，該校正方法有效。

2．4掉電存儲模塊

文中設(shè)計的測角方法屬于相對角度測量而不是絕對角度測量，即傳感器掉電再重新上電后無法得知方向盤的初始轉(zhuǎn)向角度。為了解決這一問題，采用方案為：在PCB板上設(shè)置掉電保護電路，當(dāng)?shù)綦姳Ｗo電路檢測到主電源即將掉電(即電源電壓下跌)時，掉電保護電路將電源切換到備用電池供電，并向微處理器發(fā)送掉電信號，微處理器收到掉電信號后進入掉電工作狀態(tài)，將轉(zhuǎn)角值保存到微處理器自帶的FLASH存儲器中，這樣傳感器重新上電后讀取掉電前存儲的轉(zhuǎn)角值即為當(dāng)前初始轉(zhuǎn)向角度。

3　軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序設(shè)計主要分為4部分：I2C接口的數(shù)據(jù)采集程序、角度算法程序、外部中斷處理程序和CAN總線發(fā)送程序。系統(tǒng)工作在連續(xù)實時測量狀態(tài)下，初始化結(jié)束后，處理器首先讀取FLASH中存儲的初始角度值，隨后處理器分別采集兩片L3G4200D的角速度信號，對角速度信號進行處理，求得角度值并發(fā)送到CAN總線上，一次完整的測角過程完成。程序執(zhí)行過程中有中斷響應(yīng)發(fā)生時，進入相應(yīng)的中斷處理程序。軟件處理流程圖如圖7所示。

圖7系統(tǒng)軟件流程圖

4　實驗分析

轉(zhuǎn)角對比實驗以型號為LWS3的轉(zhuǎn)角傳感器作為角度基準。將LWS3轉(zhuǎn)角傳感器與設(shè)計的轉(zhuǎn)角傳感器固定在同一根旋轉(zhuǎn)軸上，由上位機分別接收兩個轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度值。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一定角度時，記錄LWS3轉(zhuǎn)角傳感器輸出的基準角度值和設(shè)計的轉(zhuǎn)角傳感器輸出的實測角度值，并計算實測角度的線性度。為了充分考察傳感器小角度和大角度測量的精度，試驗在0～90°之間每間隔30°取一個測量點；在90～360°之間每間隔90°取一個測量點；在360～720°之間每隔180°取一個測量點。關(guān)閉霍爾角度校正模塊的條件下，試驗結(jié)果如表1所示；開啟霍爾角度校正模塊的條件下，試驗結(jié)果如表2所示。

表1　關(guān)角度校正對比試驗結(jié)果

表2　開角度校正對比實驗結(jié)果

從表1和表2的結(jié)果可以看出，開啟霍爾角度校正模塊后，角度數(shù)據(jù)的線性度和測量可靠性都比開啟前有了明顯提高，實驗測量結(jié)果較好。文中沒有對采集的角速度信號進行濾波和數(shù)據(jù)的融合，若進一步做好濾波和融合的處理，測量精度可進一步提高。

5　結(jié)束語

文中提出了一種基于陀螺儀傳感器的方向盤轉(zhuǎn)角測量方法，并給出了設(shè)計的轉(zhuǎn)角傳感器的軟件和硬件的具體實現(xiàn)方法。該轉(zhuǎn)角傳感器測量方法簡便，裝置結(jié)構(gòu)簡單，屬于非接觸式測量。經(jīng)調(diào)試，其性能穩(wěn)定，工作可靠，能通過CAN總線接口輸出數(shù)據(jù)，并且還可擴展各種總線接口完成通信，具有更佳的實用性和經(jīng)濟性。

參考文獻：

[1]張英福．巨磁電阻在方向盤轉(zhuǎn)角傳感器中的應(yīng)用．重慶工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，23(10)：17-20．

[2]楊財，周艷霞．方向盤轉(zhuǎn)角傳感器研究進展．傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(11)：1-4．

[3]Silicon Laboratories．C8051F04x Datasheet[DB/OL]．(2005-12-13)．[2013-05-15]．http：//www．silabs．com/Support Documents/TechnicalDocs/C8051F04x．pdf．

[4]STmicroelectronics．L3G4200D Preliminary Datasheet[DB/OL]．(2010-12-21)．[2013-05-15]．http：//www．st．com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00265070．pdf．

[5]WILMSHURST T．PIC嵌入式系統(tǒng)開發(fā)．陳小文，閆志強，譯．北京：人民郵電出版社，2008．