齊龍妹，馬 戎，李歲勞，周 博

（西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)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(jīng)成熟應(yīng)用并開發(fā)的有機(jī)械式里程儀、光電式里程儀和磁電式里程儀。對于機(jī)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(zhuǎn)動1周可產(chǎn)生脈沖300個或更多、分辨率高、響應(yīng)幾乎沒有滯后現(xiàn)象，測量精度達(dá)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(jī)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(fā)展方向［3］，具有高可靠性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性等優(yōu)點。為了滿足車輛導(dǎo)航在野外和復(fù)雜道路狀況下的應(yīng)用需求，設(shè)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(dǎo)航需求的霍爾式磁電里程儀。

1 霍爾傳感器原理與磁路設(shè)計

目前，霍爾效應(yīng)傳感器已廣泛應(yīng)用于精密測磁、自動化控制、通信、計算機(jī)和航天航空等工業(yè)部門及國防領(lǐng)域［4］。霍爾式傳感器是利用霍爾效應(yīng)制作的一種磁電轉(zhuǎn)換元件，分為線性霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器。線性霍爾元件輸出的是模擬量，而開關(guān)型霍爾元件輸出的是數(shù)字量。線性霍爾元件的輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)用系統(tǒng)引入了干擾或產(chǎn)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?qū)⒃S多非電物理量如力、位移、速度、角度、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制［5］。開關(guān)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(qiáng)，所以本里程儀的設(shè)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(qiáng)度成正比的電壓信號，經(jīng)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(tǒng)中工作原理是：當(dāng)傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在外驅(qū)動作用下旋轉(zhuǎn)時，會帶動永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，穿過霍爾元件的磁場將產(chǎn)生周期性變化，引起霍爾元件輸出電壓變化，并通過后續(xù)電路處理提取車輛里程信息。

可靠的磁路設(shè)計是準(zhǔn)確測量里程信息的前提。在設(shè)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(shù)，可以提高里程儀的測量精度。通過實驗可以測得，當(dāng)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(chǎn)生的磁場幾乎不受影響，而當(dāng)永磁體之間的距離相距小于10mm時，每個磁體產(chǎn)生的磁場之間相互作用使得磁體周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)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(dāng)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(dāng)車輛輪轂采用含鐵量較高的金屬時，會使得磁體產(chǎn)生的磁場加強(qiáng)，也就是金屬被永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場磁化，同時加強(qiáng)了永磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。當(dāng)車輛輪轂采用鋁合金材料時，因為鋁合金是抗磁性物質(zhì)，對磁路幾乎沒有影響。

圖1 永磁體安裝

2 信號調(diào)理電路

選擇型號為N35的NdFeB永磁材料作為永久磁鐵，規(guī)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(yīng)元件，UGN3503具有極高的靈敏度，響應(yīng)速度可達(dá)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(tài)輸出有微小的跳變。為了使得傳感器靜態(tài)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(tài)輸出為2.48V，當(dāng)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(dāng)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(diào)理電路

3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)過調(diào)理的信號需要微控制器進(jìn)行信號采集、信號處理和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)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(nèi)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(jī)作為主控芯片，其12位A／D采樣速率最大可以達(dá)到100kHz。內(nèi)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(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。UART對外有2條獨立的收發(fā)引腳，接收和發(fā)送電平均為TTL電平。設(shè)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(fā)送和接收端口。

如圖3所示，磁電式里程儀系統(tǒng)通過串口與主計算機(jī)相連，由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收距離并不遠(yuǎn)，而且通信速度要求不高，因此設(shè)計時選用串行通信中應(yīng)用最廣泛的RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。又由于單片機(jī)UART通信電平為TTL電平，不能直接與電腦進(jìn)行通信，中間必須要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，所以轉(zhuǎn)換芯片選用MAX3232ESE。

圖3 磁電式里程儀結(jié)構(gòu)

在實際應(yīng)用中，由于傳感器的輸出信號有正有負(fù)，為了使得信號都能夠被放大，而且都能夠被單片機(jī)所采集，就需要將雙極性信號轉(zhuǎn)換到ADC的有效輸入范圍內(nèi)，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(tǒng)將C8051F005單片機(jī)的基準(zhǔn)電壓端VREF（2.45 V）通過運(yùn)算放大器AD8606變換成1.2V，然后將1.2V的基準(zhǔn)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(yīng)C8051F005單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換的輸入范圍，保證ADC的采樣輸入電壓大于0。經(jīng)過信號調(diào)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(jīng)過了信號調(diào)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(shù)字濾波算法，將信號進(jìn)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(shù)，其值通常遠(yuǎn)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(xiàn)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(shù)；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(jié)果如圖5所示，與圖4進(jìn)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(shè)計中假設(shè)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(zhuǎn)動頻率為f=（100000／1.5）／3600=18.5158Hz。按照預(yù)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(dá)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(jī)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(jīng)過數(shù)字低通濾波后采樣10個點作為1組數(shù)，對這組數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，再進(jìn)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(nèi)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(shù)據(jù)更新速率為100Hz，也就是每隔10ms，串口更新1次數(shù)據(jù)。利用A／D采樣速率來確定數(shù)據(jù)的更新時間，當(dāng)A／D采樣50個點的時候，時間為10ms，此時置位發(fā)送標(biāo)志位，里程儀通過串口傳送數(shù)據(jù)。定義數(shù)據(jù)傳輸格式為7個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀的幀頭為aa，幀尾為55。第2個字節(jié)到第6個字節(jié)是里程脈沖數(shù)，依次從低位到高位。磁電式里程儀系統(tǒng)軟件的總體設(shè)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(jīng)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(dāng)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(dāng)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(shù)達(dá)到里程計數(shù)的目的。實驗中霍爾元件與磁鐵的距離檢測為20mm。當(dāng)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(fā)送數(shù)據(jù)為7個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀的幀頭為aa，幀尾為55。里程儀將里程數(shù)通過串口實時發(fā)送，為了實驗中能方便接收數(shù)據(jù)，使用NI公司開發(fā)的 LabWindows／CVI［7］軟件開發(fā)了數(shù)據(jù)接收軟件。

數(shù)據(jù)接收軟件主要完成下面幾個功能：

a.接收下位機(jī)的里程計數(shù)，與用戶輸入的里程儀刻度因子進(jìn)行運(yùn)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(jī)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(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

c.能夠手動配置端口通信參數(shù)。

d.實時將接收到的數(shù)據(jù)在接收窗口欄顯示。

將設(shè)計的磁電式里程儀測得數(shù)據(jù)與實驗室現(xiàn)有光電式里程儀測得數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)航的應(yīng)用要求。

表1 實驗結(jié)果 m

5 結(jié)束語

在分析了現(xiàn)有常用里程儀的優(yōu)缺點之后，提出了霍爾式磁電里程儀的設(shè)計方案，最后通過跑車實驗驗證了該系統(tǒng)能夠提高非接觸測量檢測距離，最高測量精度可以達(dá)到0.015m，滿足車輛導(dǎo)航的應(yīng)用要求。另外，安裝方式簡單和低成本，使得該設(shè)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(yōu)缺點［J］.汽車實用技術(shù)，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(yè)大學(xué)，2007.

［3］劉 鷹，胡彥亮.基于數(shù)字式里程儀的INS／里程儀導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.彈箭與制導(dǎo)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(yīng)用［J］.輕型汽車技術(shù)，2003，12（5）：14-16.

［5］邱淑賢.霍爾式汽車車速傳感器檢測系統(tǒng)［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)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(zhuǎn)速測量技術(shù)研究［J］.儀表技術(shù)，2010，（10）：66-70.

［7］王建新，楊世風(fēng)，隋美麗.LabwWindows／CVI測試技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.