張希元　蘇蓓蓓　闞永恒

[摘要]本文介紹了具有兩種不同模擬量值輸出的角度傳感器。傳感器芯片檢測(cè)到角度值后，由單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)過DA轉(zhuǎn)化，輸出模擬量。通過設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)0～5V電壓輸出或者4～20mA電流輸出。

[關(guān)鍵詞]角度傳感器；單片機(jī)；模擬量

1前言

角度傳感器廣泛應(yīng)用于工程與農(nóng)用機(jī)械、儀器儀表、土木工程、船舶、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化、衛(wèi)星天線定位、平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控、地質(zhì)勘探、四輪定位系統(tǒng)等領(lǐng)域。其輸出通常分為數(shù)字量輸出和模擬量輸出，數(shù)字量方式通過232、485、TTL等方式以BCD碼輸出，模擬量輸出電流或者電壓值，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，默認(rèn)電壓方式是-90度對(duì)應(yīng)0V，+90度對(duì)應(yīng)5V，中間狀態(tài)角度與電壓呈線性關(guān)系；默認(rèn)電流方式是-90度對(duì)應(yīng)4mA，90度對(duì)應(yīng)20mA，中間狀態(tài)角度與電流呈線性關(guān)系，如圖1所示。

常見的模擬量輸出角度傳感器是分立式設(shè)計(jì)，即分為電壓輸出式和電流輸出式兩種，生產(chǎn)制造和用戶使用都不方便，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一款電壓和電流輸出一體的角度傳感器，可通過軟件設(shè)置為0～5V電壓輸出或者4～20mA電流輸出。

2設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)主要包括傳感器芯片模塊、單片機(jī)控制模塊、通信模塊和模擬量輸出模塊。傳感器芯片模塊用于檢測(cè)角度值，在單片機(jī)的控制下轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再通過模擬量輸出模塊輸出0～5V電壓或者4-20mA電流值。通信模塊主要有三個(gè)作用，一是給單片機(jī)下載程序，二是可同時(shí)輸出數(shù)字量，三是可通過電腦軟件設(shè)置輸出模式，通過電腦軟件向單片機(jī)發(fā)送不同指令后，單片機(jī)選擇工作在電壓輸出模式或電流輸出模式。

3主要硬件電路設(shè)計(jì)

主控芯片選擇STM32F103C8T6單片機(jī)，主要是考慮到三個(gè)方面，一是該芯片綜合性能優(yōu)越，二是該芯片的超低功耗特性，三是該芯片價(jià)格優(yōu)惠，在產(chǎn)品量產(chǎn)后，便于控制生產(chǎn)成本。

傳感器芯片采用ADXL345芯片，它可以測(cè)量與重力方向夾角，從而確定物體偏轉(zhuǎn)的角度。不同角度下，傳感器芯片引腳輸出不同的電壓值，單片機(jī)引腳將這些電壓值采集后轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，即可得傳感器當(dāng)前的角度情況。

本設(shè)計(jì)的核心部分是模擬量輸出模塊，主要通過AD5412芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片是低成本、精密、完全集成、12/16-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），內(nèi)置可編程電流源和可編程電壓輸出，設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需要。輸出電流范圍可編程設(shè)置為4-20 mA、0-20 mA或者超量程的0-24mA。電壓輸出由一個(gè)獨(dú)立引腳提供，該引腳可配置成0～5V、0～10 V、±5 V或±10 V輸出；所有范圍均提供10%的超量程。在電流模式和電壓模式下，總輸出誤差典型值均為+0.01%。其性能與本設(shè)計(jì)要求完全匹配，且其性能優(yōu)越，是本設(shè)計(jì)的最佳選擇。其電路如圖2所示（以x軸方向?yàn)槔?/p>

與單片機(jī)相連的一共有6個(gè)引腳，CLESEL引腳為選擇電壓輸出清零值，零電平或中間電平。CLEAR為高電平有效輸入。置位此引腳可將電流輸出設(shè)置為選定范圍的最低值或?qū)㈦妷狠敵鲈O(shè)置為用戶選定值（零電平或中間電平）。LATCH上升沿將輸入移位寄存器數(shù)據(jù)并行載人到DAC寄存器，同時(shí)更新輸出。SCK為串行時(shí)鐘輸入。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿輸入移位寄存器。MOSI為串行數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿有效。MISO為串行數(shù)據(jù)輸出。用于在菊花鏈模式或回讀模式下從串行寄存器逐個(gè)輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿時(shí)有效。

電壓輸出引腳為21引腳Vout，輸出電壓值，電流輸出引腳為19引腳Iout，輸出電流值，采用共地模式輸出。

4軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化編程，主要包括了以下部分，如圖3所示。

傳感器芯片上電后，根據(jù)角度變化，會(huì)產(chǎn)生一定范圍的電壓信號(hào)，MCU將此電壓信號(hào)采集后，設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換程序，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)既實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)上位機(jī)之間通信，又是模擬量輸出的源頭。計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件接收到的是MCU處理后的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)是BCD碼形式的十六進(jìn)制數(shù)，直接提取有效數(shù)據(jù)顯示即可。同時(shí)，在配套的上位機(jī)軟件中，可以通過指令設(shè)置，實(shí)現(xiàn)是電流輸出，還是電壓輸出的選擇。

本設(shè)計(jì)中程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容是模擬量輸出部分的程序，首先，設(shè)計(jì)條件編譯模塊，當(dāng)MCU接收到不同指令時(shí)，MCU決定是電流輸出，還是電壓輸出。其次，對(duì)AD5412編程，通過DA轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)將反應(yīng)角度的數(shù)字信號(hào)，與模擬量的電壓、電流對(duì)應(yīng)起來。

程序中還設(shè)置了看門狗指令，如果AD、DA轉(zhuǎn)化中出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序馬上恢復(fù)到重新運(yùn)行，確保傳感器工作穩(wěn)定。

5結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓、電流模擬量輸出的一種傾角傳感器，減少了制作成本，給實(shí)際工作帶來了便利。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本設(shè)計(jì)效果良好，且具有制作成本低、工作穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，公司量產(chǎn)后逐步推向市場(chǎng)。