摘 要：本文根據(jù)非接觸式、高精度測(cè)速的需求，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的便攜式紅外測(cè)速與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F407VET6為控制核心，以TCRT5000為測(cè)速光電傳感器，利用SDIO接口擴(kuò)展TF卡，集成了讀卡器和CAN通信電路，并采用M/T法完成了高精度測(cè)速，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸功能。該系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于絡(luò)筒機(jī)槽筒轉(zhuǎn)速檢測(cè)中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速精度達(dá)到1‰。

關(guān)鍵詞：ARM；紅外測(cè)速；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；M/T法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 29" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)和控制中，常常需要進(jìn)行分時(shí)或連續(xù)測(cè)量，因此數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)對(duì)精度的要求高。針對(duì)上述需求，本文設(shè)計(jì)了一種紅外測(cè)速和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用紅外反射式光電傳感器，以ARM芯片為核心，采用M/T法計(jì)算轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)將速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在32 G的TF卡中，根據(jù)通信協(xié)議利用CAN接口發(fā)送速度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集成了讀卡器電路，可以利用USB線與電腦連接，讀取TF卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由鋰電池供電，采用低功耗設(shè)計(jì)，其具有體積小、質(zhì)量輕以及便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)測(cè)速原理

光電檢測(cè)是一種非接觸式測(cè)量方法，使用光電測(cè)速不從被測(cè)件汲取能量，不破壞現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，因此是一種理想的測(cè)速方案。使用紅外線光能夠避免可見(jiàn)光的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，因此系統(tǒng)采用紅外光電進(jìn)行測(cè)速。當(dāng)進(jìn)行測(cè)速時(shí)，將自制的黑白編碼盤(pán)粘貼在電機(jī)軸端。自制的黑白編碼盤(pán)是1張貼有白色反光紙條的黑色圓形紙片，如圖1所示。系統(tǒng)使用的測(cè)速傳感器是一體化紅外反射式光電傳感器，這個(gè)傳感器集成了紅發(fā)發(fā)射管和接收管。系統(tǒng)測(cè)速原理如下：將自制的黑白編碼盤(pán)粘貼在電機(jī)軸端，將一體化紅外反射式光電傳感器放在距離黑白編碼盤(pán)1 mm～30 mm的位置，發(fā)射紅外光信號(hào)，當(dāng)遇到編碼盤(pán)的黑色部分時(shí)，吸收紅外光，接收管不導(dǎo)通，輸出低電平；當(dāng)遇到編碼盤(pán)的白色部分時(shí)，反射紅外光，接收管飽和導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)粘有黑白編碼盤(pán)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)接收反映電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖，穩(wěn)定、準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用ARM芯片STM32F407VET6單片機(jī)作為控制模塊的主控單元，外圍模塊包括電源模塊、一體化紅外反射式光電傳感器檢測(cè)模塊、CAN通信模塊、TF卡模塊以及讀卡器模塊。系統(tǒng)硬件框如圖2所示。

控制模塊由STM32F407VET6最小系統(tǒng)構(gòu)成，其包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及下載電路等。光電傳感器檢測(cè)模塊由光電傳感器TCRT5000和具有施密特觸發(fā)功能的SN74HC14D構(gòu)成，具體電路如圖3所示。TF卡模塊和讀卡器模塊由TF卡、讀卡器芯片GL823K-HCY04、1∶2多路復(fù)用器TS3A27518ERTWR和USB接口等構(gòu)成，TF卡的數(shù)據(jù)接口與多路復(fù)用器TS3A27518ERTWR公共端相連，選通端有兩路，一路與STM32F407VET6的SDIO接口相連，另一路與讀卡器芯片GL823K-HCY04相連。STM32F407VET6控制PD5管腳的高低電平來(lái)切換這2路信號(hào)。當(dāng)PD5為低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)STM32F407VET6向TF卡寫(xiě)入數(shù)據(jù)的功能；當(dāng)PD5為高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)利用USB讀取TF卡數(shù)據(jù)的功能。CAN通信模塊由CAN芯片電源隔離電路和CAN通信電路構(gòu)成。

紅外反射式光電傳感器測(cè)得的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)SN74HC14D整形后送入STM32F407VET6的定時(shí)器三捕獲通道PA6管腳，當(dāng)STM32F407VET6捕獲到紅外反射式光電傳感器脈沖信號(hào)的上升沿后，開(kāi)始計(jì)數(shù)并開(kāi)啟定時(shí)器TIM1、TIM5和TIM8。定時(shí)器TIM1用于定時(shí)200 ms的測(cè)速周期。定時(shí)器TIM5的PWM通道1作為高頻脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為5 MHz的方波，根據(jù)定時(shí)器的主從模式使用定時(shí)器TIM8進(jìn)行高頻脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)器TIM1定時(shí)200 ms到達(dá)時(shí)關(guān)閉定時(shí)器TIM1、TIM3、TIM5和TIM8并統(tǒng)計(jì)定時(shí)器TIM3捕獲脈沖上升沿的次數(shù)和定時(shí)器TIM8高頻脈沖的個(gè)數(shù)，采用M/T法計(jì)算轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在TF卡并按照通信協(xié)議利用CAN接口發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。開(kāi)啟所有定時(shí)器TIM1、TIM3、TIM5和TIM8中斷，重復(fù)上述動(dòng)作，得到轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用7.4 V/3 000 mA的聚合物鋰電池供電，利用7.4 V經(jīng)同步BUCK電路轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)5 V電源，由系統(tǒng)5 V電源利用LDO電路得到系統(tǒng)3.3 V電源。電源以及光電傳感器檢測(cè)電路如圖3所示。

2.2 紅外反射式光電傳感器檢測(cè)模塊

選擇TCRT5000紅外反射式光電傳感器，其是一種一體化反射型光電傳感器，集成了紅外發(fā)射管和接收管。發(fā)射管是1個(gè)紅外發(fā)光二極管，接收管是1個(gè)高靈敏度的光電三極管[1]。接收管的阻值對(duì)光線輕度變化極為敏感，當(dāng)接收的紅外光線較弱時(shí)，其阻值可以達(dá)到500 kΩ；當(dāng)接收的紅外光線較強(qiáng)時(shí)，其阻值可以降至30 Ω[2]。紅外反射式光電傳感器檢測(cè)電路如圖3所示，光電傳感器發(fā)射紅外光信號(hào)，當(dāng)遇到編碼盤(pán)黑色部分時(shí)，吸收紅外光，沒(méi)有紅外光反射，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出低電平；當(dāng)遇到編碼盤(pán)白色部分時(shí)，反射紅外光，接收管接收反射光，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出高電平。

2.3 控制模塊

STM32F407系列單片機(jī)是一款性能高、成本低的32位ARM微控制器，工作頻率為168 MHz，具有豐富的外設(shè)資源，例如FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、RTC和DMA等，集成度極高。綜合考慮成本以及系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展性，主控單元采用STM32F407VET6單片機(jī)。控制模塊包括STM32F407VET6最小系統(tǒng)，其主要功能是捕獲紅外反射式光電傳感器輸出的脈沖數(shù)，采用M/T法計(jì)算轉(zhuǎn)速，并定時(shí)將速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在TF卡中，按照通信協(xié)議利用CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4 TF卡模塊

由于Flash芯片容量小、成本高和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)速度慢，因此系統(tǒng)采用讀寫(xiě)速度快、成本低且易于使用和更換的大容量TF卡。STM32F407VET6自帶SDIO接口，能夠方便地外擴(kuò)1個(gè)32 GB的外部存儲(chǔ)器TF卡。SDIO接口驅(qū)動(dòng)采用4位模式，通信速度最快達(dá)到24 Mbit/s。在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下3點(diǎn)。1）TF卡信號(hào)走線為單端線，控制阻抗50 Ω。2）TF卡所有的信號(hào)線要盡量走在同一層，須做等長(zhǎng)處理，以時(shí)鐘線為目標(biāo)，誤差控制在7.620 mm以?xún)?nèi)。3）TF卡的時(shí)鐘信號(hào)與其他信號(hào)線的間距約為0.508 mm，須做包地處理。

2.5 讀卡器模塊

為了便于讀取TF卡中的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了讀卡器電路。讀卡器電路集成了Type-C接口，如圖4所示。TF卡的數(shù)據(jù)接口與多路復(fù)用器TS3A27518ERTWR公共端相連，選通端有2路，一路與STM32F407VET6的SDIO接口相連，另一路與讀卡器芯片GL823K-HCY04相連。STM32F407VET6控制PD5管腳的高低電平來(lái)切換這2路信號(hào)，當(dāng)PD5為低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)STM32F407VET6向TF卡寫(xiě)入數(shù)據(jù)的功能；當(dāng)PD5為高電平時(shí)，利用USB讀取TF卡數(shù)據(jù)。USB1是Type-C接口，在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)做90 Ω的阻抗匹配，USB_P、USB_N應(yīng)走差分線。

2.6 CAN通信模塊

由于CAN通信具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及傳輸速率高的特點(diǎn)，因此系統(tǒng)采用CAN通信。為了提高通信的可靠性和穩(wěn)定性，保障系統(tǒng)安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了CAN通信的隔離電路（如圖5所示）。系統(tǒng)5 V電源經(jīng)過(guò)U8、U9產(chǎn)出隔離的5 V電源，單獨(dú)給隔離式CAN收發(fā)器CA-IS3050供電。CA-IS3050能夠承受高達(dá)5 000 Vrms的隔離電壓，信號(hào)傳輸速率最高達(dá)1 Mbit/s。電路能夠避免回流燒毀電路板并限制干擾幅度，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 M/T測(cè)速算法

數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法、T法和同步M/T法。M法測(cè)速是在相等的時(shí)間間隔Δt讀取脈沖數(shù)M，由M/Δt計(jì)算轉(zhuǎn)速，速度越高，在Δt時(shí)間計(jì)得的M就越多，由±1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖誤差所引起的轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差就越小，因此該方法適用于高速。T法測(cè)速是根據(jù)相鄰2個(gè)脈沖時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值m來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速的，轉(zhuǎn)速越慢或每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，其計(jì)數(shù)值m就越多，計(jì)數(shù)器±1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖所引起的誤差就越小，因此該方法適用于低速。上述2種方法適用于對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。但是在動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求較高。該系統(tǒng)不僅要保證周期短，而且要保證測(cè)速精度高，因此采用M/T法[3-4]進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。

采用M/T法進(jìn)行測(cè)速，不僅可以對(duì)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)，而且可以對(duì)定時(shí)器所產(chǎn)生的高頻脈沖的個(gè)數(shù)m2進(jìn)行計(jì)數(shù)。m1反映轉(zhuǎn)角，m2反映測(cè)速時(shí)間，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速。使用該方法測(cè)量高速和低速，精度均較高。設(shè)f0為高頻時(shí)鐘脈沖的頻率，電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，光電傳感器發(fā)出p個(gè)脈沖，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n如公式（1）所示。

3.2 基于M/T法的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是采集紅外光電傳感器輸出的脈沖信號(hào)，采用M/T法計(jì)算轉(zhuǎn)速，定時(shí)將速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至TF卡中，并按照通信協(xié)議利用CAN接口發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

具體流程如下。1）系統(tǒng)初始化，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘和輸入輸出口初始化。2）CAN通信初始化，完成CAN通信工作模式、波特率以及CAN接口對(duì)應(yīng)管腳和時(shí)鐘等配置。TF卡初始化，完成SDIO接口和時(shí)鐘的配置。定時(shí)器TIM1、TIM5、TIM8的初始化，配置定時(shí)器TIM1，實(shí)現(xiàn)定時(shí)200 ms的功能，來(lái)確定測(cè)速周期。配置定時(shí)器TIM5、TIM8，定時(shí)器TIM5的PWM通道一作為高頻脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為5 MHz的方波，利用定時(shí)器的主從模式使用定時(shí)器TIM8進(jìn)行高頻脈沖計(jì)數(shù)。3）定時(shí)器TIM3初始化，配置PA6為上升沿捕獲通道，并開(kāi)啟捕獲中斷。4）當(dāng)定時(shí)器TIM3捕獲通道PA6捕獲紅外光電傳感器輸出的脈沖上升沿時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器TIM1、TIM5和TIM8。當(dāng)定時(shí)器TIM1定時(shí)200 ms到達(dá)時(shí)，關(guān)閉所有定時(shí)器并統(tǒng)計(jì)定時(shí)器TIM3捕獲脈沖上升沿的次數(shù)和定時(shí)器TIM8的高頻脈沖的個(gè)數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式計(jì)算轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在TF卡中并按照通信協(xié)議利用CAN接口發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。再次開(kāi)啟所有定時(shí)器中斷，進(jìn)入下一次循環(huán)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ARM的便攜式紅外測(cè)速與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于絡(luò)筒機(jī)槽筒轉(zhuǎn)速檢測(cè)過(guò)程中，由于采用一體化紅外反射式光電傳感器和微機(jī)化的M/T法數(shù)字測(cè)速，因此槽筒轉(zhuǎn)速精度達(dá)到±1‰。該系統(tǒng)體積小、成本低以及測(cè)量精度高，可以進(jìn)一步推廣、應(yīng)用。

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