傳感器標定和編程工具的製作方法
2023-10-04 02:05:49 1
專利名稱：傳感器標定和編程工具的製作方法
技術領域：
本發明屬電子控制技術領域，具體涉及一款傳感器的標定和編程的工具。
背景技術：
本發明是在汽車電子快速發展的背景下提出的。目前，許多汽車已經不再使用發動機傳統控制方法。而是被方便性、操作性更佳，尾氣排放越少，對環境汙染更小的電控發動機所取代。隨著電控發動機的應用，電控油門也逐漸取代傳統油門成為主導。而利用霍爾元件作為傳感器的電動油門踏板也逐漸佔據主導地位。使用霍爾元件作為傳感器，就需要根據發動機特性參數對其進行標定。因為當前的汽車市場有無數的汽車廠商，一家汽車廠商又有成千上百種車型。不同的車型配置不同的發動機。而不同的發動機特性不同。因此電動油門踏板的霍爾元件配置要適應不同的發動機，這樣才能使油門踏板工作正常。而英飛凌TLE4997傳感器適用於非常廣泛的應用。在汽車領域的應用包括踏板與節氣門定位、懸架控制、扭矩傳感與變速杆位置檢測等。在工業領域，這款傳感器是機器人和自動化應用、醫療器械以及高電流傳感應用等的理想選擇。但現有技術中還沒有專門針對霍爾元件(尤其是英飛凌霍爾傳感器TLE4997)的標定和編程工具，使其能對霍爾元件進行標定和編程。
發明內容
本發明的目的在於提出一種方便實用，易於操作的對英飛凌霍爾傳感器TLE4997 進行標定和編程的工具。此外，本發明的工具還能進行霍爾元件偏移量和增益的計算以及溫度補償。為達到上述目的，本發明提出的技術方案是一種傳感器標定和編程工具，包括 上位機及界面交互模塊、以單片機為處理核心的下位機及嵌入式模塊；
其中，上位機和下位機之間使用MODBUS總線進行通訊，上位機作為總線主節點，下位機作為總線從節點，下位機外接傳感器；
界面交互模塊，位於上位機中，用於人機互動，通過上位機向下位機發出對傳感器進行標定或編程的指令；
嵌入式模塊，位於下位機中，執行所述標定或編程的指令，通過下位機對傳感器進行標定或編程；
所述傳感器為電動油門踏板霍爾元件；
所述標定包括電壓與位置標定、零點標定和最大值標定中的一種或幾種；所述電壓與位置的標定，即電動油門踏板運動所處位置對應的該傳感器輸出電壓；所述零點標定，即油門踏板在原位不被踩下時，該傳感器輸出電壓為OV ；所述最大值標定，即油門踏板被踩到最大位置時，該傳感器輸出電壓為該傳感器輸出電壓的最大值。本發明的有益效果是
(1)本發明是對英飛凌霍爾傳感器TLE4997進行標定和編程的工具，為該傳感器的使用者提供了方便快速的標定和編程過程。(2)本發明的嵌入式模塊可以通過對傳感器的位置和輸出電壓進行了測量，從而計算出傳感器的偏移量和增益，對傳感器進行標定。(3 )本發明上位機和下位機之間通過MODBUS通訊，可以通過PC上位機上的界面交互模塊觀察到參數值以及控制下位機上的嵌入式模塊對傳感器進行標定，並將參數值寫入傳感器，使用起來非常方便。(4)本發明出於溫度會對磁場強度造成影響的考慮，還可以對傳感器的輸出進行溫度補償。
圖1為本發明--實施例總體框圖。
圖2為本發明--實施例下位機結構示意圖。
圖3為本發明--實施例下位機系統採樣部分電路示意圖。
圖4為本發明--實施例下位機系統電源部分電路示意圖。
圖5為本發明--實施例嵌入式模塊對傳感器編程時的狀態機流程圖。
圖6為本發明--實施例嵌入式模塊對傳感器編程時的狀態機子狀態流程圖。
圖7為本發明--實施例嵌入式模塊採樣流程圖。
圖8為本發明--實施例標定示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明傳感器標定和編程工具一實施例主要包括上位機及界面交互模塊，以單片機為處理核心的下位機及嵌入式模塊。其中，上位機採用PC機即可，上位機和下位機之間使用MODBUS總線進行通訊，上位機作為總線主節點，下位機作為總線從節點，上位機通過寫入命令，修改下位機MODBUS 寄存器的值，實現對下位機的控制；同樣，通過對下位機寄存器的讀取，讀取希望的數據。下位機外接傳感器一英飛凌霍爾傳感器TLE4997。TLE4997是專門為滿足高度精確的轉角、位置測量以及精確的電流測量而設計的。其測量原理是基於霍爾效應的。由於電壓與磁場強度成正比，因此該元件通過測量磁場強度的變化，產生與磁場強度成正比的電壓輸出。由於轉角、位置及電流的變化都會引起磁場的變化，TLE4977正是通過這個原理來測量轉角、位置及電流變化的。界面交互模塊，位於上位機中，用於人機互動，通過上位機向下位機發出對傳感器進行標定或編程的指令。嵌入式模塊，位於下位機中，執行所述標定或編程的指通過下位機對傳感器進行標定或編程。本實施例的下位機以英飛凌16位單片機為處理核心，主要負責以下任務
1)採集傳感器正常工作輸出
2)讀取傳感器參數
3)接受上位機命令，對傳感器進行編程
4)向上位機反饋數據。如圖2所示，本實施例的下位機的硬體設計根據其功能，可以分為以下幾個部分系統電源、單片機最小系統電路、傳感器信號採樣電路、傳感器通訊電路和MODBUS通訊電路。通常，單電源供電的運算放大器會在輸出電壓接近Ov時發生失真，為了保證本發明使用的運算放大器能夠正確地輸出通訊信號，從而使傳感器的信息收發準確無誤。本發明下位機的系統電源部分採用了雙電源供電的運算放大器的設計方式(見圖3)，運放部分使用了 24v雙電源供電，數字電路部分地比運放地高出3v ；並採用如38實現了數字電路和模擬電路的隔離，這樣，既保證了運算放大電路的輸出精度，又保證了數字電路對運算放大電路的控制；位於運放負反饋迴路上的開關與光耦協同工作，可以實現了編程器與傳感器的雙向通訊當CTRLlA控制運放輸出打開，CTRLlT導通時，運放將來自DA晶片的信號進行放大輸出，電路就工作在對外輸出信號的模式；當運放輸出被關閉，CTRLlT斷開時時，電路就切換為對外部輸入信號的採樣的模式。此外，作為單片機和DA晶片的電源輸入，需要一個精確的5v電壓。因此，本發明下位機的系統電源部分還採用了 max6043+tle4251的組合，max6043是高精度的電壓參考， 而4251是高精度的電壓跟隨器，且輸出電流最大可以達到800ma，這樣的電源電路，兼備了高精度與高驅動能力的特點。(見圖4)。下位機的單片機最小系統電路由電源部分、外部晶振、啟動配置及在線調試接口組成。傳感器通訊電路方面，傳感器標定和編程工具需要能夠為傳感器提供5V電源，以保證其能正常工作。所以我們使用了數字/模擬轉化晶片(TLV5637) +運算放大器(DPAM7) 的方案。MODBUS總線協議是基於標準的RS232串行通訊接口的，MODBUS通訊電路電路基於串行通訊收發器(MAX232)設計而成。本實施例的下位機上的嵌入式模塊包括採樣和處理子模塊，其通過傳感器信號採樣電路對傳感器輸出電壓進行AD採樣和處理操作；傳感器通訊模塊，其通過傳感器通訊電路進行傳感器標定或編程接口的訪問，數據讀取，校驗數據的存儲操作；MODBUS通訊模塊，其通過MODBUS通訊電路進行下位機與上位機之間的通訊操作。如圖5所示，本實施例採用狀態機的設計方式來編寫傳感器通訊模塊編程部分的程序，從而簡化了編程過程中的複雜邏輯。狀態流圖包括三個基本狀態「傳感器通訊埠關閉」、「傳感器通訊埠打開」和「與傳感器進行通訊進行編程操作」。系統上電初始化後，默認狀態為「傳感器通訊埠關閉」。此時，下位機將根據上位機指令，進行打開傳感器通訊埠的操作。如果通訊埠打開操作成功，傳感器將向下位機反饋一組包含了傳感器工作狀態的數據，在接收到這一組數據之後，狀態機的狀態切換為 「傳感器通訊埠打開」。在埠打開之後，下位機將進一步從上位機獲取指令。若指令為關閉通訊埠，則下位機將放棄對傳感器的操作，而狀態機的狀態也將由「傳感器通訊埠打開」轉為「傳感器通訊埠關閉」。若上位機希望獲得傳感器數據，或者希望對傳感器進行編程操作的話， 則狀態將切換為「與傳感器進行通訊進行編程操作」。成功進入「與傳感器進行通訊進行編程操作」狀態之後，下位機根據上位機的指令，可以選擇讀取傳感器數據或對傳感器編程。所以「與傳感器進行通訊進行編程操作」又包含了三個子狀態「讀取傳感器數據」、「向傳感器寫入數據」和「對EEPROM編程」(見圖 6)。
對於從傳感器讀取的數據，將進行奇偶校驗。TLE4997傳感器的EEPROM數據採用了一種特殊的奇偶校驗方式。對於EEPROM每一個地址(每一行)，進行偶校驗，即該地址每位數據之和必為偶數。為滿足行校驗，每個地址的最高位為偶校驗位。對於每一列，奇數列進行奇校驗，偶數列進行偶校驗。為滿足列校驗，EEPROM地址空間的第一個字，用於存儲列校驗位。這一種特殊的校驗方式，可以用來驗證從傳感器讀取的數據是否正確。若連續三次讀取數據不正確的話，下位機將關閉通訊埠，提示上位機，傳感器通訊可能存在問題， 並將狀態切換為「傳感器通訊埠關閉」。如果讀取數據成功，狀態將切換為「傳感器通訊埠打開」。如指令為對EEPROM編程，則將先進入「向傳感器寫入數據」狀態。在完成向EEPROM 對應地址內存寫入數據之後，將開始對EEPROM的編程操作。在對EEPROM編程操作完成之後，為了保護EEPR0M，下位機也將關閉傳感器通訊接口，提示上位機編程操作結束，並將狀態切換為「傳感器通訊埠關閉」。如圖7所示，在上位機給出採樣命令之後，下位機將打開傳感器電源供應，同時將傳感器輸出所連接的運算放大器關閉。這樣，從傳感器輸出的電壓信號將直接進入單片機的模擬數字轉換晶片的輸入引腳。在處理器發出處理請求之後，採樣和處理子模塊自動完成轉換並將數據存儲到指定寄存器內。在本實施例中，需要標定TLE4997傳感器輸出電壓的偏移量和增益。根據偏移量和增益，就能夠計算出油門踏板在任一位置的電壓輸出。如圖8所示，本發明在油門踏板踩到最底部(Pl)時，採樣此時的電壓輸出值VI。在完全不對踏板施加任何作用時(P0)，採樣此時的電壓輸出V0。接著，利用單片機的計算單元算出增益為k= (Vl-VO)/(Pl-PO)，而偏移量即為b=V0。那麼，油門踏板在任一位置的輸出即為V=k*P+b。標定之後，本發明將增益k 和偏移量b存入傳感器的EEPROM裡，每次踩下油門踏板後，傳感器便能自動從EEPROM裡讀出這兩個值，從而計算出在任一位置的電壓輸出。在本實施例中，MODBUS總線用於上位機發送指令和在下位機上位機之間傳遞數據。為了實現這一目的，制訂了基於MODBUS數據形式的通訊協議，見表1。
權利要求
1.一種傳感器標定和編程工具，其特徵在於，包括上位機及界面交互模塊、以單片機為處理核心的下位機及嵌入式模塊；其中，上位機和下位機之間使用MODBUS總線進行通訊，上位機作為總線主節點，下位機作為總線從節點，下位機外接傳感器；界面交互模塊，位於上位機中，用於人機互動，通過上位機向下位機發出對傳感器進行標定或編程的指令；嵌入式模塊，位於下位機中，執行所述標定或編程的指令，通過下位機對傳感器進行標定或編程；所述傳感器為電動油門踏板霍爾元件；所述標定包括電壓與位置標定、零點標定和最大值標定中的一種或幾種；所述電壓與位置的標定，即電動油門踏板運動所處位置對應的該傳感器輸出電壓；所述零點標定，即油門踏板在原位不被踩下時，該傳感器輸出電壓為OV ；所述最大值標定，即油門踏板被踩到最大位置時，該傳感器輸出電壓為該傳感器輸出電壓的最大值。
2.根據權利要求1所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述下位機包括系統電源、單片機最小系統電路、傳感器信號採樣電路、傳感器通訊電路和MODBUS通訊電路。
3.根據權利要求2所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述下位機的模擬電路部分主要包括由三個雙電源供電組成的信號放大電路，該信號放大電路中的運算放大器直接使用24v供電；所述下位機的數字電路部分的地比模擬電路部分的地高出3v，兩個部分通過光耦進行隔離。
4.根據權利要求3所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述系統電源還採用了精密基準電壓晶片和電壓跟隨器，用於提供有精準5v的電源。
5.根據權利要求2所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述下位機的單片機最小系統電路由電源部分、外部晶振、啟動配置及在線調試接口組成。
6.根據權利要求2所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述嵌入式模塊包括 採樣和處理子模塊，其通過傳感器信號採樣電路對傳感器輸出電壓進行AD採樣和處理操作；傳感器通訊模塊，其通過傳感器通訊電路進行傳感器標定或編程接口的訪問，數據讀取，校驗數據的存儲操作；MODBUS通訊模塊，其通過MODBUS通訊電路進行下位機與上位機之間的通訊操作。
7.根據權利要求6所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述界面交互模塊包括顯示子模塊，其用於動態顯示通過採樣和處理子模塊得到的傳感器輸出的電壓值；設置子模塊，其通過傳感器通訊模塊去設置傳感器標定參數或對傳感器進行編程；計算子模塊，用於計算傳感器標定參數；控制子模塊，其用於對下位機發出各種操作指令。
8.根據權利要求7所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述設置傳感器標定參數是指先對傳感器的位置和輸出電壓進行測量，計算出傳感器的偏移量和增益，再對傳感器進行標定。
9.根據權利要求7所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述界面交互模塊還包括溫度補償子模塊，用於對傳感器的輸出進行溫度補償。
10.根據權利要求1所述的傳感器標定和編程工具，其特徵在於，所述電動油門踏板霍爾元件為英飛凌霍爾傳感器。
全文摘要
本發明屬電子控制技術領域，具體涉及一款傳感器標定和編程工具，包括上位機及界面交互模塊，以單片機為處理核心的下位機及嵌入式模塊；其中，上位機和下位機之間使用MODBUS總線進行通訊，上位機作為總線主節點，下位機作為總線從節點，下位機外接傳感器；界面交互模塊，位於上位機中，用於人機互動，通過上位機向下位機發出對傳感器進行標定或編程的指令；嵌入式模塊，位於下位機中，執行所述標定或編程的指令，通過下位機對傳感器進行標定或編程；所述傳感器為電動油門踏板霍爾元件；所述標定包括電壓與位置標定、零點標定和最大值標定中的一種或幾種。本發明能對霍爾元件進行標定和編程，還進行了霍爾元件偏移量和增益的計算以及溫度補償。
文檔編號G05B19/04GK102419191SQ20111026776
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者吳庚澤, 肖宇, 陸科, 陳仰龍, 陳雅瑩 申請人:陸科