基于ARM的便攜式紅外測速與數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計

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

關(guān)鍵詞：ARM；紅外測速；數(shù)據(jù)存儲；M/T法

中圖分類號：TN 29" " " " 文獻標志碼：A

在工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，例如，在發(fā)動機、電動機和機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運動和控制中，常常需要進行分時或連續(xù)測量，因此數(shù)字測速系統(tǒng)對精度的要求高。針對上述需求，本文設(shè)計了一種紅外測速和數(shù)據(jù)存儲系統(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法計算轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)將速度數(shù)據(jù)存儲在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卡中存儲的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由鋰電池供電，采用低功耗設(shè)計，其具有體積小、質(zhì)量輕以及便于攜帶的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)測速原理

光電檢測是一種非接觸式測量方法，使用光電測速不從被測件汲取能量，不破壞現(xiàn)場環(huán)境，因此是一種理想的測速方案。使用紅外線光能夠避免可見光的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，因此系統(tǒng)采用紅外光電進行測速。當進行測速時，將自制的黑白編碼盤粘貼在電機軸端。自制的黑白編碼盤是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)使用的測速傳感器是一體化紅外反射式光電傳感器，這個傳感器集成了紅發(fā)發(fā)射管和接收管。系統(tǒng)測速原理如下：將自制的黑白編碼盤粘貼在電機軸端，將一體化紅外反射式光電傳感器放在距離黑白編碼盤1 mm～30 mm的位置，發(fā)射紅外光信號，當遇到編碼盤的黑色部分時，吸收紅外光，接收管不導(dǎo)通，輸出低電平；當遇到編碼盤的白色部分時，反射紅外光，接收管飽和導(dǎo)通，輸出高電平。當粘有黑白編碼盤的電機轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)接收反映電機轉(zhuǎn)速的脈沖，穩(wěn)定、準確地進行測速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用ARM芯片STM32F407VET6單片機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、時鐘電路、復(fù)位電路以及下載電路等。光電傳感器檢測模塊由光電傳感器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管腳的高低電平來切換這2路信號。當PD5為低電平時，實現(xiàn)STM32F407VET6向TF卡寫入數(shù)據(jù)的功能；當PD5為高電平時，實現(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得的脈沖信號經(jīng)過SN74HC14D整形后送入STM32F407VET6的定時器三捕獲通道PA6管腳，當STM32F407VET6捕獲到紅外反射式光電傳感器脈沖信號的上升沿后，開始計數(shù)并開啟定時器TIM1、TIM5和TIM8。定時器TIM1用于定時200 ms的測速周期。定時器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)定時器的主從模式使用定時器TIM8進行高頻脈沖計數(shù)。當定時器TIM1定時200 ms到達時關(guān)閉定時器TIM1、TIM3、TIM5和TIM8并統(tǒng)計定時器TIM3捕獲脈沖上升沿的次數(shù)和定時器TIM8高頻脈沖的個數(shù)，采用M/T法計算轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)存儲在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)。開啟所有定時器TIM1、TIM3、TIM5和TIM8中斷，重復(fù)上述動作，得到轉(zhuǎn)速的實時數(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電路如圖3所示。

2.2 紅外反射式光電傳感器檢測模塊

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個紅外發(fā)光二極管，接收管是1個高靈敏度的光電三極管[1]。接收管的阻值對光線輕度變化極為敏感，當接收的紅外光線較弱時，其阻值可以達到500 kΩ；當接收的紅外光線較強時，其阻值可以降至30 Ω[2]。紅外反射式光電傳感器檢測電路如圖3所示，光電傳感器發(fā)射紅外光信號，當遇到編碼盤黑色部分時，吸收紅外光，沒有紅外光反射，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出低電平；當遇到編碼盤白色部分時，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)擴展性，主控單元采用STM32F407VET6單片機?？刂颇K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法計算轉(zhuǎn)速，并定時將速度數(shù)據(jù)存儲在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、成本高和讀寫數(shù)據(jù)速度慢，因此系統(tǒng)采用讀寫速度快、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1個32 GB的外部存儲器TF卡。SDIO接口驅(qū)動采用4位模式，通信速度最快達到24 Mbit/s。在PCB設(shè)計中應(yīng)注意以下3點。1）TF卡信號走線為單端線，控制阻抗50 Ω。2）TF卡所有的信號線要盡量走在同一層，須做等長處理，以時鐘線為目標，誤差控制在7.620 mm以內(nèi)。3）TF卡的時鐘信號與其他信號線的間距約為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管腳的高低電平來切換這2路信號，當PD5為低電平時，實現(xiàn)STM32F407VET6向TF卡寫入數(shù)據(jù)的功能；當PD5為高電平時，利用USB讀取TF卡數(shù)據(jù)。USB1是Type-C接口，在PCB設(shè)計中應(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、實時性強以及傳輸速率高的特點，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)計了CAN通信的隔離電路（如圖5所示）。系統(tǒng)5 V電源經(jīng)過U8、U9產(chǎn)出隔離的5 V電源，單獨給隔離式CAN收發(fā)器CA-IS3050供電。CA-IS3050能夠承受高達5 000 Vrms的隔離電壓，信號傳輸速率最高達1 Mbit/s。電路能夠避免回流燒毀電路板并限制干擾幅度，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 M/T測速算法

數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法、T法和同步M/T法。M法測速是在相等的時間間隔Δt讀取脈沖數(shù)M，由M/Δt計算轉(zhuǎn)速，速度越高，在Δt時間計得的M就越多，由±1個計數(shù)脈沖誤差所引起的轉(zhuǎn)速測量誤差就越小，因此該方法適用于高速。T法測速是根據(jù)相鄰2個脈沖時間間隔對應(yīng)的時鐘脈沖計數(shù)值m來計算轉(zhuǎn)速的，轉(zhuǎn)速越慢或每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，其計數(shù)值m就越多，計數(shù)器±1個計數(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種方法適用于對轉(zhuǎn)速測量實時性要求不高的場合。但是在動態(tài)測量和實時控制系統(tǒng)中，對轉(zhuǎn)速測量的實時性要求較高。該系統(tǒng)不僅要保證周期短，而且要保證測速精度高，因此采用M/T法[3-4]進行轉(zhuǎn)速測量。

采用M/T法進行測速，不僅可以對被測脈沖個數(shù)m1進行計數(shù)，而且可以對定時器所產(chǎn)生的高頻脈沖的個數(shù)m2進行計數(shù)。m1反映轉(zhuǎn)角，m2反映測速時間，經(jīng)過計算得到轉(zhuǎn)速。使用該方法測量高速和低速，精度均較高。設(shè)f0為高頻時鐘脈沖的頻率，電機每轉(zhuǎn)1圈，光電傳感器發(fā)出p個脈沖，電機的轉(zhuǎn)速n如公式（1）所示。

3.2 基于M/T法的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是采集紅外光電傳感器輸出的脈沖信號，采用M/T法計算轉(zhuǎn)速，定時將速度數(shù)據(jù)存儲至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接口對應(yīng)管腳和時鐘等配置。TF卡初始化，完成SDIO接口和時鐘的配置。定時器TIM1、TIM5、TIM8的初始化，配置定時器TIM1，實現(xiàn)定時200 ms的功能，來確定測速周期。配置定時器TIM5、TIM8，定時器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，利用定時器的主從模式使用定時器TIM8進行高頻脈沖計數(shù)。3）定時器TIM3初始化，配置PA6為上升沿捕獲通道，并開啟捕獲中斷。4）當定時器TIM3捕獲通道PA6捕獲紅外光電傳感器輸出的脈沖上升沿時，同時開啟定時器TIM1、TIM5和TIM8。當定時器TIM1定時200 ms到達時，關(guān)閉所有定時器并統(tǒng)計定時器TIM3捕獲脈沖上升沿的次數(shù)和定時器TIM8的高頻脈沖的個數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式計算轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)存儲在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)。再次開啟所有定時器中斷，進入下一次循環(huán)。

4 結(jié)語

基于ARM的便攜式紅外測速與數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)已成功應(yīng)用于絡(luò)筒機槽筒轉(zhuǎn)速檢測過程中，由于采用一體化紅外反射式光電傳感器和微機化的M/T法數(shù)字測速，因此槽筒轉(zhuǎn)速精度達到±1‰。該系統(tǒng)體積小、成本低以及測量精度高，可以進一步推廣、應(yīng)用。

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