程民利

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，陜西 西安 710014）

基于霍爾傳感器的高精度測速電路設(shè)計

程民利

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，陜西 西安 710014）

設(shè)計寬范圍高精度測速電路；通過對三種常用轉(zhuǎn)速測量方法的分析比較，確定采用M法與M/T法相結(jié)合的方法測速，從理論上保證測速的寬范圍和高精度；電路設(shè)計中為了簡單，快速，準確的測速，兩種測速方法之間采用硬件切換電路完成，克服了軟件切換因工作量大而導(dǎo)致的實時控制變差的缺陷；采用片外計數(shù)器8253彌補了8051硬件資源短缺的不足，利用霍爾元件完成轉(zhuǎn)速到旋轉(zhuǎn)脈沖的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了低成本，高性能。

測速方法；硬件切換；旋轉(zhuǎn)脈沖；時基脈沖；定時計數(shù)

在高鐵，地鐵蓬勃發(fā)展的今天，為保證列車安全運行，對列車的運行控制提出了更高的要求。要想安全的控制高速運行的列車，必需精準的檢測列車運行的實時速度。

1 測速方法的比較

檢測列車運行速度可采取多種方法，其中輪軸轉(zhuǎn)速的檢測是檢測列車運行速度最常用的方法之一。對旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速的檢測，可采用脈沖計數(shù)法。脈沖計數(shù)法只要輪軸轉(zhuǎn)動一周，就能產(chǎn)生一個或多個固定脈沖，將旋轉(zhuǎn)脈沖送入微處理器計數(shù)，結(jié)合軟件的運算處理，便可測得轉(zhuǎn)速信息[1]。

脈沖計數(shù)法的關(guān)鍵是如何精確的對脈沖計數(shù)，常用的方法有3種，分別為M法，T法和M/T法[2]。

1.1 M法測速

M法即測頻率法，M法是在規(guī)定的時間T內(nèi)檢測旋轉(zhuǎn)脈沖的個數(shù) M1來間接的測量轉(zhuǎn)速[3～5]，如圖 1（a）所示，轉(zhuǎn)速 N的計算公式為

式中n為輪軸每轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。

該計數(shù)法的檢測時間為定值T，由于檢測起止時間的隨機性，會導(dǎo)致極端情況下產(chǎn)生±1個旋轉(zhuǎn)脈沖的誤差，因此，在轉(zhuǎn)速較高或轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)脈沖個數(shù)較多的情況下，測量精度較高，故M法適用于檢測高速旋轉(zhuǎn)的被測對象[3]。

1.2 T法測速

T法即測周期法，T法是測量相鄰兩個旋轉(zhuǎn)脈沖之間的時間間隔即旋轉(zhuǎn)脈沖的周期，經(jīng)T法計算間接測得速度的[5]。通常做法是在旋轉(zhuǎn)脈沖的一個周期對已知的高頻時基脈沖計數(shù)，如圖1（b）所示，然后通過式（2）計算可得到被測對象的旋 轉(zhuǎn) 速 度[3，5]。

式（2）中，N為被測對象的轉(zhuǎn)速，n為輪軸每轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，f為已知高頻脈沖的頻率，M2為在一個旋轉(zhuǎn)脈沖周期內(nèi)包含的高頻時基脈沖的個數(shù)。

T法測速是在一個旋轉(zhuǎn)脈沖周期內(nèi)對已知的高頻時基脈沖計數(shù)，在極端情況下也會產(chǎn)生±1個高頻時基脈沖的誤差。用T法測速，轉(zhuǎn)速越高，測量誤差越大，因此，T法適用于低速檢 測[3，5]。

1.3 M/T法

M/T法即在檢測時間T內(nèi)，既測量旋轉(zhuǎn)脈沖的個數(shù)M1，又測量已知高頻時基脈沖的個數(shù)M2，然后通過式（3）計算出被測對象的轉(zhuǎn)速[4]。

M/T法是M法和T法的結(jié)合，在測速過程中由于同時對旋轉(zhuǎn)脈沖和高頻時基脈沖兩種脈沖計數(shù)，只要“同時性”處理得當(dāng)，無論在高速還是低速檢測中都有較高的檢測精度[3]，但該法存在一個檢測時間T的合理選擇問題，如果檢測時間T太小，會出現(xiàn)低速時將速度誤測為0，如果T太大，則不能快速的測出速度，影響測速的實時性[5]。

綜上所述，M法適合檢測高速旋轉(zhuǎn)的被測對象，T法則適合檢測低速旋轉(zhuǎn)的被測對象，M/T法集M法和T法的優(yōu)點于一身，理論上測速范圍較寬，但在實際操作中，檢測時間T的選擇是個難點，檢測時間即采樣周期T選擇，直接影響測速的精度。因此要在寬范圍內(nèi)可靠且精確的測速，避免低速誤測為0，可將T法和M/T法相結(jié)合，即在低速時采用T法測速，而在中速和高速時采用M/T測速[5]。

2 測速模塊設(shè)計

2.1 模塊組成

圖1 不同測速法示意圖Fig.1 Schematic plot of different measuring velocity

基于霍爾傳感器的高精度、寬范圍測速模塊如圖2所示，測速傳感器選擇霍爾元件?；魻栐蚓哂谐叽缧。|(zhì)量輕，無觸點，外圍電路簡單，頻響寬，動態(tài)性能好，壽命長，調(diào)試方便等諸多優(yōu)點[2]，故選用霍爾元件將輪軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成一系列的旋轉(zhuǎn)脈沖信號，轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)脈沖信號的個數(shù)成正比。

圖2 測速模塊Fig.2 Modules of measuring velocity

通過對不同的轉(zhuǎn)速脈沖測量方法的比較，確定采用T法與M/T相結(jié)合的測速方法，以確保寬范圍的高精度測速。T法與M/T法的切換是通過硬件切換電路完成的，硬件切換電路在單片機產(chǎn)生的采樣脈沖和霍爾元件產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)脈沖共同作用下，產(chǎn)生用于控制8253中計數(shù)器的門控信號，保證中高速時采用M/T法測速，低速時采用T法測速[5]，具體電路及原理詳見參考文獻[5]。

該測速系統(tǒng)需一個定時器產(chǎn)生采樣脈沖和高頻時基脈沖，需兩個計數(shù)器分別對高頻時基脈沖和旋轉(zhuǎn)脈沖計數(shù)，而8051中只有兩個定時/計數(shù)器，所以本系統(tǒng)擴展了一片8253計數(shù)芯片，8051的T0用作定時器，結(jié)合循環(huán)子程序產(chǎn)生采樣脈沖和高頻時基脈沖，而8253在8051和硬件切換電路的控制下分別由其0，1兩個計數(shù)器完成對高頻時基脈沖和旋轉(zhuǎn)脈沖的計數(shù)功能。

2.2 硬件設(shè)計

1）霍爾開關(guān)電路

A44E屬開關(guān)型霍爾元件，其工作電壓為4.5～18 V，其輸出信號符合TTL電平標準[1]，最高測速頻率達1 MHz。A44E有3個引腳，第1引腳接電源，第2引腳為接地引腳，第3引腳為輸出引腳，霍爾測試電路如圖3所示。其3引腳輸出的旋轉(zhuǎn)脈沖分別送至硬件切換電路和8253的計數(shù)器1的時鐘引腳，產(chǎn)生8253的計數(shù)器門控信號和計數(shù)器1的時鐘信號。

圖3 霍爾檢測電路Fig.3 Detection circuit of Hall sensor

2）硬件切換電路

硬件切換電路的功能是完成兩種測量方法之間的自動切換。硬件切換電路的控制關(guān)系如圖4所示，具體的硬件電路詳見參考文獻5。在輸出采樣脈沖的P1.0輸出高電平，且有旋轉(zhuǎn)脈沖的上升沿到來，硬件切換電路輸出高電平，控制8253的0，1兩個計數(shù)器的門控端，啟動計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)P1.0輸出低電平，且有旋轉(zhuǎn)脈沖的上升沿來時，切換電路輸出低電平，8253的門控信號無效，停止計數(shù)，同時硬件切換電路產(chǎn)生中斷請求信號，8051收到中斷請求后，讀取8253中兩個計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果，并利用式（3）計算出轉(zhuǎn)速。該電路能保證在低速時測得一個完整的旋轉(zhuǎn)脈沖及這個旋轉(zhuǎn)脈沖周期內(nèi)的高頻時基脈沖個數(shù)，8051依然用公式（3）計算速度，只是此時 M1=1，式（3）與式（2）完全相同，采用的是 T 法測量轉(zhuǎn)速。

3）8051對 8253的控制

圖4 切換電路Fig.4 Switching circuit

圖5 8051對8253的控制Fig.5 Contol of 8051 on 8253

2.3 軟件設(shè)計

基于8051的片外計數(shù)的轉(zhuǎn)速測量流程如圖6所示[6-8]。

圖6 流程圖Fig.6 Flow chart

3 結(jié) 論

本文所設(shè)計的測速系統(tǒng)由于采用了T法和M/T法兩種測速方法的結(jié)合，避免了M/T法中因測量時間T選擇不當(dāng)引起的低速誤測為0或?qū)崟r性差的問題，從方法上保證寬范圍精確測速。測速方法的切換采用了硬件切換，克服了軟件切換因軟件工作量大而導(dǎo)致的實時控制變差的缺陷[5]。采用霍爾傳感器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脈沖，具有低成本，高性能，抗干擾能力強等優(yōu)點。

[1]楊繼生，劉芬.霍爾傳感器A44E[J].電子測量技術(shù)，2009，32（10）:100-102.

YANG Ji-sheng，LIU Fen.Application study of hal l sensor A44E in cartwheel s resurver[J].Technology of Electronic Measurement，2009，32（10）:100-102.

[2]丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2010（5）:81-83.

DING Zhi-qin.Design of a device which can measure motorvelocity based on hall sensor[J].Study of Agricultural，2010（5）:81-83.

[3]趙樹磊，謝吉華，劉永鋒.基于霍爾傳感器的電機測速裝置[J].江蘇電器，2008（10）:53-56.

ZHAO Shu-lei，XIE Ji-hua，LIU Yong-feng.Motor speed measurement device based on hall sensor[J].JIANG Su electrical equipment，2008（10）:53-56.

[4]姜慶明，楊旭，甘永梅，等.一種基于光電編碼的高精度測速和測加速度方法[J].微計算機信息，2004，20（6）:48-49.

JIANG Qing-ming，YANG Xu，GANG Yong-mei，et al.A new way ofmeasuring velocity and acceleratingbased on photoelectric encoder[J].Information of Microcomputer，2004，20（6）:48-49.

[5]江明.新型高精度測速方法探討[J].安徽機電學(xué)院，1997，12（3）:52-55.

JIANG Ming.Study of a method which can measure velocity high precisely[J].AN Hui electromechanical Institute，1997，12（3）:52-55.

[6]張洪潤，張亞凡，鄧洪敏.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[7]徐愛鈞.單片機原理是用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[8]邵顯濤，陳明，李俊.基于霍爾傳感器電機轉(zhuǎn)速的單片機測量[J].電子測試，2008（12）:46-48.

SHAO Xian-tao，CHEN Ming，LI Jun.Monolithic microcomputer measuring of a motor rotat ion speed sig nal Based on linear Hall sensor[J].Electronic Testing，2008（12）:46-48.

Design of a circuit which can measure velocity high precisely based on hall sensor

CHENG Min-li

（Department of Electronic Information， Xi’an Railway Vocational&Technological Institute， Xi’an 710014， China）

The text design a velocity measurement circuit with high accuracy and adaptability.With the comparison and analysis of three commonly used methods of measuring velocity，the thesis use the combination of M and M/T to measure velocity， thus guarantee the high accuracy and adaptability theoretically.In order to measure the velocity simply， quickly and accurately， the design use switching hardware to transform two above-mentioned methods， and overcome the defect of reduction of quality of real-time control by soft ware switching.The adoption of off-chip counter 8253 make up for the hardware resource shortage of counter 8051.The design use Hall component to achieve the transformation between rotate speed and rotary impulse，and realize low cost and high efficiency.

methods of measuring velocity； hardware switching； rotary impulse； time-base pulse； timer counter

TP212.9

A

1674－6236（2013）08-0109-03

2012-12-05稿件編號201212025

程民利（1965—），女，陜西韓城人，教授。研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用，傳感技術(shù)，電路仿真。