一種高可靠性角度傳感器硬件設計與實現

李建忠

（長沙碩博電子科技股份有限公司，湖南長沙，410006）

0 引言

角度傳感器廣泛應用于生產生活設備當中，特別是在特種裝備領域，如電機電驅控制、攤鋪機找平控制、挖機多臂架旋轉控制等，要求角度傳感器具備耐高溫、高濕、抗粉塵和油污等惡劣環境[1]工作特性，同時結合特種車輛設備特點，對傳感器提出更多要求，如寬工作電壓范圍[2]，對外端口保護設計[3]以及雷擊浪涌等防護設計[4]，本系統提供一種基于旋變[5]的高可靠性角度傳感器硬件設計。

1 系統總體方案設計

基于旋變的角度傳感器需要包含以下6 個部分：處理器電路、電源電路、測溫電路、關鍵參數存儲電路、CAN 通訊電路以及旋變信號解碼及處理電路，如圖1 所示，其中旋變信號解碼及處理電路作為整個系統關鍵部分，用于旋變傳感器的勵磁信號調理和驅動輸出以及旋變的正交信號解碼處理，設計當中需要考慮短路、過壓故障的防護及處理存儲；關鍵參數電路用于記錄傳感器上次旋轉位置、圈數、溫度校正系數、傳感器校準系數以及故障信息等，鐵電存儲器的使用將使數據記錄更可靠；測溫電路用于測量傳感器工作的環境溫度，利用溫度校準系數對傳感器角度參數進行溫漂校準；CAN 通訊電路用于傳感器與其他部件進行通訊，實現主機控制功能；處理器電路作為整個系統控制的核心，用于旋轉角度處理、參數存儲、溫度數據讀取、CAN 通訊；電源模塊中，電源模塊1 用于對輸入的車載電池電源UEE 進行過壓短路防護，反接保護等，電源模塊2 用于產生+5.0V電源，用于CAN 收發器和旋變解碼電路供電，而旋變勵磁信號電源需要的12V 電源需要通過電源模塊3 產生，電源模塊4 用于產生3v3 電源，3v3 電源用于給處理器模塊供電和旋變信號解碼及處理電路供電。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件電路設計

■2.1 處理器及外圍電路設計

本方案采用STM32F103RCT6作為傳感器的控制核心，Cortex-M3 內核，128KB 內部flash，2 路I2C、2 路SPI、3 路UART，3 個12-bit S ADC 和10 個通用型16-bit 定時器，資源豐富，具體電路設計如圖2 所示。

圖2 處理器及外圍電路設計

晶振選用Sitime 12MHz 有源晶振，通過U6 TPS3823-33 外接看門狗，用于極端情況下系統復位處理，復位信號nRST 低電平有效，上拉處理，同時中靠近CPU 管腳處增加靜電器件U4 PESD3V3L1BA，在原有的 RC 濾波（R=10K，C=0.1μF）基礎上再并1nF 小電容，用于增強復位信號的抗靜電能力，由于外接的看門狗U6 TPS3823-33 對電源3V3進行監控處理，因此對其電源增加靜電器件U5，提高靜電器件本身的抗干擾能力；預留調試串口J4，為增強系統的Uee 掉電保持時間，處理器供電電源3V3 并100μF 大電容和多個0.1μF 去耦電容，提高系統設計的穩定性和可靠性。

■2.2 電源模塊電路設計

電源模塊電路如圖3 所示，考慮到特種車輛戶外工作環境，輸入電源UEE 需要考慮至少滿足2KV（8/20μs）防浪涌設計，D4 6600W TVS 用于輸入電源的防浪涌設計，通過自恢復保險絲F1（電流參數為1.85A）和防反二極管形成短路保護和防反接保護設計；通過U10 max17504 降壓型DC-DC 實現電源+5.0V 輸出，值得注意的是，車載電池電源UEE 有可能是12V，也有可能是24V，考慮到發動機點火時電池電壓UEE 電壓波動以及電池饋電情況，一般要求UEE 輸入轉+5.0V 電源的降壓型DC-DC 寬電壓工作，即8～40V 均能正常工作，max17504 最高工作電壓60V，同步DC-DC，外圍電路簡單，性價比高，功率電感選用10μH/4.3A 電感，留足余量；通過U9 SGM6623 boost 升壓電源，將+5.0V 轉12V，給旋變勵磁驅動信號供電，當UEE 波動時，保證12V 電源穩定，否則對傳感器測量精度產生影響，D15 為肖特基二極管MBRS360BT3G，輸入輸出電容均為100μF，保證電源穩定；+5.0V 電源通過線性電源SGM2049 產生3V3 電源，給系統處理器以及控制電路供電。

圖3 電源模塊電路

■2.3 旋變信號解碼及處理電路設計

如圖4 所示，旋變信號解碼及處理主要核心器件為U12 AD2S1210B，通過RES0 和RES1 兩個管腳連接到5V設置內部初始分辨率為16bit，A0 和A1 拉高，數據讀取模式為通過內部寄存器讀取，/SOE 引腳拉低，/RD 拉高接至電源5V，使能SPI 通訊模式，SPI 通訊端口、采樣使能端口SAM、狀態診斷DOS 和LOT 以及絕對式編碼器信號DIR（旋轉方向）以及NM（過圈指示）等信號均上拉，連接至處理器對應管腳；由于旋變解碼器高分辨率（16bit），根據旋變信號輸出頻率（一般低于20kHz）特點，特對AD2S1210 的電源AVDD/DVDD/VDRIVE 進行電容-電感-電容的π 型濾波處理，電感選100μH，電容選用0.1μF，也可以預留0.01μF 電容來濾除更高階毛刺；勵磁差分信號EXC 和/EXC 輸出幅值須為小于±4V 的正弦信號，且無法直接驅動旋變傳感器，需要經過功放電路驅動，如圖4 右側部分電路，EXC 和/EXC 信號經過運放U11 正端設定偏壓值3.7V（通過電阻R31 27k 和R32 12k 分壓得到）后，電壓整體抬升至只有正向電平的正弦信號，這樣，運放供電電源只需單一電源12V 即可；為提高運放抗浪涌能力，將電源12V 串接小電阻R30 后給運放U11 供電，一般選擇10Ω以下電阻；運放選用時考慮需能提供300mA 以上驅動電流，耐壓12V，本設計根據實際測試效果，選用TI OPA2613；旋變旋變勵磁信號EXC、/EXC 以及反饋信號SINH/SINL 和COSH/COSL 均需通過保險絲和氣體放電管對端口進行過壓過流保護，防止出現短路（包含短路到地和電源）損壞端口。

圖4 旋變信號解碼及處理電路

■2.4 關鍵參數存儲電路設計

電路設計如圖5 所示，關鍵參數設計考慮非易失性存儲器NVRAM FV25v02，鐵電存儲器，具有無限次讀寫特點，容量256kbit，SPI 接口，讀寫速度快。

圖5 關鍵參數存儲電路設計

■2.5 測溫電路設計

本電路設計如圖6 所示，通過熱敏電阻Rt 和R1 在不同溫度下的分壓變化，經過運放U1 跟隨輸出至處理器的ADC 端口進行模擬量采樣，因此電壓變化反應電阻變化；同時對外部的UEE 電源進行采樣，了解電池電壓狀態，當出現掉電時，可將關鍵參數提前存儲至U2。

圖6 測溫電路設計

■2.6 CAN 通訊及防護電路

如圖7 所示，U13 選用TJA1051T/3 CAN 收發器，通過自恢復保險絲和TVS 實現CAN 總線防短路和過壓防護。

圖7 CAN 通訊及防護電路設計

3 系統PCB 設計

本系統模擬數字耦合，特別是旋變信號EXC、/EXC、SINH/SINL、COSH/COSL 及相關信號需要重點處理，其地網絡與其他信號地需單點接地，通過0Ω 電阻跳接，其他數字信號或電源不要穿過該PCB 區域，信號保護線路加粗至0.5mm 以上，電源保護線路線寬保證1mm 以上，如圖8所示，為保證產品強度，PCB 厚度設計為2.0mm。

4 結語

本文詳細介紹了基于旋變的高可靠性角度傳感器設計方案，硬件參數選型及設計方法，硬件防護設計，PCB 設計等，成功開發出高可靠性角度傳感器，并在工程車中得到應用（如攤鋪機找平系統），經過試驗測試，滿足惡劣環境下的產品功能性能要求。

圖8 PCB 設計圖