【正文】 磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通，在杯型轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并以勵(lì)磁磁場(chǎng)的脈振頻率交變，又因空心杯轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路繞組，故旋轉(zhuǎn)電勢(shì)在杯型轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生交流短路電流，若忽視杯型轉(zhuǎn)子的漏抗的影響，那么此短路電流所產(chǎn)生的脈振磁通在空間位置上與輸出繞組的軸線一致，因此轉(zhuǎn)子南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 脈振磁場(chǎng)與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ( n? 0)時(shí) ,空心杯轉(zhuǎn)子因切割磁力線從而產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) rE ,同時(shí)在 rE 的作用下將產(chǎn)生感應(yīng)電流 rI ,從而在輸出繞組的軸線方向產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁通 r? 。 其測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 勵(lì)磁磁場(chǎng)是由外定子鐵心上繞組槽內(nèi)的勵(lì)磁繞組加上直流恒流源來作為內(nèi)定外定子鐵心之間的磁路的勵(lì)磁源所形產(chǎn)生的。 被測(cè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 連軸機(jī)構(gòu) 測(cè)角加速度異步發(fā)電機(jī) 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 為電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器結(jié)構(gòu)式意圖 圖 說明： 6（外定子鐵心）與 8（內(nèi)定子鐵心）的材料為硅鋼片（低磁材料）； 4（構(gòu)成外定子鐵心輸出繞組）的材料為電磁漆包線； 2 為高速轉(zhuǎn)軸；構(gòu)成7（杯形繞組 )的材料為銅導(dǎo)線或鋁線；構(gòu)成 1(轉(zhuǎn)軸 )的材料為不銹鋼材料；構(gòu)成前端蓋 3，機(jī)座 5，后端蓋 9 的材料為鋁合金等金屬材料。 電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器的工作原理 本傳感器的工作原理；在內(nèi)外定子鐵心之間產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)（ 氣隙磁場(chǎng)），杯形轉(zhuǎn)子繞組處于內(nèi)外定子鐵心之間氣隙磁場(chǎng)中，且與內(nèi)外定子鐵心位于同以軸心上，杯形繞組與轉(zhuǎn)軸連接可相對(duì)于內(nèi)外定子鐵心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 本文的新型角加速度傳感器可根據(jù)空心杯交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)得運(yùn)行條件而轉(zhuǎn)換成角加速度傳感器。產(chǎn)生剩余電壓的主要原因有：磁路不對(duì)稱、氣隙不均勻、輸出繞組與勵(lì)磁繞組不正交、以及溫升增加、繞組匝短路，繞組端部藕合，鐵芯片間短路、轉(zhuǎn)子杯材料不均勻、形狀不規(guī)格等。采用補(bǔ)償繞組來消除剩余電壓。因此簡(jiǎn)單實(shí)用且方便，便于各種旋轉(zhuǎn)角加速度的場(chǎng)合測(cè)量。 本設(shè)計(jì)采用 C8051F020 單片機(jī)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理，協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，并進(jìn)行復(fù)雜的控制決策。 其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 角加速度傳感器 C8051F020 MCU INA128PA 放大模塊 LCD 顯示模塊 SD 卡讀寫模塊 USB 串口 圖 角加速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 四 章 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)提高 。相比 PLC、工控機(jī)等有較高的性價(jià)比。 2. 全速、片內(nèi)非侵入式的在 線 系統(tǒng)調(diào)試接口 。 6. 片內(nèi) RAM 具有 4352 字節(jié) 。 10. 具有 無個(gè) 捕捉 /比較模塊的定時(shí)器陣列 /可編程計(jì)數(shù)器 。 FLASH 存儲(chǔ)器還有在 線 系統(tǒng)重新編程能力，可 對(duì) 非易失性數(shù)據(jù) 進(jìn)行 存儲(chǔ)， 且準(zhǔn) 許現(xiàn)場(chǎng)更 新 8051 固件。 C8051F020 具有邊界掃描和調(diào)試電路接口，通過 4 位引得腳 JTAG 接口。在調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可以正常工作。這些 I/O 端口的工作條件與標(biāo)準(zhǔn) 8051 基本相同，但稍有一些修 改。這是一個(gè)功能大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將其內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到前四個(gè) （ P0、 P P2 和 P3） 的 I/O 端口引腳。 MCU工作條件都可在工業(yè)溫度范圍 (45 Co ～ +85 Co )內(nèi)用 — 壓工作。在標(biāo)準(zhǔn)的 8051 中，所有指令（除MUL和 DIV以外）都需要 12 或 24 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，系統(tǒng)最大的時(shí)鐘頻率為 12～24MHz。 最小單片機(jī)系統(tǒng) C8051F020 單片機(jī)芯片作為主控核心，包括晶振電路部分和基準(zhǔn)電壓電路。如果被一個(gè)外部 CMOS 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，則該引腳提供 系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng) RST轉(zhuǎn)換為低電平后，系統(tǒng)退出復(fù)位， CPU從此初始狀態(tài)開始圖 C8051F020 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 進(jìn)行工作。 RST端保持一定的時(shí)長(zhǎng)其包括 VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間， Vss上升時(shí)間若為 10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。 如下圖： 圖 為 C8051F020 的引腳圖 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 放大電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)要求，傳感器輸出的信號(hào)為 mv 電壓信號(hào)，單片機(jī)無法直接采集所以需要采用放大電路進(jìn)行放大。 INA128 是通過激光來修正微調(diào)且偏置電壓 (50mV) 和溫度漂移 ? 非常低以及高共模抑制（在增益為 100 時(shí) 120dB），即使在電源電壓低到 177。 INA128 的封裝為 8 引腳塑料 DIP 和 SO8 表面襯底封裝其工作規(guī)定溫度范圍為 40 C? 至 +85 C? 。 *CMR 最 120d 的高共模抵制。 至177。 圖 INA128 的引腳圖 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 +++A 1A 2A 3O v e r v o l l e t g eO v e r v o l l e t g e2183V +74V V 0R E F65I N A 1 2 84 0 K4 0 K4 0 K4 0 K2 5 K2 5 KR C INA128 構(gòu)建的放大電路 信號(hào) 放大電路可 采用兩 個(gè) INA128 芯片來對(duì) 小信號(hào) 進(jìn)行放大。 5 腳則是參考基準(zhǔn)，如果接地，則 6 腳的輸出即為與地之間的相對(duì)電壓。該 ADC 工作的最大采樣速率在 100ksps 時(shí)可提供真正的 12 位精度， INL 為177。 C 的電壓基準(zhǔn)可通過 VREF 輸出引腳為其它系統(tǒng)部件或片內(nèi) ADC 產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)控制器可以將 ADC 置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號(hào)或周期性的定時(shí)器溢出信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 實(shí)時(shí)顯示電路設(shè)計(jì) 本文顯示電路采用 LCD1602 進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。 比較 簡(jiǎn)單， 而用 用數(shù)碼管 進(jìn)行 動(dòng)態(tài)顯示， 則 會(huì)占用很多時(shí)間來刷新顯 12 位的 ADC 原理框圖 圖 LCD1602 實(shí)物圖 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 示，而 1602 則會(huì)快速 自動(dòng) 地 完成此 功能。 第 4 腳：寄存器選擇 引腳 RS， 其為 高電平時(shí)數(shù)據(jù)寄存器、 否側(cè)為指令寄存器。 第 15～ 16 腳 :空腳（有的用來接背 光） 。所以本文選用 SD來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 SD 卡是一種低電壓的 flash 閃存產(chǎn)品，有標(biāo)準(zhǔn)的 SD/SPI 兩種操作模塊。 SD 卡功能原理的介紹 SD 卡模塊的外形如圖 所示： 圖 SD 卡模塊實(shí)物圖 根據(jù)主控制器與 SD 卡的通信協(xié)議不同 ,其有 兩種訪問模式 :SD 模式和 SPI模式。 SD 模式下 ， 主控制器使用 SD 總線訪問存儲(chǔ)卡 ,而對(duì)于普通的單片機(jī)是沒有硬件 SD 總線的 , 盡管軟件仿真一個(gè) SD 總線 ,但其訪問速度會(huì)受到限制 , CPU 時(shí)間會(huì)大量被占用 ,而對(duì)于 SPI 總線一般單片機(jī)都具有 ,本文對(duì) SD 卡的讀寫就是通過 SPI 總線實(shí)現(xiàn)的 。外部主控制器訪問卡的外部信號(hào)線采用簡(jiǎn)接相連 ,是通過卡的接口控制器與存儲(chǔ)器單元接口連接。 C8051F020 單片機(jī)在指令上與8051 在完全兼容 ,但其性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的 8051 單片機(jī) , 片內(nèi)包括了 8052 的所有外設(shè)外 ,又外擴(kuò)了更多豐富的外設(shè)。 *具有 64 個(gè) I/O 端口。 *Flash 片內(nèi)存儲(chǔ)器 64KB、和 XRAM 為 4KB。 *JTAG 接口的在系統(tǒng)調(diào)試模式 ,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的簡(jiǎn)單方便。SPI可通過編程來控制傳輸速率 。對(duì)于 C8051F020 的 SPI 系統(tǒng)而言 ,首先通過 I/O 端口的配置功能選擇開關(guān)控制寄存器 XBR0、 XBR XBR2,將 I/O 端口?？删幊谈淖兊拇袝r(shí)鐘極性與相位 ?？梢怨ぷ饔袃煞N，主機(jī)方式和從機(jī)方式 。 *輸出 的工作電壓 ,SD 卡與其工作電壓完全吻合。而且 ,軟件可以配置這些 I/O 口線，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能 ,其中通過配置相關(guān)寄存器可得到 SPI 接口。與 SD 卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下 : *單片機(jī)內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu) ,高速度指令運(yùn)行 ,指令運(yùn)行速度是標(biāo)準(zhǔn)的 C51系列單片機(jī)大約 10 倍 ,指令運(yùn)行速度可高達(dá) 25MIPS,滿足高速操作 SD卡的功能要求。 SD 卡內(nèi)部有 6 個(gè)信息寄存器 ,用來設(shè)置和保存操作卡的關(guān)鍵信息 ,有兩個(gè)狀態(tài)寄存器 ,用來記錄操作卡的當(dāng)前狀態(tài)。在當(dāng)系統(tǒng)處于 SPI 總線模式下 ,CS 為片選信號(hào) ,SCK 為時(shí)鐘信號(hào) , DI(DataIn)為主控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào) , DO(DataOut) 為南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 卡發(fā)送的據(jù)信號(hào) ， 其都是單向通信的 。通常主機(jī)只能以其中的一種通信模式進(jìn)行運(yùn)行。 嵌入式系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)采集或者讀取參數(shù)文件，往往需要通過串口或者其他的方式進(jìn) 與 PC 機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。 SD/MMC 卡是一種容量大 (最大可達(dá) 4GB)、性價(jià)比高、體積小、訪問接口簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)卡 , 而且通過 USB 讀卡器 , 可以很方便地將卡中文件拷貝到通用計(jì)算機(jī)中 。 在本論文設(shè)計(jì)中 , 采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用了 SD 卡。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 2 腳： VDD 接正 5V 電源 。 與數(shù)碼管相比該模塊有如下優(yōu)點(diǎn) ； 位數(shù)多，可顯示 16?2， 而 32 個(gè)數(shù)碼管體積相當(dāng)龐大了 。在轉(zhuǎn)換完成后， 10 或 12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個(gè)特殊功能寄存器中。當(dāng)不同的輸入通道之間其輸入的電壓信號(hào)變化較大或在差分方式， DAC 可用于提供直流偏移 ，這個(gè)放大環(huán)節(jié)是非常有用的。其中一個(gè)輸入通道連接著單片機(jī)內(nèi)部溫度傳感器，其剩余的 8 個(gè)通道全部接外部輸入。 ADC0 的 基準(zhǔn)電壓可以在 DAC0 輸出和一個(gè)外部 VREF 引腳之間選擇。而一級(jí) INA128 輸入端采集的為 0 到 20mv 的電信號(hào)，根據(jù)計(jì)算可知放大倍數(shù)。圖中，INA128 的 失調(diào)電壓漂移 很 低和低噪聲等性能指標(biāo)，簡(jiǎn)單 的 放大倍數(shù)設(shè)置，只 須通過改變 外部 電阻 的大小 就能改變放大倍數(shù)。 *700181。 40V 輸入電壓保護(hù)。V。其器件能受 177。 INA128 芯片介紹 INA128 是具有高精度低功耗的通用儀表放大器，它使用了通用的 3 運(yùn)放設(shè)計(jì)和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛反饋電流 Currentfeedback 輸入 電路即使在高增益條件下 (G=100 時(shí) 200kHz)也可提供較寬的帶寬。通常 RC時(shí)間常數(shù)越大，RST端上電保持高電平的時(shí) 間就要越長(zhǎng)。對(duì)于單片機(jī)只須通過外接一個(gè)電容至 VCC即可。 C8051F020單片機(jī)設(shè)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，它是史密特觸發(fā)輸入 (對(duì) CHMOS單片機(jī)， RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻 )，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)即 24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，使器件復(fù)位， 只要使 C8051F020的 RST保持高電平 ，C8051FO20就一直處于復(fù)位狀態(tài)。 該引腳為晶體或陶瓷諧振器的內(nèi)部振蕩器電路的反饋輸入。 CIP51TM 被 MCS51 指令集完全兼容 ,可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x 的匯編器和編譯南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）