基于陀螺仪的方向盘转角传感器

石　炜，朱光宇

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州　350108)

0　引言

文中设计了一种基于L3G4200D陀螺仪和C8051F040单片机的非接触式角度传感器，能够以CAN协议格式输出方向盘转动的角速度和角度。当方向盘转动角度大于一周时，也可准确得到方向盘转动角度。文中设计的传感器实现非接触式测量，具有体积小、精度合理、成本较低、可靠性较高等优点。

1　系统的测量原理

根据陀螺仪传感器对平动加速度不敏感，只对敏感轴上角速度敏感这一特点，可知陀螺仪的直接输出值是相对敏感轴的角速度。文中设计了一种以陀螺仪传感器作为核心测角元件的方向盘转角测量方法，测量结构如图1所示。

图1　测量结构示意图

在转动部件和PCB板上分别设置第一、第二陀螺仪传感器，两片陀螺仪的敏感轴均平行于方向盘转轴的轴线。转动部件跟随方向盘转轴旋转，该转动部件还与时钟弹簧转子固定连接，时钟弹簧定子和PCB板均设在传感器外壳上，所述外壳固定于机动车体上。

利用时钟弹簧的转子出线端与定子出线端电气连接的特性，将第一陀螺仪的各输入输出线路与时钟弹簧的转子出线端电气连接，将PCB板与时钟弹簧的定子出线端电气连接，从而实现第一陀螺仪的各输入输出线路与PCB板的电气连接。

如图2所示，机动车行驶在平面L上时，方向盘转轴与平面L所成角度为α，平面K是垂直于方向盘转轴的一个平面。当车辆发生转向时，平面L上机动车自身具有的偏航率v在平面K上的投影即对方向盘转轴产生的角速度ω2i=v·sinα．

图2　偏航率投影示意图

因为第一、第二陀螺仪的敏感轴均和方向盘转轴的轴线平行，所以第一陀螺仪测量的是平面K上方向盘转轴相对于地面的角速度ω1i，第二陀螺仪测量的是车身偏航率在平面K上的投影角速度ω2i，于是可以得到：

翻译所赖以生存的外部文化背景，同样影响着翻译实践，制约甚至操纵着译者的具体翻译行为。作为文化的载体，不同的语言映射并承载着不同的文化内涵。文学翻译实践中，译者如果对原文本的文化背景了解不够，某种程度上忽略了文化差异,对原文的理解便会依赖或局限于自己所处的文化氛围，就会导致偏差，出现误译。例如：

ωi=ω1i-ω2i

式中：ωi为平面K上方向盘转轴相对车身的角速度。

根据运动学原理，角度等于角速度在时间上的积分，对ωi进行时域积分运算即可得到方向盘转角θ．在数字系统中，其离散型方程如下：

式中：θ0为初始角度；ωi为角速度；Δti表示采样数据的时间间隔。

2　系统组成与硬件设计

根据上述原理设计的方向盘转角测量系统主要由陀螺仪信号采集模块、单片机数据处理模块、霍尔角度校正模块和CAN总线发送模块组成，系统框图如图3所示。

图3　系统框图

选用C8051F040单片机作为系统的微处理器，该芯片带有64个数字I/O引脚，可以对外部器件进行逻辑控制，片内集成CAN2．0B控制器和Flash存储器[3]；选用L3G4200D作为陀螺仪传感器，该器件是一款三轴数字陀螺仪，量程最大可达±2 000 dps，提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能，即使时间推移或温度变化，这该器件仍能保持连续稳定的输出[4]。

2．1I2C接口电路

L3G4200D的通信接口兼容SPI或I2C接口。文中采用C8051F040微处理器与2片L3G4200D通过I2C(半双工模式)协议通信，完成数据传输。

如图4所示的I2C接口电路中，C8051F040为主器件，L3G4200D为从器件，L3G4200D的从地址由SDO引脚的输入决定，SDO接高电平时，从地址为1101001b；SDO接低电平时，从地址为1101000b。因此在同一I2C总线中允许同时连接两个L3G4200D而不发生地址冲突。

图4　I2C接口电路图

2．2CAN总线接口电路

文中选用CTM1050收发器，CTM1050是集成电源隔离、电气隔离、CAN收发器、CAN总线保护于一体的隔离CAN收发器模块，该模块TXD、RXD与CAN控制器发送、接收引脚直接连接，不需要外接其他元器件[5]。图5为CTM1050与C8051F040连接原理图，C8051F040的CANTX和CANRX分别为报文输出和输入端，经过总线收发器CTM1050连接到CAN总线上。

图5　CAN收发器电路图

2．3角度校正模块

根据上述原理设计的转角测量系统，误差主要来源于对角速度积分的不精确。同时，采样频率越快，积分时间间隔越小，测量精度越高。由于这种误差会随着时间逐渐累积，文中设计了角度校正功能，保证了角度值的长时间测量精度。设计结构如图6所示，在转动部件上设置永磁体，在PCB板上设置由永磁体触发的霍尔开关器件，每当方向盘转动到校正点位置都会发生角度校正，该校正点对应于，当方向盘位置回正时，永磁体触发霍尔器件，此时霍尔器件输出的电信号发生跳变，通知微处理器校正角度值。

图6　角度校正模块结构图

规定方向盘旋转轴的回正位置为转角的零点，顺时针转动为正，逆时针转动为负，方向盘转角范围-780°<θ<+780°。发生校正时方向盘转角θ的正确值可能为0°、±360°、±720°，设计如下校正方法：

发生角度校正时，若-90°<θ<+90°，则θ重置为0°；若+270°<θ<+450°，则θ重置为+360°；若-450°<θ<-270°，则θ重置为-360°；若θ>+630°，则θ重置为+720°；若θ<-630°，则θ重置为-720°。只需满足当发生角度校正时角度误差小于±90°，该校正方法有效。

2．4掉电存储模块

文中设计的测角方法属于相对角度测量而不是绝对角度测量，即传感器掉电再重新上电后无法得知方向盘的初始转向角度。为了解决这一问题，采用方案为：在PCB板上设置掉电保护电路，当掉电保护电路检测到主电源即将掉电(即电源电压下跌)时，掉电保护电路将电源切换到备用电池供电，并向微处理器发送掉电信号，微处理器收到掉电信号后进入掉电工作状态，将转角值保存到微处理器自带的FLASH存储器中，这样传感器重新上电后读取掉电前存储的转角值即为当前初始转向角度。

3　软件设计

系统的程序设计主要分为4部分：I2C接口的数据采集程序、角度算法程序、外部中断处理程序和CAN总线发送程序。系统工作在连续实时测量状态下，初始化结束后，处理器首先读取FLASH中存储的初始角度值，随后处理器分别采集两片L3G4200D的角速度信号，对角速度信号进行处理，求得角度值并发送到CAN总线上，一次完整的测角过程完成。程序执行过程中有中断响应发生时，进入相应的中断处理程序。软件处理流程图如图7所示。

图7系统软件流程图

4　实验分析

转角对比实验以型号为LWS3的转角传感器作为角度基准。将LWS3转角传感器与设计的转角传感器固定在同一根旋转轴上，由上位机分别接收两个转角传感器输出的角度值。当旋转轴转过一定角度时，记录LWS3转角传感器输出的基准角度值和设计的转角传感器输出的实测角度值，并计算实测角度的线性度。为了充分考察传感器小角度和大角度测量的精度，试验在0～90°之间每间隔30°取一个测量点；在90～360°之间每间隔90°取一个测量点；在360～720°之间每隔180°取一个测量点。关闭霍尔角度校正模块的条件下，试验结果如表1所示；开启霍尔角度校正模块的条件下，试验结果如表2所示。

表1　关角度校正对比试验结果

表2　开角度校正对比实验结果

从表1和表2的结果可以看出，开启霍尔角度校正模块后，角度数据的线性度和测量可靠性都比开启前有了明显提高，实验测量结果较好。文中没有对采集的角速度信号进行滤波和数据的融合，若进一步做好滤波和融合的处理，测量精度可进一步提高。

5　结束语

文中提出了一种基于陀螺仪传感器的方向盘转角测量方法，并给出了设计的转角传感器的软件和硬件的具体实现方法。该转角传感器测量方法简便，装置结构简单，属于非接触式测量。经调试，其性能稳定，工作可靠，能通过CAN总线接口输出数据，并且还可扩展各种总线接口完成通信，具有更佳的实用性和经济性。

参考文献：

[1]张英福．巨磁电阻在方向盘转角传感器中的应用．重庆工学院学报：自然科学版，2009，23(10)：17-20．

[2]杨财，周艳霞．方向盘转角传感器研究进展．传感器与微系统，2007，26(11)：1-4．

[3]Silicon Laboratories．C8051F04x Datasheet[DB/OL]．(2005-12-13)．[2013-05-15]．http：//www．silabs．com/Support Documents/TechnicalDocs/C8051F04x．pdf．

[4]STmicroelectronics．L3G4200D Preliminary Datasheet[DB/OL]．(2010-12-21)．[2013-05-15]．http：//www．st．com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00265070．pdf．

[5]WILMSHURST T．PIC嵌入式系统开发．陈小文，闫志强，译．北京：人民邮电出版社，2008．