一种车速传感器的车速信号测量方法及其测控系统

摘要

本发明涉及一种车速传感器的车速信号测量方法及其测控系统，该测量方法是以动态分频法为基础，采用基于电机PWM控制周期和车速信号周期的动态分布测量窗口的测量方法。该车速传感器测控系统包括下位机单元、上位PC机人机界面单元、车速工况模拟单元、霍尔式车速传感器和汽车车速仪表单元；车速工况模拟单元包括车速电机；下位机单元包括下位机DSP系统板、车速传感器调理电路和车速电机驱动电路。本发明的车速传感器的车速信号测量方法不仅操作简单、方便，而且车速信号频率测量精度高，测试直观且标定精确。本发明的车速传感器测控系统结构设计简单、合理，成本低，人机界面友好，能方便实际应用。

说明书

技术领域

本发明涉及车速传感器技术领域，尤其涉及一种车速传感器的车速信号测量方法及其测控系统。

背景技术

目前市场上的传感器实验台不能有针对性的满足汽车传感技术方面的实践教学要求。为此我们之前一直以简易的实验器材来开发实验。譬如“霍尔式车速传感器”实验，只能把传感器简单的固定后外接电源，手动旋转输入轴后观测输出脉冲的形式来认识传感器特性，无法更深入的了解和应用，且测试过程非常不便，不便于规模化、重复化实验；同时车速信息相关测试和标定存在测试不够直观以及标定不方便、不够精确。虽然现有文献提出了霍尔式车速传感器测试系统的开发方案，由于其为汽车公司配套研制的项目，偏重于测试性能好坏，作为实践教学来说有一定的局限性，不便作为测试和控制开发的平台。

同时，现有的车速信号测量方法主要有：测频法、测周法、测频／测周切换法、时钟细分法以及动态分频法。测频法具有平均滤波作用，频率较高时测量精度较高，频率较低时由于样本数较少而精度偏低。测周法实时测量相邻脉冲的周期，低速时测量实时性好，测量高速信号时由于脉冲间隔短，稍微的周期波动经过倒数运算后得到较大的频率偏差。测频／测周切换法限于二者固有测量误差的影响，切换临界点附近的数值测量精度不能做到很高。时钟细分法理论精度可以做到很高，但是实现较为复杂。动态分频法是在X个转速脉冲内(周期Tx，频率fx)，计数n个定时器计数时钟(周期T0，频率f0)。则满足关系式：x×Tx=n×T0，即x/fx=n/f0，从而得到关系式：fx=f0×x/ n，式中f0为常数。被测频率fx较低时x取的较少，对应n较大；被测频率fx较高时x取的较多，对应n要较大以达到平均滤波的目的。所以n始终保持为一个较大的数但并非常数，取决于x个Tx的宽度。其测量思想即对x个被测脉冲信号进行了n分频，再乘以一个较大的常系数f0，理论误差为n的计数产生的±1个误差。难点是如何确定x的数目以兼顾低频和高频时的测量精度。 

综上可知，有必要对现有技术进一步完善。

发明内容

为了解决上述问题，本发明是为了解决现有汽车车速信息相关测试和标定存在测试不够直观以及标定不够方便、精确，测量精度低等问题而提出一种结构简单、合理，操作方便，人机界面友好，成本低，测试直观且标定精确，测量精度高，能方便实际应用的车速传感器的车速信号测量方法及其测控系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的车速传感器的车速信号测量方法，是以动态分频法为基础，采用基于电机PWM控制周期和车速信号周期的动态分布测量窗口的测量方法。

所述的车速传感器的车速信号测量方法即首先用标准信号发生器产生方波进行“频率f-车速v”关系标定，然后再用标准信号发生器产生方波来验证车速测量算法是否正确，在此基础上再进行实际车速信号测量；所述实际车速信号测量是通过对车速电机特性分析实验确定电机PWM控制周期为TK，根据测量与控制输出的基本关系，测量周期小于等于TK；同时兼顾低速和高速时的采样计算频率，采样计算频率的快慢与车速高低相适应，随着该车速增高或降低，采样计算频率加快或减慢。

所述的车速传感器的车速信号测量方法，其实际车速信号测量的具体步骤为：以所述电机PWM控制周期TK窗口为基准窗口，当测量信号上升沿依次到来时，CAP5端口捕捉中断，读取捕捉值存于相应的数组，并软计数依次加1；同时在第一个捕捉中断即软计数大于等于1后，进行测量周期的中断软计数顺次加1；选定定时器时钟,测出一个控制周期内对应的时钟脉冲个数，计算出被测脉冲次数决定的最大间隔，最后计算得到车速脉冲信号周期。

所述的车速传感器的车速信号测量方法，当被测脉冲个数跨越多个控制周期时，始末脉冲间隔由3段组成；当被测脉冲个数跨越1个控制周期时则中间一段为0；当全部脉冲在1个控制周期内时，后2段为0。

所述的车速传感器的车速信号测量方法，其测控流程为：首先通过上位机将设定车速发给下位机DSP系统板，然后下位机DSP系统板将车速传感器调理电路送来的信号通过车速检测子程序进行检测，设定车速和检测车速相比较后，调用前馈数字递推PID子程序进行闭环控制，当控制车速结果稳定后，保存测量结果，当前设定车速的测控流程结束。当实时监测速度增量瞬时超过一个阈值时，即调用前馈控制，由速度增量乘以前馈系数Kf，立即无延时的叠加到当前PWM输出而无需等待到下一个PWM控制周期；否则只进行单纯的数字递推PID控制。

上述的车速传感器测控系统，包括下位机单元及与所述下位机单元连接的上位PC机人机界面单元；所述测控系统还包括车速工况模拟单元、霍尔式车速传感器和汽车车速仪表单元；所述车速工况模拟单元包括有车速电机；所述霍尔式车速传感器一端通过联轴器联结所述车速电机，另一端连接所述汽车车速仪表单元；所述下位机单元包括下位机DSP系统板、车速传感器调理电路和车速电机驱动电路；所述下位机DSP系统板双向通信连接所述上位PC机人机界面单元，同时控制连接所述车速电机驱动电路并通过所述车速电机驱动电路连接驱动所述车速工况模拟单元；所述汽车车速仪表单元通过所述车速传感器调理电路反馈连接所述下位机DSP系统板。

所述的车速传感器测控系统，其中：所述下位机DSP系统板具有信号捕捉端口CAP5及PWM波形的输出引脚PWM3；所述下位机DSP系统板为带前馈控制的数字递推PID控制式的DSP系统板；所述车速传感器调理电路由电阻R51~R54、二极管D5、电容C51~C52、倒相放大器U3和开关光耦U5连接组成；所述电阻R51的一端通过二极管D5连接倒相放大器U3的输入端，另一端通过输入端子CS-IN匹配插接有端子B5；所述电阻R51是连接所述二极管D5的阴极端，所述二极管D5的阳极端是连接所述倒相放大器U3的输入端；所述电阻R52一端连接+5V电源，另一端连接于所述二极管D5阳极端与倒相放大器U3输入端的连接点；所述电容C51一端接地，另一端连接于所述电阻R51与二极管D5阴极端的连接点；所述倒相放大器U3的输入端接地，输出端通过所述电阻R53连接所述开关光耦U5的阳极；所述开关光耦U5的阴极接地，集电极连接+3.3V电源，发射极通过所述电阻R54也接地且还与所述信号捕捉端口CAP5连接；所述电容C52的一端连接所述开关光耦U5的发射极，另一端接地。

所述的车速传感器测控系统，其中：所述车速电机驱动电路由电阻R91~R94、倒相放大器U4、开关光耦U9、场效应管Q9、二极管D9以及极性电容C91连接组成；所述电阻R91一端接地，另一端与所述输出引脚PWM3连接；所述倒相放大器U4为至少一对，其中一个所述倒相放大器U4的输入端通过所述电阻R92连接所述输出引脚PWM3，输出端连接于另一所述倒相放大器U4的输入端，另一所述倒相放大器U4的输出端通过所述电阻R93连接于所述开关光耦U9的阳极；所述开关光耦U9的阴极接地，发射极连接于所述场效应管Q9的栅极，集电极通过输出端子CS-OUT﹢匹配插拔连接于所述车速电机一端并与另一+5V电源连接；所述场效应管Q9的漏极通过另一输出端子CS-OUT﹣连接于所述车速电机另一端，源极接地并通过所述电阻R94连接所述场效应管Q9的栅极；所述二极管D9连接于所述开关光耦U9的集电极与场效应管Q9的漏极之间；所述二极管D9的阳极端连接所述场效应管Q9的漏极，阴极端连接所述开关光耦U9的集电极；所述极性电容C91并联于所述车速电机的两端；所述极性电容C91的正极连接所述二极管D9的阴极端，负极与所述二极管D9的阳极端连接。

所述的车速传感器测控系统，其中：所述汽车车速仪表单元与所述车速传感器调理电路之间还设有测量端口；所述测量端口还连接有示波器；所述车速电机由所述下位机DSP系统板通过所述输出引脚PWM3实时输出相应PWM波形驱动。

有益效果：

本发明车速传感器的车速信号测量方法操作简单、方便，不仅车速信号频率测试直观且标定精确，而且车速信号频率精度高、频率误差小，同时能兼顾低频和高频时的测量精度，测量精度实现较为简单，整个测量方法能够科学、准确的得出车速信号频率；与此同时，本发明的测量方式可以在同一个窗口内并行测量多个频率信号而互不影响，能方便实际应用，为车速信号频率的研究以及实际应用提供了极大便利，适于推广与应用。

本发明车速传感器测控系统，是基于上述车速传感器的车速信号测量方法而设计，其结构设计简单、合理，成本低，人机界面友好，测试直观且标定精确；其中，采用霍尔式的车速传感器具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点，低速效果良好，不存在低速时掉脉冲现象；车速传感器信号测量准确可靠，模拟车速工况控制快速平稳。同时，车速电机驱动电路模块通过优化驱动电路工作效果、精确匹配电路参数来加强工作稳定性；车速传感器调理电路模块抗电磁干扰能力强，车速传感器信号经整形后陡峭而无杂波，加强了整形效果，使得下位机单元的测量准确可靠。再则，灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用，不仅能满足相关的实践教学，也是很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。

附图说明

图1为本发明车速传感器的车速信号测量方法的流程图；

图2为本发明车速传感器的车速信号测量方法的原理示意图；

图3为本发明车速传感器的车速信号测量方法的车速标定图；

图4为本发明车速传感器的车速信号测量方法的发动机动力传递路线图；

图5为本发明车速传感器测控系统的结构原理图；

图6为本发明车速传感器测控系统的控制电路结构图；

图7为本发明车速传感器测控系统的汽车车速仪表单元的电气原理图；

图8为本发明车速传感器测控系统的下位机DSP系统板带前馈控制的数字递推PID控制策略图。

具体实施方式

本发明车速传感器的车速信号测量方法,是基于车速传感器测控系统而设定。本发明车速传感器的车速信号测量方法是以动态分频法为基础，采用基于电机PWM控制周期和车速信号周期的动态分布测量窗口的测量方法，其首先用标准信号发生器产生方波进行“频率f-车速V”关系标定，然后再用标准信号发生器产生方波来验证车速测量算法是否正确，在此基础上再进行实际车速信号测量。

以下结合具体实施例对标准信号发生器产生方波进行“频率f-车速V”关系标定的过程以及实际车速信号测量的过程进行描述:

本实施例中该标准信号发生器产生方波进行“频率f-车速V”关系标定的过程, 即先将信号发生器与仪表地共地，并给仪表接上24V直流电源，用信号发生器产生5V方波频率f(Hz)输入仪表B16端，得到仪表显示车速V(km/h)。测量数据如下表1所示。

表1 汽车车速系数标定测量

用最小二乘法进行线性拟合，如图3所示。得到关系方波频率f与仪表车速V之间的关系式：

             V= 0.6927×f + 0.364             (1)

或           f = 1.443× V - 0.5209           (2)

可见线性关系比较好，零点误差也很小，基本不用修正，可以直接作为程序利用的标定公式。

根据公式(2)可以进一步得到车速V(km/h)与电机转速n(r/min)之间的关系式。由于车速传感器每周8个脉冲，所以即：                               (3)

把(2)式代入上式(3)中，得到：

                  (4)

由此式可知，当车速V达到车速表最大值150km/h时，对应电机转速n=1608r/min，此为电机选型时重要参考的参数。公式(4)也是车速电机控制时，计算当前车速电机转速的公式。

推导公式(2)中的V-f系数为1.433而非其它值，其中，图4是发动机动力传递路线图，从中可以看到汽车车速的分布位置，即一般位于变速器输出轴附近，车速即为变速箱输出转速经主减速器减速后到达轮毂后折算出的线速度。假定车速为V(km/h)，车速传感器信号频率为f(Hz)，车轮直径径为D(m)，变速箱输出转速为n_b(r/min)，经主减速器传动比为i₀，轮毂输出转速为n₁(r/min)，车速传感器转速n=n_b/k，k为车速自变速箱输出取样时的变比系数。则f-V的理论关系式为：

由代入得：

             (5)

由上可知，车轮外直径D、变比系数k、主减速比i₀共同决定了V-f的实际系数比。

本实实施例中该实际车速信号测量过程,即通过对车速电机特性分析实验，以电机PWM控制周期为10ms，再根据测量与控制输出的基本关系，测量周期在10ms以内，同时，要兼顾低速和高速时的采样计算频率，即低速时由于信号周期长，采样计算频率慢，反之高速时采样计算频率要快。也就是采样计算频率的快慢要与车速高低相适应，随着该车速增高或降低，采样计算频率加快或减慢。

如图2所示，该实际车速信号测量的具体步骤,即以电机PWM控制周期10ms窗口为基准窗口，当测量信号上升沿依次到来时，CAP5端口捕捉中断，读取捕捉值存于相应的数组result_cs[i_cap5]，并软计数i_cap5依次加1；同时在第一个捕捉中断即软计数i_cap5≥1后，进行10ms的中断软计数T1INT_cs顺次加1。

选定定时器时钟为3.2us，10ms对应3125个时钟脉冲。则得到车速脉冲信号周期T_C和频率f_C的计算通式(6)、(7)。图2说明，被测脉冲个数大于或等于两个，当被测脉冲跨越多个10ms时，始末脉冲间隔由3段组成；当跨越1个10ms时则中间一段为0；当全部脉冲在1个10ms内时，后2段为0。无论是全部脉冲在10ms内完成或者是跨越1个、任意个10ms，该公式都能统一完成，十分简洁方便。

T_C=((3125-result_cs[1]+result_cs[i_cap5N])+3125×(T1INT_cs-1))× (i_cap5N-1)×(3.2/1000)   (ms)             (6)

f_C=1000/T_C         (Hz)                     (7)

在下位机的程序计算中，i_cap5为变量，i_cap5N为参量，由表2分段选择捕捉次数上限i_cap5N。

为防止无脉冲时或极低速度时直接套用上述公式造成的极限转换误差(如数据溢出)，当50ms内监测脉冲个数为0时即认为f_C =0。为进一步减小由于装配同心度偏差等引起的波动(波动若超过一个阈值时，即首先调用前馈控制)，频率值再进行滑动平均中值滤波。

表2 捕捉次数上限设置

 其中，本发明车速信号测量方法要兼顾测量精度的要求及与控制周期相匹配，由上述理论公式(2)计算后分段选择捕捉次数上限i_cap5N，即被测脉冲次数决定的最大间隔。在此基础上根据表2由设定车速V设置数段区间，即V∈[0，40],(40，80]，(80，140]，(140，170]，(170，Vmax]。i_cap5N在低速时(此时T_C较大)取值较小，以确保测量的及时性；中高速时稍微放大，相当于加强了较高转速时(此时T_C较小)的平均滤波效果，以减小T_C由公式(7)倒数运算后计算得到的f_C的误差，因为T_C较小时稍微的波动误差即会造成较大的f_C的误差。

本发明车速传感器的车速信号测量方法的测控流程：

首先通过上位机将设定车速发给下位机DSP系统板，然后下位机DSP系统板将车速传感器调理电路送来的信号通过车速检测子程序进行检测，设定车速和检测车速相比较后，调用前馈数字递推PID子程序进行闭环控制，当控制车速结果稳定后，保存测量结果，当前设定车速的测控流程结束。

其中，当实时监测速度增量瞬时超过一个阈值时，即调用前馈控制，由速度增量乘以前馈系数K_f，立即无延时的叠加到当前PWM输出而无需等待到下一个PWM控制周期；否则只进行单纯的数字递推PID控制。

如图5至7所示，采用上述测量方法的车速传感器测控系统，包括车速工况模拟单元1、霍尔式车速传感器2、汽车车速仪表单元3、下位机单元4和上位PC机人机界面单元5。其中，该下位机单元4包括下位机DSP系统板41、车速传感器调理电路42和车速电机驱动电路43。

该车速工况模拟单元1一端连接霍尔式车速传感器2，另一端通过车速电机驱动电路43与下位机DSP系统板41连接；其中，该车速工况模拟单元1包括车速电机11，该车速电机采用小型直流电机且通过联轴器与霍尔式车速传感器2联结。

该霍尔式车速传感器2一端连接汽车车速仪表单元3，其将车速信号送往汽车车速仪表单元3的汽车仪表盘进行显示。

该汽车车速仪表单元3通过车速传感器调理电路42连接下位机DSP系统板41，即由霍尔式车速传感器2传来的车速信号经汽车车速仪表单元3通过车速传感器调理电路42送达下位机DSP系统板41进行实时测量，并与设定车速比较后进行反馈控制。其中，在汽车车速仪表单元3与车速传感器调理电路42之间还设有测量端口，该测量端口还连接有示波器6，通过用示波器6可实时测量霍尔式车速传感器2的当前实际波形及整形波形。

该下位机DSP系统板41的一端通过串口进行双向通信连接上位PC机人机界面5，另一端连接控制车速电机驱动电路43并通过车速电机驱动电路43来驱动连接车速工况模拟单元1。该下位机DSP系统板41具有信号捕捉端口CAP5及PWM波形的输出引脚PWM3。其中，由于加工及装配过程中，无法保证车速电机11和霍尔式车速传感器2之间的同轴度完全理想，而且键槽和键之间有些缝隙，电机运行中相当于系统增加了一个侧向扰动。因此，如图8所示，该下位机DSP系统板41采用的是带前馈控制的数字递推PID控制式的DSP系统板，能保证在出现扰动时即进行控制而非事后进行补偿控制，能更有效的消除扰动对被控参数的影响。该下位机DSP系统板41采用带前馈控制的数字递推PID控制策略相比单纯的PID控制，车速电机的波动性得到了有效改善。同时，为减少电机启动过程中的控制超调，可通过开环实验确定电机的死区电压所对应的占空比，即为电机控制的初始占空比。

该车速传感器调理电路42由电阻R51~R54、二极管D5、电容C51~C52、倒相放大器U3和开关光耦U5连接组成；其中，电阻R51的一端通过输入端子CS-IN匹配插接有端子B5，另一端通过二极管D5连接倒相放大器U3的输入端；其中，二极管D5的阴极端连接电阻R51，阳极端是连接倒相放大器U3的输入端；电阻R52一端连接于二极管D5阳极端与倒相放大器U3输入端的连接点，电阻52的另一端则连接于+5V电源；电容C51一端接地（模拟地），另一端连接于电阻R51与二极管D5阴极端的连接点，即电容C51与电阻R51一起组成RC滤波电路；倒相放大器U3的输入端接地（模拟地），输出端通过电阻R53连接开关光耦U5的阳极；开关光耦U5的阴极接地（模拟地），集电极连接+3.3V电源，发射极通过电阻R54接地（数字地）且还与下位机单元4的CAP5捕捉端口连接；电容C52的一端连接开关光耦U5的发射极，另一端接地（数字地）。

由于车速传感器调理电路42受到车速电机11电刷及其它如磁电式转速传感器空间电磁干扰等因素的影响，所以自汽车车速仪表单元3经端子B5输出的信号并不是标准的方波信号，而是夹杂着大量尖峰和毛刺，所以需要进一步处理才能送往下位机DSP系统板41的信号捕捉端口CAP5。输出脉冲信号首先经过由电阻R51与电容C51组成的RC滤波电路进行滤波，滤除高频干扰信号。然后经过一个反串的二极管D5上拉电路，输入端子CS-IN为低电平时二极管D5导通输出低电平信号，输入端为高电平时二极管D5截止输出高电平信号。由于尖峰毛刺主要出现在高电平输入时，故能进一步的滤除尖峰毛刺造成的干扰。为使输出波形更加陡峭，输出信号再经过带正反馈的迟滞比较器施密特反相器即倒相放大器U3，并能进一步克服噪声和驼峰干扰现象。然后再经过开关光耦进行光电隔离后送往下位机DSP系统板41的信号捕捉端口CAP5，避免传感器地和数字地之间的串扰。

该车速电机驱动电路43由电阻R91~R94、一对倒相放大器U4、开关光耦U9、场效应管Q9、二极管D9以及极性电容C91连接组成；其中，该电阻R91一端接地（数字地），另一端连接于下位机DSP系统板41的输出引脚PWM3；该一对倒相放大器U4串接在一起，即其中一个倒相放大器U4的输入端通过电阻R92连接下位机DSP系统板6的输出引脚PWM3，输出端则连接于另一倒相放大器U4的输入端，另一倒相放大器U4的输出端则通过电阻R93连接于开关光耦U9的阳极；开关光耦U9的阴极接地（数字地），发射极连接于场效应管Q9的栅极，集电极通过输出端子CS-OUT﹢端子匹配插拔连接于车速电机11一端并与另一+5V电源连接；场效应管Q9的漏极通过另一输出端子CS-OUT﹣连接于车速电机11另一端，源极接地（模拟地）并通过电阻R94连接场效应管Q9的栅极；二极管D9为硅二极管，其连接于开关光耦U9的集电极与场效应管Q9的漏极之间，即二极管D9的阳极端连接场效应管Q9的漏极，二极管D9的阴极端连接开关光耦U9的集电极；极性电容C91并联于车速电机11的两端，即极性电容C91的正极与二极管D9的阴极端连接，极性电容C91的负极与二极管D9的阳极端连接。

当实时测量车速和设定车速比较后，下位机单元4通过软件控制算法后经过输出引脚PWM3实时输出相应的PWM波形以驱动车速电机11。PWM波形经过两级反相器即倒相放大器U4驱动后送往开关光耦U9进行隔离驱动后，去控制IRF540N型场效应管Q9的栅极，使负载车速电机11与地的通路进行通断控制。反并的二极管D9起到续流二极管的作用，当车速电机11突然减速后生成的感生电势能量通过二极管D9释放，避免击穿场效应管Q9。车速电机11两端并联极性电容C91，可以平滑PWM波形，使车速电机11运行更加平稳。

其中，如图6、7所示，汽车车速仪表单元3通过端子B13接+24V电源，同时还通过端子B1接地（模拟地）。霍尔式车速传感器2通过端子B17连接工作电压(+8.6V)，同时还通过端子B16将车速传感器信号输入汽车车速仪表单元3内部进行显示，并经端子B5输出。故可直接利用端子B5，把汽车车速仪表单元3输出的车速方波信号直接作为车速信号源送往后级车速传感器调理电路42及下位机DSP系统板41。

上位PC机人机界面单元5接受下位机单元4传来的车速测量数据后同步进行显示，同时设定操作者所期望的车速并发送给下位机单元4。

本发明车速传感器的车速信号测量方法操作简单、方便，车速信号频率测量精度高，能兼顾低频和高频时的测量精度，测试直观且标定精确，能够科学、准确的得出车速信号频率，适于推广与应用。

本发明车速传感器测控系统是基于霍尔式车速传感器来设计，其结构设计简单、合理，成本低，其中，灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用，不仅能满足相关的实践教学，也是很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。