隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車正朝著智能化的方向發(fā)展。隨汽車智能化程度的增加，傳感器在汽車上的應(yīng)用越來越多。油門踏板角位置是汽車智能化控制中的一個(gè)重要參數(shù)，目前市場(chǎng)上的角位置傳感器大多價(jià)格昂貴、體積大、壽命低。因此，開發(fā)一款價(jià)格低、體積小、壽命相對(duì)較高的油門踏板角度傳感器顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)的目的是開發(fā)一款基于賽普拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可編程片上系統(tǒng)CY8C29466的非接觸式角度傳感器。

設(shè)計(jì)原理

首先通過三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路，產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)，電路中的電感系數(shù)L隨被測(cè)角度的改變而改變；然后把正弦波信號(hào)輸入到電壓比較器，得到一個(gè)方波信號(hào)；最后把方波信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，根據(jù)方波信號(hào)的頻率由單片機(jī)輸出分別與角度成線性關(guān)系的電壓和頻率兩路信號(hào)。

1．三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路

圖1所示是基本的三點(diǎn)式LC正弦波振蕩回路，一個(gè)三點(diǎn)式LC正弦波振蕩回路要想正常工作，必須具備一個(gè)振蕩回路(至少有兩個(gè)儲(chǔ)能原件)、振蕩能量來源(電源+Vcc)和控制元件(三極管)。

圖1(a)：三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路

圖1(b)：三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路

2．混合信號(hào)PSoC

傳統(tǒng)的單片機(jī)只包括數(shù)字邏輯系統(tǒng)，而本設(shè)計(jì)采用的CY8C29466不僅具有數(shù)字邏輯系統(tǒng)，還具有模擬模塊和模數(shù)混合信號(hào)模塊，例如增益可編程放大器、電壓比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。該芯片的高集成度特性使整個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)省了元器件、產(chǎn)品的體積也更小。

硬件設(shè)計(jì)

傳感器的硬件部分主要包括兩大部分，其中CY8C29466和外圍電路為第一部分。CY8C29466主要負(fù)責(zé)測(cè)量信號(hào)的頻率，進(jìn)行溫度校正和相應(yīng)的線性化處理，并輸出電壓信號(hào)和頻率信號(hào)。

外圍電路主要完成以下工作：

1. 電壓轉(zhuǎn)換，將供給溫度傳感器的10V電壓轉(zhuǎn)換為5V的電壓，作為單片機(jī)和電位計(jì)的電源；

2. 環(huán)境溫度測(cè)量；

3. 形成振蕩回路；

4. 實(shí)現(xiàn)雙回路保護(hù)，提高產(chǎn)品的可靠性。傳感器第二部分電路的作用是實(shí)現(xiàn)通過改變角度來改變角度來改變線圈的電感系數(shù)。

硬件部分所使用的器件見表1。

表1：基于CY8C29466設(shè)計(jì)方案所用的元件

軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程中用到的模塊主要有：ADCINC12、CMPPRG、DAC8、INSAMP、PGA、PWM16_1、PWM16_2、Timer16、Counter24。它們的位置和相互之間的連接方式如圖2所示。其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADCINC12用來將溫度傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)，用于傳感器輸出量的修正；電壓比較器模塊CMPPRG、反向放大器模塊INSAMP和增益可編程放大器模塊PGA三個(gè)模塊與外圍的若干電子元件一起構(gòu)成三點(diǎn)式正弦波振蕩回路；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC8用于產(chǎn)生傳感器的電壓輸出信號(hào)；脈寬調(diào)制模塊PWM16_1用于數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC8的時(shí)鐘源，提高了數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度；脈寬調(diào)制模塊PWM16_2用于產(chǎn)生傳感器的頻率輸出；定時(shí)器模塊Timer16和計(jì)數(shù)器模塊Counter24用于計(jì)算輸入信號(hào)的頻率。

圖2：用戶模塊圖

程序的執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3：程序執(zhí)行流程圖

設(shè)計(jì)方案比較

采用PSoC與采用傳統(tǒng)的單片機(jī)相比具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1. 使用的元器件的數(shù)目減少。由于PSoC中含有模擬模塊，可以進(jìn)行模擬信號(hào)的輸出，所以在設(shè)計(jì)的過程中可以節(jié)省很多模擬器件。表2為采用某傳統(tǒng)的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在缺少PWM信號(hào)輸出功能的情況下，所用的器件。通過比較表1和表2，可以清楚的看到這一點(diǎn)。

2. 成本大大降低。使用的元器件數(shù)目減少，而PSoC芯片的市場(chǎng)價(jià)與其他傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，一般都偏低，所以成本降低。粗略估計(jì)成本可以降低20% ~30%。

3. 縮短設(shè)計(jì)周期。這一點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：在硬件設(shè)計(jì)方面，由于使用的元件數(shù)目減少，電路簡(jiǎn)單，減少設(shè)計(jì)所用時(shí)間；在軟件設(shè)計(jì)方面，高效的開發(fā)工具為用戶提供了高效的開發(fā)手段，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，PSoC只需很少的代碼，而傳統(tǒng)的單片機(jī)則要用戶編寫大量的代碼。

產(chǎn)品的特點(diǎn)和應(yīng)用前景

本產(chǎn)品與市場(chǎng)上現(xiàn)有的同類產(chǎn)品相比較具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 非接觸式。

在工作過程中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件之間沒有接觸，排除了因磨損導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確的可能性，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的壽命。

2. 溫度校正。

本產(chǎn)品具有溫度校正能力，環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)的改變不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3. 線性化。

本產(chǎn)品輸出的兩路信號(hào)：電壓值，PWM波的頻率均與角度成線性關(guān)系。

4. 兩路輸出信號(hào)。

本產(chǎn)品具有兩路輸出信號(hào)，使用者可以根據(jù)自己的需要選擇其中的一路輸出信號(hào)，或者同時(shí)使用兩路信號(hào)。

5. 雙回路保護(hù)。

本產(chǎn)品具有一個(gè)雙回路保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)其中的一個(gè)回路失效時(shí)，另一個(gè)回路會(huì)馬上起作用，保證正常運(yùn)行，提高了產(chǎn)品的可靠性。

6. 體積小，價(jià)格低。

以上特點(diǎn)決定了本產(chǎn)品將會(huì)具有很好的應(yīng)用前景。它具有較高的可靠性，較長(zhǎng)的壽命，與被測(cè)量成線性關(guān)系的準(zhǔn)確地輸出，較小的體積，低廉的價(jià)格都完全符合使用者的要求，是廣大的汽車生產(chǎn)廠家的首選產(chǎn)品。除用于汽車油門踏板的角度測(cè)量外，該產(chǎn)品還可以用于其它場(chǎng)合的角度測(cè)量，如電動(dòng)自行車的精確控制中。

表2：使用傳統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計(jì)方案所用元件