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数据
0xaa 0x55 AnalogX_H AnalogX_L AnalogY_H AnalogY_L CheckSum
说明
数据帧的字头 数据帧的字头 X 轴倾角编码值高 8 位 X 轴倾角编码值低 8 位 Y 轴倾角编码值高 8 位 Y 轴倾角编码值低 8 位 校验位
线和粉线 是 一 对，红 线 是 这 两 组 线 圈 抽 头 的 公 共 线。 蓝线和黄线、橙线和粉线接控制脉冲输出，所以只需要 4 个输出接口。通过内部逻辑程序的管脚分配，选用 的是驱 动 芯 片 的 前 4 个 管 脚，输 出 管 脚 即 OUT1 ～ OUT4 。红线接 + 5 V 的直流电源。 2． 2 步进电机工作原理
选用的传感器量程为 － 90° ～ 90°。倾角传感器产 生的是二进制数据，解码方式如下。
① 接收的 16 位整数≤32 768 时，倾角值 = 16 位 整数 × 90 /32 768（ 正角） 。
② 接收的 16Biblioteka 位整数 ＞ 32 768 时，倾角值 = （ 16 位 整数 － 65 535） × 90 /32 768（ 负角） 。
图 4 计算器和脉冲分配器逻辑程序顶层图 Fig． 4 Top layer of the logical program of calculator and pulse distributor
3． 1． 1 计算器 计算模块连接通信的主要引脚的功能如下。 clk 表示时钟信号，使模块 正 常 工 作 的 时 钟。rst
关键词： 倾角传感器 步进电机 FPGA VHDL 异步串行 实时监测
中图分类号： TP391
文献标志码： A
Abstract： According to the driving mode and working principle of the stepping motor，by effectively combining the stepping motor and tilt
数据通过 RS-232 接口异步串行进入 FPGA。通过 FPGA 内部逻辑运算和处理，将实际测量角度反馈给 上位机进行实时 监 测。 上 位 机 下 发 定 位 角 度，将 角 度 转换的脉冲数通过脉冲分配器输出； 再经电机驱动芯 片的功率放大后给 到 电 机 上，使 电 机 旋 转 到 设 定 的 位 置，并在当前位置保持动态平衡。
由于 16 位数每变化一位，角度值也会随之变化， 所以倾角传感器的精度理论值为（ 1 /32 768） °。 2． 2． 3 角度与脉冲个数的转换
由上述分析可知，步进电机的精度为 0． 088°。为 便于底层逻辑程序编写时换算，将这个角度表示为 N； 倾角传感器的精度为（ 1 /32 768） °，将这个角度表示为 n，N / n 约等于 32。所以当倾角传感器产生的数据变 化约 32 个精度单位时，电机变化一个精度单位，即将 产生的角度数据转化成整数与 32 循环作差。当数据 减到小于 32 时，停止作差循环。通过计数器将“32 ” 的个数进行累加，即为实际输出的脉冲数。对于实际 位置偏离参考面的上下两侧，则通过控制步进电机的 旋转方式来实现调整要求［8］。
以上信号中，除 cntoutX 为输出信号外，其余均为 输入信号。 3． 1． 2 脉冲分配器
脉冲分配模块连接通信的主要引脚的功能如下。 clk32 表示时 钟 信 号，驱 动 准 备 时 钟 1． 25 MHz。 rst 表示复位信号，低电平有效。复位后脉冲分配器处 于初始状态。cntin 表示脉冲个数信号，接收计算器给 出的脉冲个数及旋转方向。busy 表示忙碌等待信号， 脉冲分配器产生，当脉冲分配器处于忙碌状态时，输出 为高电平。data 表示执行信号，脉冲分配器输出给步 进电机时电机正常运转的执行脉冲。 以上信号中，除 data 为输出信号外，其余均为输 入信号。 3． 2 算法实现 为了直观显示，全面地表示出算法实现的过程，这 里以 45°所在的平面为参考平面，详细介绍了算法的 运用与实现。角度示意图如图 5 所示。
表示复位信号，低 电 平 有 效。 复 位 后 计 算 器 处 于 初 始 状态。datain 表示倾角传感器下发的数据，计算器内 部进行运算处理。wrin 表示写数据信号，每发生一次 由低到高的变化就写入一组数据。busy 表示忙碌等 待信号，脉冲分配 器 反 馈 给 计 算 器 的 信 号 。 当 脉 冲 分 配器处于 工 作 执 行 状 态 时，计 算 器 停 止 数 据 的 下 发。 cntoutX 表示脉冲个数信号（ 最高位控制旋转方向，剩 下的为数据位） ，由计算器内部计算转换产生，输出给 脉冲分配器，再由脉冲分配器分配启动脉冲，最终由步 进电机执行相应的步数。
图 3 驱动电路 Fig． 3 Driving circuit 本设计选用的步进电机型号为 24BYJ48-5V，共有 4 对磁极 即 4 相，5 根 线 依 次 为 红、橙 （ A ） 、黄（ B） 、 粉（ C） 、蓝（ D） 五种颜色。其中蓝线和黄线是一对，橙 《自动化仪表》第 34 卷第 2 期 2013 年 2 月
步进电机对测量角度的定位与控制 杨海光，等
步进电机对测量角度的定位与控制
Positioning and Control for Angle Measurement Implemented by Stepping Motor
杨海光1，2 刘文怡1，2 朱思敏1，2 张会新1，2
( 电子测试技术重点实验室1 ，山西 太原 030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2 ，山西 太原 030051)
图 2 RS-232 串口通信原理图 Fig． 2 Principle of RS-232 serial port communication 通过对底层逻辑程序的编写，对串行进入 FPGA 内部的倾角数据进 行 采 集、编 码、计 算，最 终 将 倾 角 数 据转化为脉冲个数，并 根 据 电 机 工 作 原 理 重 新 分 配 输 出。FPGA 将处理后的数据经 ULN2003 电机驱动芯片 输出给步进电机。 驱动电路如图 3 所示。
本文将倾角传感 器 镶 嵌 在 步 进 电 机 的 转 轴 上 ，控 制计算机下发定位角度； 通过 FPGA 将定位角度与当 前实际角度进行对 比 运 算，以 控 制 输 出 脉 冲 个 数 的 方 式来控制角位移量，从而达到准确定位的目的； 并将倾 角传感器的实际测量值反馈给上位机进行实时监测， 进而达到对电机转轴偏转水平面角度的测量。
表 1 中，X 轴方向表示横滚角，Y 轴方向表示俯仰 角，本设计选用的是 X 轴方向的角度数据实现测量与
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PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 34 No. 2 February 2013
步进电机对测量角度的定位与控制 杨海光，等
定位的控制。经试验证明，Y 轴方向的控制与 X 轴的 原理相同。
1 系统总体结构
本设计主要可分为 5 个部分，分别为数据产生单 元———外接 的 数 字 式 倾 角 传 感 器、主 控 单 元——— FPGA、控 制 终 端———上 位 机、驱 动 单 元———功 率 放 大 器（ 步进电机驱动芯片） 、执行单元———永磁式减速型
国家自然科学基金重点资助项目( 编号: 51075375) 。 修改稿收到日期: 2012 － 03 － 02。 第一作者杨海光( 1987 － ) ，男，现为中北大学测试计量技术及仪器 专业在读硕士研究生; 主要从事传感器与数据采集方面的研究。
Keywords： Tilt sensors Stepping motor FPGA VHDL Asynchronous serial Real time monitoring
0 引言
步进电机。系统总体结构框图如图 1 所示。
随着航空航天和 飞 行 武 器 的 快 速 发 展 ，物 体 姿 态 的控制精度和反应速度成为精确与快速打击的关键因 素。本文基于快速与 精 确 调 整 设 备 姿 态 的 目 的 ，采 用 步进电机配合倾角传感器［1 －2］，实现了简易精确的姿 态角度测量控制系统，为低成本、高精度测控系统的发 展提供了参考。
2 硬件电路设计与工作原理
2． 1 硬件设计 外部电源给传感器供电，供电电压为 12 V。传感
器上电后下发倾角数据，通过串口逐位进入 MAX3232 中。MAX3232 将 12 V 的电平数据转化为 5 V 的电平 数据后串 行 进 入 FPGA。RS-232 串 口 通 信 原 理 图 如 图 2所示。
图 1 系统总体结构框图 Fig． 1 The overall structure of system
ROB100 上电（ 12 V） 即工作，并立刻通过 RS-232 串口输出倾角数据，波特率为 57 600 bit / s，输出的数 据格式为每帧 7 个字节。数据帧格式如表 1 所示。
表 1 数据帧格式 Tab． 1 Format of the data frame
sensor，and with PC as terminal device，the closed loop controllable system is structured． In the system，the XC2S50 chip of sparten2 series
from XILINX is used as the main control unit，ROB100 digital dual axle tilt sensor and 24BYJ48-5V permanent magnet deceleration type
摘 要： 根据步进电机的驱动方式及工作原理，将步进电机与倾角传感器有效结合，采用控制计算机作为终端设备，构成了一个闭环
可控系统。系统以 XILINX 公司 sparten2 系列的 XC2S50 芯片为主控单元，以 ROB100 型数字式双轴倾角传感器和 24BYJ48-5V 永磁式