专利名称：传感器标定和编程工具的制作方法
技术领域：
本发明属电子控制技术领域，具体涉及一款传感器的标定和编程的工具。
背景技术：
本发明是在汽车电子快速发展的背景下提出的。目前，许多汽车已经不再使用发动机传统控制方法。而是被方便性、操作性更佳，尾气排放越少，对环境污染更小的电控发动机所取代。随着电控发动机的应用，电控油门也逐渐取代传统油门成为主导。而利用霍尔元件作为传感器的电动油门踏板也逐渐占据主导地位。使用霍尔元件作为传感器，就需要根据发动机特性参数对其进行标定。因为当前的汽车市场有无数的汽车厂商，一家汽车厂商又有成千上百种车型。不同的车型配置不同的发动机。而不同的发动机特性不同。因此电动油门踏板的霍尔元件配置要适应不同的发动机，这样才能使油门踏板工作正常。而英飞凌TLE4997传感器适用于非常广泛的应用。在汽车领域的应用包括踏板与节气门定位、悬架控制、扭矩传感与变速杆位置检测等。在工业领域，这款传感器是机器人和自动化应用、医疗器械以及高电流传感应用等的理想选择。但现有技术中还没有专门针对霍尔元件(尤其是英飞凌霍尔传感器TLE4997)的标定和编程工具，使其能对霍尔元件进行标定和编程。
发明内容
本发明的目的在于提出一种方便实用，易于操作的对英飞凌霍尔传感器TLE4997 进行标定和编程的工具。此外，本发明的工具还能进行霍尔元件偏移量和增益的计算以及温度补偿。为达到上述目的，本发明提出的技术方案是一种传感器标定和编程工具，包括 上位机及界面交互模块、以单片机为处理核心的下位机及嵌入式模块；
其中，上位机和下位机之间使用MODBUS总线进行通讯，上位机作为总线主节点，下位机作为总线从节点，下位机外接传感器；
界面交互模块，位于上位机中，用于人机交互，通过上位机向下位机发出对传感器进行标定或编程的指令；
嵌入式模块，位于下位机中，执行所述标定或编程的指令，通过下位机对传感器进行标定或编程；
所述传感器为电动油门踏板霍尔元件；
所述标定包括电压与位置标定、零点标定和最大值标定中的一种或几种；所述电压与位置的标定，即电动油门踏板运动所处位置对应的该传感器输出电压；所述零点标定，即油门踏板在原位不被踩下时，该传感器输出电压为OV ；所述最大值标定，即油门踏板被踩到最大位置时，该传感器输出电压为该传感器输出电压的最大值。本发明的有益效果是
(1)本发明是对英飞凌霍尔传感器TLE4997进行标定和编程的工具，为该传感器的使用者提供了方便快速的标定和编程过程。(2)本发明的嵌入式模块可以通过对传感器的位置和输出电压进行了测量，从而计算出传感器的偏移量和增益，对传感器进行标定。(3 )本发明上位机和下位机之间通过MODBUS通讯，可以通过PC上位机上的界面交互模块观察到参数值以及控制下位机上的嵌入式模块对传感器进行标定，并将参数值写入传感器，使用起来非常方便。(4)本发明出于温度会对磁场强度造成影响的考虑，还可以对传感器的输出进行温度补偿。
图1为本发明--实施例总体框图。
图2为本发明--实施例下位机结构示意图。
图3为本发明--实施例下位机系统采样部分电路示意图。
图4为本发明--实施例下位机系统电源部分电路示意图。
图5为本发明--实施例嵌入式模块对传感器编程时的状态机流程图。
图6为本发明--实施例嵌入式模块对传感器编程时的状态机子状态流程图。
图7为本发明--实施例嵌入式模块采样流程图。
图8为本发明--实施例标定示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明传感器标定和编程工具一实施例主要包括上位机及界面交互模块，以单片机为处理核心的下位机及嵌入式模块。其中，上位机采用PC机即可，上位机和下位机之间使用MODBUS总线进行通讯，上位机作为总线主节点，下位机作为总线从节点，上位机通过写入命令，修改下位机MODBUS 寄存器的值，实现对下位机的控制；同样，通过对下位机寄存器的读取，读取希望的数据。下位机外接传感器一英飞凌霍尔传感器TLE4997。TLE4997是专门为满足高度精确的转角、位置测量以及精确的电流测量而设计的。其测量原理是基于霍尔效应的。由于电压与磁场强度成正比，因此该元件通过测量磁场强度的变化，产生与磁场强度成正比的电压输出。由于转角、位置及电流的变化都会引起磁场的变化，TLE4977正是通过这个原理来测量转角、位置及电流变化的。界面交互模块，位于上位机中，用于人机交互，通过上位机向下位机发出对传感器进行标定或编程的指令。嵌入式模块，位于下位机中，执行所述标定或编程的指通过下位机对传感器进行标定或编程。本实施例的下位机以英飞凌16位单片机为处理核心，主要负责以下任务
1)采集传感器正常工作输出
2)读取传感器参数
3)接受上位机命令，对传感器进行编程
4)向上位机反馈数据。如图2所示，本实施例的下位机的硬件设计根据其功能，可以分为以下几个部分系统电源、单片机最小系统电路、传感器信号采样电路、传感器通讯电路和MODBUS通讯电路。通常，单电源供电的运算放大器会在输出电压接近Ov时发生失真，为了保证本发明使用的运算放大器能够正确地输出通讯信号，从而使传感器的信息收发准确无误。本发明下位机的系统电源部分采用了双电源供电的运算放大器的设计方式(见图3)，运放部分使用了 24v双电源供电，数字电路部分地比运放地高出3v ；并采用如38实现了数字电路和模拟电路的隔离，这样，既保证了运算放大电路的输出精度，又保证了数字电路对运算放大电路的控制；位于运放负反馈回路上的开关与光耦协同工作，可以实现了编程器与传感器的双向通讯当CTRLlA控制运放输出打开，CTRLlT导通时，运放将来自DA芯片的信号进行放大输出，电路就工作在对外输出信号的模式；当运放输出被关闭，CTRLlT断开时时，电路就切换为对外部输入信号的采样的模式。此外，作为单片机和DA芯片的电源输入，需要一个精确的5v电压。因此，本发明下位机的系统电源部分还采用了 max6043+tle4251的组合，max6043是高精度的电压参考， 而4251是高精度的电压跟随器，且输出电流最大可以达到800ma，这样的电源电路，兼备了高精度与高驱动能力的特点。(见图4)。下位机的单片机最小系统电路由电源部分、外部晶振、启动配置及在线调试接口组成。传感器通讯电路方面，传感器标定和编程工具需要能够为传感器提供5V电源，以保证其能正常工作。所以我们使用了数字/模拟转化芯片(TLV5637) +运算放大器(DPAM7) 的方案。MODBUS总线协议是基于标准的RS232串行通讯接口的，MODBUS通讯电路电路基于串行通讯收发器(MAX232)设计而成。本实施例的下位机上的嵌入式模块包括采样和处理子模块，其通过传感器信号采样电路对传感器输出电压进行AD采样和处理操作；传感器通讯模块，其通过传感器通讯电路进行传感器标定或编程接口的访问，数据读取，校验数据的存储操作；MODBUS通讯模块，其通过MODBUS通讯电路进行下位机与上位机之间的通讯操作。如图5所示，本实施例采用状态机的设计方式来编写传感器通讯模块编程部分的程序，从而简化了编程过程中的复杂逻辑。状态流图包括三个基本状态“传感器通讯端口关闭”、“传感器通讯端口打开”和“与传感器进行通讯进行编程操作”。系统上电初始化后，默认状态为“传感器通讯端口关闭”。此时，下位机将根据上位机指令，进行打开传感器通讯端口的操作。如果通讯端口打开操作成功，传感器将向下位机反馈一组包含了传感器工作状态的数据，在接收到这一组数据之后，状态机的状态切换为 “传感器通讯端口打开”。在端口打开之后，下位机将进一步从上位机获取指令。若指令为关闭通讯端口，则下位机将放弃对传感器的操作，而状态机的状态也将由“传感器通讯端口打开”转为“传感器通讯端口关闭”。若上位机希望获得传感器数据，或者希望对传感器进行编程操作的话， 则状态将切换为“与传感器进行通讯进行编程操作”。成功进入“与传感器进行通讯进行编程操作”状态之后，下位机根据上位机的指令，可以选择读取传感器数据或对传感器编程。所以“与传感器进行通讯进行编程操作”又包含了三个子状态“读取传感器数据”、“向传感器写入数据”和“对EEPROM编程”(见图 6)。
对于从传感器读取的数据，将进行奇偶校验。TLE4997传感器的EEPROM数据采用了一种特殊的奇偶校验方式。对于EEPROM每一个地址(每一行)，进行偶校验，即该地址每位数据之和必为偶数。为满足行校验，每个地址的最高位为偶校验位。对于每一列，奇数列进行奇校验，偶数列进行偶校验。为满足列校验，EEPROM地址空间的第一个字，用于存储列校验位。这一种特殊的校验方式，可以用来验证从传感器读取的数据是否正确。若连续三次读取数据不正确的话，下位机将关闭通讯端口，提示上位机，传感器通讯可能存在问题， 并将状态切换为“传感器通讯端口关闭”。如果读取数据成功，状态将切换为“传感器通讯端口打开”。如指令为对EEPROM编程，则将先进入“向传感器写入数据”状态。在完成向EEPROM 对应地址内存写入数据之后，将开始对EEPROM的编程操作。在对EEPROM编程操作完成之后，为了保护EEPR0M，下位机也将关闭传感器通讯接口，提示上位机编程操作结束，并将状态切换为“传感器通讯端口关闭”。如图7所示，在上位机给出采样命令之后，下位机将打开传感器电源供应，同时将传感器输出所连接的运算放大器关闭。这样，从传感器输出的电压信号将直接进入单片机的模拟数字转换芯片的输入引脚。在处理器发出处理请求之后，采样和处理子模块自动完成转换并将数据存储到指定寄存器内。在本实施例中，需要标定TLE4997传感器输出电压的偏移量和增益。根据偏移量和增益，就能够计算出油门踏板在任一位置的电压输出。如图8所示，本发明在油门踏板踩到最底部(Pl)时，采样此时的电压输出值VI。在完全不对踏板施加任何作用时(P0)，采样此时的电压输出V0。接着，利用单片机的计算单元算出增益为k= (Vl-VO)/(Pl-PO)，而偏移量即为b=V0。那么，油门踏板在任一位置的输出即为V=k*P+b。标定之后，本发明将增益k 和偏移量b存入传感器的EEPROM里，每次踩下油门踏板后，传感器便能自动从EEPROM里读出这两个值，从而计算出在任一位置的电压输出。在本实施例中，MODBUS总线用于上位机发送指令和在下位机上位机之间传递数据。为了实现这一目的，制订了基于MODBUS数据形式的通讯协议，见表1。
权利要求
1.一种传感器标定和编程工具，其特征在于，包括上位机及界面交互模块、以单片机为处理核心的下位机及嵌入式模块；其中，上位机和下位机之间使用MODBUS总线进行通讯，上位机作为总线主节点，下位机作为总线从节点，下位机外接传感器；界面交互模块，位于上位机中，用于人机交互，通过上位机向下位机发出对传感器进行标定或编程的指令；嵌入式模块，位于下位机中，执行所述标定或编程的指令，通过下位机对传感器进行标定或编程；所述传感器为电动油门踏板霍尔元件；所述标定包括电压与位置标定、零点标定和最大值标定中的一种或几种；所述电压与位置的标定，即电动油门踏板运动所处位置对应的该传感器输出电压；所述零点标定，即油门踏板在原位不被踩下时，该传感器输出电压为OV ；所述最大值标定，即油门踏板被踩到最大位置时，该传感器输出电压为该传感器输出电压的最大值。
2.根据权利要求1所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述下位机包括系统电源、单片机最小系统电路、传感器信号采样电路、传感器通讯电路和MODBUS通讯电路。
3.根据权利要求2所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述下位机的模拟电路部分主要包括由三个双电源供电组成的信号放大电路，该信号放大电路中的运算放大器直接使用24v供电；所述下位机的数字电路部分的地比模拟电路部分的地高出3v，两个部分通过光耦进行隔离。
4.根据权利要求3所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述系统电源还采用了精密基准电压芯片和电压跟随器，用于提供有精准5v的电源。
5.根据权利要求2所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述下位机的单片机最小系统电路由电源部分、外部晶振、启动配置及在线调试接口组成。
6.根据权利要求2所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述嵌入式模块包括 采样和处理子模块，其通过传感器信号采样电路对传感器输出电压进行AD采样和处理操作；传感器通讯模块，其通过传感器通讯电路进行传感器标定或编程接口的访问，数据读取，校验数据的存储操作；MODBUS通讯模块，其通过MODBUS通讯电路进行下位机与上位机之间的通讯操作。
7.根据权利要求6所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述界面交互模块包括显示子模块，其用于动态显示通过采样和处理子模块得到的传感器输出的电压值；设置子模块，其通过传感器通讯模块去设置传感器标定参数或对传感器进行编程；计算子模块，用于计算传感器标定参数；控制子模块，其用于对下位机发出各种操作指令。
8.根据权利要求7所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述设置传感器标定参数是指先对传感器的位置和输出电压进行测量，计算出传感器的偏移量和增益，再对传感器进行标定。
9.根据权利要求7所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述界面交互模块还包括温度补偿子模块，用于对传感器的输出进行温度补偿。
10.根据权利要求1所述的传感器标定和编程工具，其特征在于，所述电动油门踏板霍尔元件为英飞凌霍尔传感器。
全文摘要
本发明属电子控制技术领域，具体涉及一款传感器标定和编程工具，包括上位机及界面交互模块，以单片机为处理核心的下位机及嵌入式模块；其中，上位机和下位机之间使用MODBUS总线进行通讯，上位机作为总线主节点，下位机作为总线从节点，下位机外接传感器；界面交互模块，位于上位机中，用于人机交互，通过上位机向下位机发出对传感器进行标定或编程的指令；嵌入式模块，位于下位机中，执行所述标定或编程的指令，通过下位机对传感器进行标定或编程；所述传感器为电动油门踏板霍尔元件；所述标定包括电压与位置标定、零点标定和最大值标定中的一种或几种。本发明能对霍尔元件进行标定和编程，还进行了霍尔元件偏移量和增益的计算以及温度补偿。
文档编号G05B19/04GK102419191SQ20111026776
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者吴庚泽, 肖宇, 陆科, 陈仰龙, 陈雅莹 申请人:陆科