發布日期：2022-10-09 點擊率：500
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幅圖
（
54
）發明名稱
基于霍爾傳感器的磁編碼器
（
57
）摘要
?
本實用新型涉及一種基于霍爾傳感器的磁
編碼器，屬于一種磁編碼器。霍爾元件和
3
個磁
敏感傳感器分別與
PCB
板連接，
PCB
板與
PCB
板
支架固定連接，
PCB
板支架與電機軸轉動連接，
充磁磁柵與磁柵支架粘接，磁柵支架與電機軸固
定連接，充磁磁柵與霍爾元件和磁敏感傳感器相
對應、并有間隙。優點是結構新穎，基于霍爾原
理，通過霍爾元件排列組合與磁柵實現的新型磁
編碼器，提高了編碼器的精度和可靠性，在粉
版權歸如下公司，禁止非授權轉載：
北京西普陽光教育科技股份有限公司（維周機器人科技有限公司（
文章目錄
【實驗目的】【實驗原理】【實驗環境】硬件設備：軟件環境：
【實驗步驟】第一步 配置工程環境第二步 編寫定時器函數，完成定時器的配置和啟用第三步 編寫main.c文件第四步 編譯并下載，觀察實驗現象
【思考題】1、選擇題2、簡答題
【實驗目的】
熟悉編碼器的種類及其工作原理；熟悉編碼器的輸出形式，熟悉單片機如何通過編碼器的輸出得到電機的旋轉方向和速率；掌握STM32F10xx系列微控制器上編碼器的接口配置與數據采集過程；
【實驗原理】
編碼器（encoder）是指將某一形式的信號或數據（通常特指電機轉速）通過采集、編制，轉換為可以用于傳輸、儲存的信號形式的設備。編碼器按采集方式可以分為接觸式編碼器和非接觸式編碼器兩種；按工作原理可以分為：光電式、磁電式和觸點電刷式編碼器。光電式編碼器通過采集光通過碼盤刻孔產生的脈沖信號的頻率進行轉換，磁電式編碼器通過霍爾元件感應電機轉動時產生的磁場變化進行轉換，觸點電刷式編碼器直接采集觸點在碼盤上的位置進行轉換；還可以根據其計數模式分為增量式和絕對式編碼器。增量式編碼器記錄通過采集位移信息產生的脈沖信號，近似于“速率”的概念，絕對式編碼器記錄位置信息，與過程無關，近似于“路程”的概念。
本實驗采用的編碼器為增量式編碼器，增量式編碼器通常有兩個輸出信號，分別為A相和B相（也有的編碼器有A、B、Z三相輸出，有編碼器只有A相輸出）。每一個信號都是由方波構成的脈沖序列，A相和B相之間的相位差為90度。單片機在接收到AB相輸入后，可以根據收到相位的先后順序確定電機的轉向，根據脈沖序列的頻率確定電機的轉速，這種解碼方式稱為正交解碼。值得注意的是，脈沖頻率與電機轉速成正比關系，而其具體比例系數會和碼盤孔數、減速箱齒數等有關，而轉速與行駛速率也存在一個比例系數，因此通常在使用中，會根據實地測試結果直接確定一個脈沖頻率與行駛速率之間的經驗系數。
STM32芯片中集成了強大的定時器模塊，其工作狀態主要有以下幾種模式：輸入捕獲模式、PWM輸入模式、強制輸出模式、輸出比較模式、PWM模式、單脈沖模式、編碼器接口模式、調試模式等。在本實驗中需要用到的是定時器模塊的編碼器接口模式。當定時器工作在編碼器模式下時，定時器會采集兩個指定的引腳輸入信號，然后通過檢測輸入信號的跳變沿，確定輸入脈沖的頻率及其相位差，從而計算出電機旋轉的方向以及速率。編碼器接口模式基本上相當于使用了一個帶有方向選擇的外部時鐘。這意味著計數器只在0到TIMx_ARR寄存器的自動裝載值之間連續計數(根據方向，或是0到ARR計數，或是ARR到0計數)。所以在開始計數之前必須配置TIMx_ARR。
圖1 編碼器模式下的計數器操作示意圖
值得注意的是，僅僅完成跳變沿檢測的功能，普通IO口就能辦到。而定時器模塊的編碼器接口模式相比于普通IO口的優勢在于可以抵抗一定的噪音，如圖1所示，在輸入信號有毛刺的情況下，計數器依然能夠正常的工作，普通IO口想要辦到類似的功能則需要人為添加一系列代碼。
程序流程的簡要說明圖如圖2所示：
圖2 程序流程示意圖
【實驗環境】
硬件設備：
1、雙輪自平衡機器人。如圖3所示，在平衡車背面中間安裝了HC-SR04超聲波測距模塊。
2、ST-link下載器（包含USB線與下載線）。如圖4所示。
操作系統：
Windows7/8/10，32bit/64bit
圖3 雙輪自平衡機器人
圖4 ST-link下載器與下載線
軟件環境：
Keil 5
【實驗步驟】
第一步 配置工程環境
（1）打開已經建立好的工程模板，在新建立的工程模板中已經添加五個文件夾，分別命名為USER、HARDWARE、SYSTEM、CORE、FWLib文件夾，如圖5所示。其中USER文件夾存放的是主函數，HARDWARE文件夾存放的是本實驗對應的硬件設備函數，SYSTEM存放的是本課程所有實驗通用的函數，CORE文件夾存放的是啟動文件，FWLib文件夾存放的是底層驅動函數。
圖5工程模板對應的文件夾
（2）在HARDWARE文件夾下新建兩個文件，分別為encoder.c和encoder.h。分別存放編碼器的函數文件和頭文件，如圖6所示。
圖6 在HARDWARE文件夾下建立encoder.c與encoder.h文件
第二步 編寫定時器函數，完成定時器的配置和啟用
（3）打開程序中的encoder.c文件，首先將encoder.h文件包含進來。其次對Encoder_Init_TIM2 函數進行編寫，TIM2采集的是左側的碼盤返回值，選擇要使用的時鐘，配置引腳，啟用編碼器模式并配置參數。
(1) （4）同理，編寫Encoder_Init_TIM4函數，TIM4定時器采集的是右側的編碼器返回值。
（5）編寫編碼器計數器讀取函數
(2) 打開encoder.h，編寫函數聲明
第三步 編寫main.c文件
(3) （6）將工程編譯需要用到的頭文件包含進來，并預定義顯示函數和全局變量。
(4) （7）在主函數中調用延時函數、顯示函數和編碼器函數的初始化函數。
(5) （8）定義主循環，在主循環中調用超聲波讀取函數和顯示函數。
(6) （9）編寫OLED顯示函數
第四步 編譯并下載，觀察實驗現象
（10）本實驗采用仿真器為STlink V2，將仿真器與小車相連，注意正負極不要接反，如圖7所示。
圖7仿真器與下載線連接圖
（11）編譯程序：點擊如圖8所示的編譯按鍵。
圖8Keil編譯環境下的編譯按鍵
（12）當編譯完成后，如果沒有問題，Build Output欄會出現無錯誤、無警告的提示，如圖9所示。
圖9編譯通過后Build Output欄提示信息
（13）下載程序：點擊如圖所示的下載按鍵，程序就會下載到STM32的芯片中。下載按鍵如圖10所示。
圖10Keil編譯環境下的下載按鍵
（14）觀察實驗現象，OLED顯示屏上顯示出當前電機的轉速，用手從不同方向轉動電機，觀察數值的變化，結果如圖11所示。
圖11平衡車上的編碼器測量數據
【思考題】
1、選擇題
題目1：編碼器傳回的正交編碼中，兩個信號的相位差是多少（B）
A：60度
B：90度
C：120度
D：180度
題目2：若要配置一個8位的編碼器，在encoder.h中的自動重載值應該設為多少（B）
A：8
B：255
C：256
D：
2、簡答題
題目1：簡要說明如何將編碼器的輸出轉換為方向信息和速率信息。
編碼器輸出為AB兩相脈沖信號，A相和B相之間的相位差為90度。單片機在接收到AB相輸入后，可以根據收到相位的先后順序確定電機的轉向，根據脈沖序列的頻率確定電機的轉速。
題目2：結合相關資料，試說明如何通過IO和中斷對編碼器的輸出數據進行解碼。
（開放性題目，答案不唯一）配置兩個IO口為上升下降沿觸發中斷，設置全局變量表示轉速、方向，設置表示跳變的標志位，指定其中一個輸入，若該輸入觸發中斷，則轉速變量加1，檢測相應的寄存器，若為上升沿觸發則跳變標志位置1，若為下降沿觸發則跳變標志位置0；當另一輸入進入中斷時，可以根據自身是上升沿還是下降沿觸發結合方向標志位，確定自身是超前于另一信號，還是滯后于另一信號，從而確定方向。
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智慧停車反向尋車藍牙信標室內導航定位原理及系統功能
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元宇宙概念meta由來及發展狀況
新聞來源：新物聯Newiot 整理 2021-11-21 共有: 91 瀏覽
最近，元宇宙概念由于Facebook加入，炒的更加火熱。元宇宙（metaverse）一詞，誕生于1992年的科幻小說《雪崩》，小說描繪了一個龐大的虛擬現實世界，在這里，人們用數字化身來控制，并相互競爭以提高自己的地位，到現在看來，描述的還是超前的未來世界。 元宇宙是在擴展現實（XR）、區塊鏈、云計算、數字孿生等新技術下的概念具化。
霍爾信號、編碼器信號與電機轉向
從電機出軸方向看去，電機軸逆時針轉動，霍爾信號的序列為
編碼器信號的序列為
將霍爾信號按照H3 H2 H1的順序組成三位二進制數，則霍爾信號翻譯成狀態為
以120°放置霍爾為例
如不給電機加電，使用示波器測量三個霍爾信號和電機三相反電動勢，
按照上面所說的方向用手轉動電機得到下圖
① H1的上升沿對應電機q軸與H1位置電角度夾角為0°，也就是state4->state5的變化點；
② H3的下降沿對應電機q軸與H1位置電角度夾角為60°，也就是state5->state1的變化點；
③ H2的上升沿對應電機q軸與H1位置電角度夾角為120°，也就是state1>state3的變化點；
④ H1的下降沿對應電機q軸與H1位置電角度夾角為180°，也就是state3->state2的變化點；
⑤ H3的上升沿對應電機q軸與H1位置電角度夾角為240°，也就是state2->state6的變化點；
⑥ H3的下降沿對應電機q軸與H1位置電角度夾角為300°，也就是state6->state4的變化點；
d軸永遠滯后q軸90°。
電機按上述轉向轉動，當q軸與電機某相的電角度夾角為0°時，這時磁場由S極切換為N極，磁場變化率最大，
該相反電動勢電壓在最高點，夾角為180°時，反電動勢電壓在最低點。
由上圖可以看出q軸與H1位置電角度夾角為0后，繼續轉動90°電角度后A相反電動勢達到最高點，
也就是說①時，q軸與A相電角度夾角為-90°，d軸與A相電角度夾角為-180°。
上圖對應電機內部情況應如下簡圖所示，H1位置與A相電角度夾角為-90°
在電機制造中，對給定的H1位置與A相電角度夾角，霍爾實際安裝的機械偏角由極對數和電子偏角共同決定。
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