李建忠
（长沙硕博电子科技股份有限公司，湖南长沙，410006）
角度传感器广泛应用于生产生活设备当中，特别是在特种装备领域，如电机电驱控制、摊铺机找平控制、挖机多臂架旋转控制等，要求角度传感器具备耐高温、高湿、抗粉尘和油污等恶劣环境[1]工作特性，同时结合特种车辆设备特点，对传感器提出更多要求，如宽工作电压范围[2]，对外端口保护设计[3]以及雷击浪涌等防护设计[4]，本系统提供一种基于旋变[5]的高可靠性角度传感器硬件设计。
基于旋变的角度传感器需要包含以下6 个部分：处理器电路、电源电路、测温电路、关键参数存储电路、CAN 通讯电路以及旋变信号解码及处理电路，如图1 所示，其中旋变信号解码及处理电路作为整个系统关键部分，用于旋变传感器的励磁信号调理和驱动输出以及旋变的正交信号解码处理，设计当中需要考虑短路、过压故障的防护及处理存储；
关键参数电路用于记录传感器上次旋转位置、圈数、温度校正系数、传感器校准系数以及故障信息等，铁电存储器的使用将使数据记录更可靠；
测温电路用于测量传感器工作的环境温度，利用温度校准系数对传感器角度参数进行温漂校准；
CAN 通讯电路用于传感器与其他部件进行通讯，实现主机控制功能；
处理器电路作为整个系统控制的核心，用于旋转角度处理、参数存储、温度数据读取、CAN 通讯；
电源模块中，电源模块1 用于对输入的车载电池电源UEE 进行过压短路防护，反接保护等，电源模块2 用于产生+5.0V电源，用于CAN 收发器和旋变解码电路供电，而旋变励磁信号电源需要的12V 电源需要通过电源模块3 产生，电源模块4 用于产生3v3 电源，3v3 电源用于给处理器模块供电和旋变信号解码及处理电路供电。
图1 系统总体框图
■2.1 处理器及外围电路设计
本方案采用STM32F103RCT6作为传感器的控制核心，Cortex-M3 内核，128KB 内部flash，2 路I2C、2 路SPI、3 路UART，3 个12-bit S ADC 和10 个通用型16-bit 定时器，资源丰富，具体电路设计如图2 所示。
图2 处理器及外围电路设计
晶振选用Sitime 12MHz 有源晶振，通过U6 TPS3823-33 外接看门狗，用于极端情况下系统复位处理，复位信号nRST 低电平有效，上拉处理，同时中靠近CPU 管脚处增加静电器件U4 PESD3V3L1BA，在原有的 RC 滤波（R=10K，C=0.1μF）基础上再并1nF 小电容，用于增强复位信号的抗静电能力，由于外接的看门狗U6 TPS3823-33 对电源3V3进行监控处理，因此对其电源增加静电器件U5，提高静电器件本身的抗干扰能力；
预留调试串口J4，为增强系统的Uee 掉电保持时间，处理器供电电源3V3 并100μF 大电容和多个0.1μF 去耦电容，提高系统设计的稳定性和可靠性。
■2.2 电源模块电路设计
电源模块电路如图3 所示，考虑到特种车辆户外工作环境，输入电源UEE 需要考虑至少满足2KV（8/20μs）防浪涌设计，D4 6600W TVS 用于输入电源的防浪涌设计，通过自恢复保险丝F1（电流参数为1.85A）和防反二极管形成短路保护和防反接保护设计；
通过U10 max17504 降压型DC-DC 实现电源+5.0V 输出，值得注意的是，车载电池电源UEE 有可能是12V，也有可能是24V，考虑到发动机点火时电池电压UEE 电压波动以及电池馈电情况，一般要求UEE 输入转+5.0V 电源的降压型DC-DC 宽电压工作，即8～40V 均能正常工作，max17504 最高工作电压60V，同步DC-DC，外围电路简单，性价比高，功率电感选用10μH/4.3A 电感，留足余量；
通过U9 SGM6623 boost 升压电源，将+5.0V 转12V，给旋变励磁驱动信号供电，当UEE 波动时，保证12V 电源稳定，否则对传感器测量精度产生影响，D15 为肖特基二极管MBRS360BT3G，输入输出电容均为100μF，保证电源稳定；
+5.0V 电源通过线性电源SGM2049 产生3V3 电源，给系统处理器以及控制电路供电。
图3 电源模块电路
■2.3 旋变信号解码及处理电路设计
如图4 所示，旋变信号解码及处理主要核心器件为U12 AD2S1210B，通过RES0 和RES1 两个管脚连接到5V设置内部初始分辨率为16bit，A0 和A1 拉高，数据读取模式为通过内部寄存器读取，/SOE 引脚拉低，/RD 拉高接至电源5V，使能SPI 通讯模式，SPI 通讯端口、采样使能端口SAM、状态诊断DOS 和LOT 以及绝对式编码器信号DIR（旋转方向）以及NM（过圈指示）等信号均上拉，连接至处理器对应管脚；
由于旋变解码器高分辨率（16bit），根据旋变信号输出频率（一般低于20kHz）特点，特对AD2S1210 的电源AVDD/DVDD/VDRIVE 进行电容-电感-电容的π 型滤波处理，电感选100μH，电容选用0.1μF，也可以预留0.01μF 电容来滤除更高阶毛刺；
励磁差分信号EXC 和/EXC 输出幅值须为小于±4V 的正弦信号，且无法直接驱动旋变传感器，需要经过功放电路驱动，如图4 右侧部分电路，EXC 和/EXC 信号经过运放U11 正端设定偏压值3.7V（通过电阻R31 27k 和R32 12k 分压得到）后，电压整体抬升至只有正向电平的正弦信号，这样，运放供电电源只需单一电源12V 即可；
为提高运放抗浪涌能力，将电源12V 串接小电阻R30 后给运放U11 供电，一般选择10Ω以下电阻；
运放选用时考虑需能提供300mA 以上驱动电流，耐压12V，本设计根据实际测试效果，选用TI OPA2613；
旋变旋变励磁信号EXC、/EXC 以及反馈信号SINH/SINL 和COSH/COSL 均需通过保险丝和气体放电管对端口进行过压过流保护，防止出现短路（包含短路到地和电源）损坏端口。
图4 旋变信号解码及处理电路
■2.4 关键参数存储电路设计
电路设计如图5 所示，关键参数设计考虑非易失性存储器NVRAM FV25v02，铁电存储器，具有无限次读写特点，容量256kbit，SPI 接口，读写速度快。
图5 关键参数存储电路设计
■2.5 测温电路设计
本电路设计如图6 所示，通过热敏电阻Rt 和R1 在不同温度下的分压变化，经过运放U1 跟随输出至处理器的ADC 端口进行模拟量采样，因此电压变化反应电阻变化；
同时对外部的UEE 电源进行采样，了解电池电压状态，当出现掉电时，可将关键参数提前存储至U2。
图6 测温电路设计
■2.6 CAN 通讯及防护电路
如图7 所示，U13 选用TJA1051T/3 CAN 收发器，通过自恢复保险丝和TVS 实现CAN 总线防短路和过压防护。
图7 CAN 通讯及防护电路设计
本系统模拟数字耦合，特别是旋变信号EXC、/EXC、SINH/SINL、COSH/COSL 及相关信号需要重点处理，其地网络与其他信号地需单点接地，通过0Ω 电阻跳接，其他数字信号或电源不要穿过该PCB 区域，信号保护线路加粗至0.5mm 以上，电源保护线路线宽保证1mm 以上，如图8所示，为保证产品强度，PCB 厚度设计为2.0mm。
本文详细介绍了基于旋变的高可靠性角度传感器设计方案，硬件参数选型及设计方法，硬件防护设计，PCB 设计等，成功开发出高可靠性角度传感器，并在工程车中得到应用（如摊铺机找平系统），经过试验测试，满足恶劣环境下的产品功能性能要求。
图8 PCB 设计图
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