PIC单片机CCP模块在转矩传感器脉冲信号采集系统中的应用

摘要：在转矩传感器脉冲信号采集过程中，不仅要保证采集的精确度，为了能够实时显示出转矩的动态性能，也要保证其高采样率。本文设计了一种基于PIC单片机CCP模块捕捉模式下的脉冲信号采集系统，通过室内和室外试验研究结果表明：该脉冲信号采集系统采样频率高，且精度可到0.1%，具有很好的实用性。

引言

转矩测量的方法按测量原理分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类，其中传递法的应用最为广泛^[1]。转矩是反应机械传动系统性能的典型机械量，转矩的测量具有广泛的应用，故对于转矩信号的采集也就显得尤为重要。

本文选用一款通用的转矩传感器作为研究对象，其频率信号在零负载时为10kHz，正向旋转满量程时为15kHz，反向旋转满量程时为5kHz^[2]，并且其内部安装有基于霍尔元件为基础的转速测量装置，每旋转一圈则输出60个脉冲，是一款集转矩和转速同时输出的传感器，并且转矩和转速输出信号同为脉冲信号，基于此，本文设计了一款基于PIC单片机CCP模块高精度、高采样率的脉冲采集电路。

采集系统设计

脉冲信号检测原理

本系统采用PIC18F25K80作为微处理器，其具有4个CCP(捕捉/比较/PWM)模块和1个ECCP(增强型捕捉/比较/PWM)模块^[3]，所有模块均可实现标准的捕捉、比较和脉宽调制模式，本文应用的为其捕捉模式，捕捉模式是用来捕捉一个事件发生的时刻，通常是用来测量某事件的持续时间。以CCP3和CCP4模块为例，如图1所示为CCP模块捕捉模式原理示意图。　　

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PIC18F25K80的CCP3模式工作在捕捉模式下，即捕捉一个事件发生的时刻值。在单片机内的事件表示的是电平变化，即为引脚输入的脉冲上升沿或者下降沿，当引脚输入信号发生跳变时，CCP的捕捉功能就会立即把当时的TMR1或TMR3定时器的16位计数值记录下来，并会立即复制到CCPR3H和CCPR3L中，并产生CCP中断信号。具体由哪一种特殊脉冲形式触发一次时间捕捉将由CCP3M<3:0>这四位控制信号决定，其具体配置方式如表1所示。　　

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本研究设置时钟来源于内部时钟(Fosc/4)，即主频为4MHz，每个指令周期为1μs，设置C3TSEL为低，即使用TRM1为定时器，预分频比选择1:1。考虑到CCP捕捉方式发生的最大误差为±1μs，由于高采样率可以实时表现出转矩或转速的动态性，另外又要最高限度地提高采样精度，故要在保证高采样率的前提下，将转矩信号采集采用每16个上升沿触发一次，这样既保证的高采样率，也降低了采样误差。如图2所示测得T1～T3之间的时间，则得到测量周期为T=( T3 - T1)/16，测量周期结果的单位为μs，用106除以测量周期T，就可得到信号的频率。同理如图2所示当转速为1000r/min以下时，输出信号为1kHz的低频脉冲信号，本研究采用每1个上升沿触发。　　

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脉冲采集电路设计

为了增强系统的抗干扰能力，传感器输出信号与CCP引脚之间通过光耦进行电气隔离，本研究中采用TOSHIBA公司生产的光耦TLP113对信号进行电气隔离，光耦隔离使被测对象信号和监测电路之间没有电的直接连接，从而防止了因为有电连接而引起的干扰，TLP113片内包含一个高输出功率的砷化镓铝发光二极管，该二极管耦合到一个高增益、高速度单片光探测器，探测器的输出为肖特基钳位晶体管，集电极开路输出^[4]。能够有效地进行电气隔离。脉冲采集电路如图3所示。　　

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电源电路设计

电源电路在一个系统中是非常重要的，根据各模块电源电压的要求情况，联合收割机在线监测系统需要的电源电压值有：±15V和5V，单片机系统采用5V供电电源，转矩传感器需要±15V供电。本系统在为蓄电池24V供电电压，由于机器工作环境，蓄电池使用时间长而为及时充电等问题可能会造成电压不稳等情况，因此需要电源转化和稳压模块。本研究为了系统稳定考虑，采用DC-DC电源隔离模块，实现电源的稳定输出。如图4所示为电源电路。　　

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软件设计

为了达到程序简单明了、易于阅读、调试方便、采样率高及可靠性好的目的，采用结构化的程序设计方法。本研究采用的是MATLAB IDE V8.76控制系统的软件作为开发环境，并采用Hitech公司开发的PICC编译器进行编写、调试和编译程序。主要有CCP模块的初始化以及中断程序，具体实现如下：

////InitCCP//////////
　　void initCCP(void)
　　{
　　///CCP3//////
　　TRISC6=1; //RC6作为捕捉输入引脚
　　CCP3IF=0; //捕捉标志位清零
　　CCP3IE=1; // 捕捉中断使能
　　CCP3CON=0X07; //捕捉模式，每16个上升沿
　　C3TSEL=1; //CCP3 定时器选择位,为0时 CCP3 基于TMR1产生
　　///CCP4//////
　　TRISC7=1; //RC7作为捕捉输入引脚
　　CCP4IF=0; //捕捉标志位清零
　　CCP4IE=1; // 捕捉中断使能
　　CCP4CON=0X07; //捕捉模式，每16个上升沿
　　C4TSEL=1; //CCP4定时器选择位,为0时 CCP4基于TMR1产生
　　//////////////////
　　PEIE=1; //外围中断使能
　　GIE=1; //总中断使能
　　T1CON=0X01; //关闭独立时钟振荡器;时钟来源于Fosc/4;使能定时器计数;内部定时，无分频
　　}
　　////Interrupt server function
　　void interrupt ISR(void)
　　{
　　///CCP3 Interrupt///
　　if(CCP3IF &&CCP3IE)
　　{
　　CCP3IF = 0;
　　if(LastData3 == 0)
　　{
　　LastData3 = CCPR3H;
　　LastData3 = (LastData3<8)+CCPR3L;
　　}
　　else
　　{
　　NewData3 = CCPR3H;
　　NewData3 = (NewData3<8)+ CCPR3L;
　　g_Period3 = NewData3-LastData3; //测量周期计算
　　g_Frequency3 = (long)10000000/g_Period3; //频率计算
　　LastData3 = 0;
　　CdataL3 = g_Frequency3;
　　CdataH3 = (g_Frequency3>>8);
　　}
　　}
　　///CCP4 Interrupt///
　　if(CCP4IF &&CCP4IE)
　　{
　　CCP4IF = 0;
　　if(LastData4 == 0)
　　{
　　LastData4 = CCPR4H;
　　LastData4 = (LastData4<8)+CCPR4L;
　　}