专利名称：角度信号采集装置及其处理方法
技术领域：
本发明涉及信号采集，尤其涉及一种角度信号采集装置及角度信号处理的方法。
背景技术：
目前，为了更好的控制设备的角度方向以及转速，需要通过传感器来获取角度信号，并根据获取到的角度信号进行调整控制设备。而关于传感器的选型方面机械电位器在安装上相对困难，并且使用时间长了以后容易造成机械磨损。并且，还要添加模数转化器转换为数字信号后才能进行数字信号处理。基于微机电系统(MEMS)技术的陀螺仪的原理为依靠地磁的强弱与方位来判断陀螺仪的方向。由于地磁较弱，当该传感器附近有强磁场时，误差会很大。用线加速度换算角加速度的话至少需要三个线加速度传感器固定在不同的几何位置，几何结构复杂，成本较高，并存在几何误差。

发明内容
有鉴于此，有必要提供一种成本低廉、采集信号误差小的角度信号采集装置及角度信号处理的方法。本发明提供的角度信号采集装置，包括外盖、安装座、印刷电路板、磁钢、磁钢座以及信号处理模块，其中所述外盖内设有凹槽与内台阶，所述印刷电路板嵌入所述外盖内并由所述凹槽与所述内台阶定位，并随所述外盖安装在所述安装座上，所述磁钢通过所述安装座嵌入并固定在所述磁钢座内；其中所述印刷电路板与信号处理模块连接，所述印刷电路板通过感知磁钢周围抗干扰能力较强的强磁场的变化来采集角度，并将所述角度转换为串行数据输出至所述信号处理模块，所述信号处理模块对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。本发明还提供一种角度信号采集与处理的方法，包括以下步骤角度传感器通过磁钢的磁场变化采集角度，并转化为与该角度成高度线性关系的串行数据；印刷电路板通过感知磁钢周围抗干扰能力较强的强磁场的变化来将所述串行数据输出至所述信号处理模块；信号处理模块对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。本发明实施方式中的角度信号采集装置及其采集与处理的方法利用印刷电路板、磁钢以及信号处理模块采集的角速度以及角加速度，成本低廉，安装简便，误差小。


图1为本发明一实施方式中角度信号采集装置的结构图；图2为图1中印刷电路板与信号处理模块的连接关系图；图3为图2中信号处理模块的模块图；图4为本发明一实施方式中角度信号采集与处理方法的主流程图；图5为图4中步骤S30的具体流程图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。请参阅图1，图1所示为本发明一实施方式中角度信号采集装置的结构图。在本实施方式中，角度信号采集装置包括外盖1、安装座4、印刷电路板2、磁钢3以及磁钢座5。在本实施方式中，所述外盖I内设有凹槽与内台阶(图未示)，所述印刷电路板2嵌入所述外盖I内并由所述凹槽与所述内台阶定位，并随所述外盖I安装在所述安装座4上，所述磁钢3通过所述安装座4嵌入并固定在所述磁钢座5内。请参阅图2，图2所示为图1中印刷电路板2与信号处理模块10的连接关系图。在本实施方式中，角度信号采集装置还包括信号处理模块10(图1未示出)，其中所述印刷电路板2与信号处理模块10连接，所述印刷电路板2采集角度，并将所述角度转换为串行数据输出至所述信号处理模块10，所述信号处理模块10对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。在本实施方式中，信号处理模块10设置在FPGA (或CPLD)芯片内。在本实施方式中，所述印刷电路板2大致呈圆形，设有角度传感器、稳压器、模数转换器及其相关的周边电路，其中，角度传感器设置于所述印刷电路板2的中部，用于接受所述磁钢5所产生的不同角度的磁场。在本实施方式中，角度传感器为霍尔角度传感器，基于霍尔原理的霍尔角度传感器通过感受其周边强磁场的变化来判断角度的变化，不易受到磁干扰，且成本低廉，安装便捷。请参阅图3，图3所示为图2中信号处理模块10的模块图。在本实施方式中，所述信号处理模块10包括串并转换器101、角度调零器102、角度滤波器103、第一微分器104、角速度滤波器105以及第二微分器106。在本实施方式中，串并转换器101接收所述印刷电路板发送过的串行数据，并将所述串行数据转换为并行数据。在本实施方式中，串行数据为10位，在默认状态下与0 360度的角度成高度线性关系。角度调零器102用于对所述并行数据进行调零得到调零数据。角度滤波器103用于对所述调零数据进行滤波得到滤波数据。第一微分器104用于对所述滤波数据进行微分运算得到所述角速度。在本实施方式中，第一微分器104对滤波数据进行对时间的微分运算。角速度滤波器105用于对所述角速度进行滤波得到角速度滤波信号。第二微分器106用于对所述角速度滤波信号进行微分运算得到所述角加速度。在本实施方式中，第二微分器106对角速度滤波数据进行对时间的微分运算。在本实施方式中，所述信号处理模块10还包括数据存储器100，用于存储并行数据、调零数据、滤波数据、角速度、角速度滤波信号以及角加速度。在本实施方式中，所述信号处理模块10还包括程序存储器108、并串转换器107以及片选与时钟信号发生器109。在本实施方式中，程序存储器108用于存储用户修改后的程序，并串转换器107将修改后的程序以串行的方式传送至印刷电路板2上。在本实施方式中，片选与时钟信号发生器109用于确保印刷电路板2与信号处理模块10信号传输的同步。请参阅图4，图4所示为本发明一实施方式中角度信号处理方法的主流程图。在本实施方式中，角度信号采集的方法，包括以下步骤在步骤S10，角度传感器根据磁钢3的磁场变化采集角度。在步骤S20，印刷电路板2将所述角度转换为串行数据输出至所述信号处理模块10。在步骤S30，所述信号处理模块10对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。请参阅图5，图5所示为图4中步骤S30的具体流程图在本实施方式中，步骤S30的具体步骤包括以下步骤在步骤S300，串并转换器101接收所述印刷电路板2发送过的串行数据，并将所述串行数据转换为并行数据。在步骤S302，角度调零器102对所述并行数据进行调零得到调零数据。在步骤S304，角度滤波器103对所述调零数据进行滤波得到滤波数据。在步骤S306，第一微分器104对所述滤波数据进行微分运算得到所述角速度。在步骤S308，角速度滤波器105对所述角速度进行滤波得到角速度滤波信号；在步骤S310，第二微分器106对所述角速度滤波信号进行微分运算得到所述角加速度。本发明实施方式中的角度信号采集装置及角度信号处理的方法利用印刷电路板2、磁钢3以及信号处理模块10采集的角速度以及角加速度，成本低廉，安装简便，误差小。虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。
权利要求
1.一种角度信号采集装置，包括外盖、安装座、印刷电路板、磁钢、磁钢座以及信号处理模块，其中 所述外盖内设有凹槽与内台阶，所述印刷电路板嵌入所述外盖内并由所述凹槽与所述内台阶定位，并随所述外盖安装在所述安装座上，所述磁钢通过所述安装座嵌入并固定在所述磁钢座内； 其中所述印刷电路板与信号处理模块连接，所述印刷电路板采集角度，并将所述角度转换为串行数据输出至所述信号处理模块，所述信号处理模块对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。
2.如权利要求1所述的角度信号采集装置，其特征在于，其中的信号处理模块包括 串并转换器，用于将所述串行数据转换为并行数据； 角度调零器，用于对所述并行数据进行调零得到调零数据； 角度滤波器，用于对所述调零数据进行滤波得到滤波数据； 第一微分器，用于对所述滤波数据进行微分运算得到所述角速度； 角速度滤波器，用于对所述角速度进行滤波得到角速度滤波信号； 第二微分器，用于对所述角速度滤波信号进行微分运算得到所述角加速度。
3.如权利要求2所述的信号处理模块，其特征在于，还包括数据存储器，用于存储并行数据、调零数据、各滤波数据以及角度、角速度和角加速度的信号数据。
4.如权利要求1所述的角度信号采集装置，其特征在于，所述印刷电路板上设有角度传感器、稳压器以及模数转换器，其中，角度传感器设置于所述印刷电路板的中部，用于接受所述磁钢所产生的不同角度的磁场。
5.一种角度信号采集的方法，包括 角度传感器通过磁钢周围的强磁场变化采集角度，并转化为串行数据； 印刷电路板将所述的串行数据输出至所述信号处理模块； 信号处理模块对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。
6.如权利要求5所述的角度信号采集的方法，其特征在于，“所述信号处理模块对所述串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度”的步骤包括 接收所述印刷电路板发送过的串行数据，并将所述串行数据转换为并行数据； 对所述并行数据进行调零得到调零数据； 对所述调零数据进行滤波得到滤波数据； 对所述滤波数据进行微分运算得到所述角速度； 对所述角速度进行滤波得到角速度滤波信号； 对所述角速度滤波信号进行微分运算得到所述角加速度。
全文摘要
一种角度信号采集装置，包括外盖、安装座、印刷电路板、磁钢、磁钢座以及信号处理模块，其中外盖内设有凹槽与内台阶，印刷电路板嵌入外盖内并由凹槽与内台阶定位，并随外盖安装在安装座上，磁钢通过所述安装座嵌入并固定在所述磁钢座内；其中印刷电路板与信号处理模块连接，印刷电路板采集角度，并将角度转换为串行数据输出至信号处理模块，信号处理模块对串行数据进行处理以获取角速度以及角加速度。本发明中的角度信号采集装置，成本低廉，安装简便，误差小。
文档编号G01P15/00GK103048483SQ20121052772
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者刘豫章, 彭安思, 王灿, 刘园园, 吴新宇, 徐扬生 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院