專利名稱：速度傳感器輸出信號模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種速度傳感器輸出信號模擬裝置及方法。
背景技術(shù)：
速度傳感器是一種將速度信息的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓钠骷瑥V泛應(yīng)用于汽車控 制、機器人等控制系統(tǒng)中。特別是在軌道交通領(lǐng)域中，列車運行控制系統(tǒng)功能的正確執(zhí)行很 大程度上依賴對列車速度信息的正確采集和處理，因此，速度傳感器已成為列車運行控制 系統(tǒng)的重要組成部分。速度傳感器輸出信號模擬器是一種可靈活對速度傳感器輸出信號進 行模擬的裝置，可以為將速度信息作為輸入信息的設(shè)備提供速度信息源。以軌道交通領(lǐng)域 為例，為了方便在實驗室對復雜的列車運行控制系統(tǒng)進行調(diào)試、測試和驗證等工作，需要向 列車運行控制系統(tǒng)提供速度脈沖信號，以觸發(fā)系統(tǒng)功能的運行。速度傳感器輸出信號模擬 器的作用就是提供速度信號源，用于向列車運行控制系統(tǒng)提供速度模擬信號輸入。用于軌道交通領(lǐng)域的速度傳感器有多種型號，輸出信號的電氣特性也有所不同。 一般來說，速度傳感器可輸出二到四個通道頻率可變的信號(波形主要有方波、正弦波)， 每通道信號之間的相位差恒定保持在90°或120°的整數(shù)倍。不同型號的速度傳感器輸出 的信號峰峰值不同，一般在30V以內(nèi)。部分速度傳感器的輸出信號幅度還會隨頻率不同而 不同變化。因此，速度傳感器輸出信號模擬器應(yīng)能模擬上述不同類型的輸出信號，從而實現(xiàn) 對不同型號速度傳感器的模擬。另外，速度傳感器輸出信號模擬器還應(yīng)能與計算機進行通 信，按照計算機輸出的信號控制輸出信號特性，實現(xiàn)程序化控制。滿足上述要求的速度脈沖 信號，可實現(xiàn)對絕大多數(shù)用于軌道交通領(lǐng)域的速度傳感器的模擬。其它一些方法也可以實現(xiàn)對速度脈沖信號的模擬，但均存在一些難以解決的問 題。例如，可以考慮用伺服電機加控制器的方式直接驅(qū)動速度傳感器轉(zhuǎn)動，從而直接從速度 傳感器輸出端輸出脈沖信號。這種方法的主要問題是對機械加工要求高，如果伺服電機和 速度傳感器之間的同軸度稍有偏差，會導致輸出信號代表的速度和控制信號期望的速度之 間的誤差較大，難以精確控制輸出信號所對應(yīng)的速度值。即使采用補償?shù)霓k法可減少誤差， 但隨著長期高速運行，機械裝置出現(xiàn)磨損后，誤差會進一步增大并難以控制。另外，采用實 物裝置進行模擬，還有成本高、難以復制、噪聲大、維護困難、高速下性能不穩(wěn)定等問題，不 適宜用作速度脈沖信號模擬器。采用商用的信號發(fā)生器也是可供選擇的方式之一，但商用信號發(fā)生器多面向通用 的信號產(chǎn)生的需求，雖然功能強大，但卻無法滿足速度脈沖信號模擬這一特殊需求，即使可 以滿足價格也非常昂貴。例如，程序可控的信號發(fā)生器多數(shù)無法產(chǎn)生相位差恒定的多通道 信號，或者至多能輸出兩通道相位差恒定的信號。某些品牌信號發(fā)生器可產(chǎn)生三通道相位 差恒定的信號，但價格約為十幾萬元。產(chǎn)生四通道信號以上的設(shè)備不僅需要定制，而且價格 更高。另外，商用信號發(fā)生器的輸出信號幅度也大多只有10伏，難以支持對速度脈沖信號 幅度特性的模擬。因此，商用信號發(fā)生器存在難以滿足速度傳感器輸出信號特定需求的問 題，而且成本高，不適宜用作速度脈沖信號模擬器。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題其一是擴大速度傳感器輸出信號模擬器的應(yīng)用范圍，使 之適用于軌道交通領(lǐng)域的絕大多數(shù)型號的速度傳感器；其二是擴展模擬器的波形選擇范圍 以及輸出信號的頻率范圍，提高頻率轉(zhuǎn)換速度和穩(wěn)定性，降低工藝成本。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種速度傳感器輸出信號模擬裝置，包括主處理器模塊以及外部通信接口模塊，所述主處理器模塊用于通過所述外部通信 接口模塊同外部計算機進行通信，根據(jù)外部控制命令的規(guī)定生成當前應(yīng)輸出信號的波形特 征參數(shù)并輸出；所述波形特征參數(shù)包括輸出信號幅度特性、相位特性、通道數(shù)以及幅頻特性 中的一項或多項；輸出信號生成模塊，用于根據(jù)所述波形特征參數(shù)，生成外部控制命令的規(guī)定所要 求的輸出信號；功率放大模塊，用于將所述輸出信號進行功率放大，使所述輸出信號成為滿足速 度傳感器性能指標要求的信號。優(yōu)選地，所述波形特征參數(shù)包括頻率控制字；所述輸出信號生成模塊包括波形發(fā)生模塊，所述波形發(fā)生模塊用于根據(jù)所述頻率 控制字得到輸出信號的分頻數(shù)，并根據(jù)所述分頻數(shù)對標準時鐘信號分頻得到當前應(yīng)輸出的 信號波形；所述波形發(fā)生模塊通過并行傳輸接口與所述功率放大模塊相連接。優(yōu)選地，所述波形特征參數(shù)包括幅度控制字、頻率控制字以及相位控制字；所述輸 出信號生成模塊包括波形發(fā)生模塊以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；所述波形發(fā)生模塊內(nèi)部設(shè)置有由外部控制指令指定的波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，內(nèi) 含指定波形各個相位點的輸出電平；所述波形發(fā)生模塊用于根據(jù)所述幅度控制字、頻率控 制字、相位控制字以及指定波形相位_幅度數(shù)據(jù)表得到各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊用于將所述各通道應(yīng)輸出的信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信 號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號，并發(fā)送給所述功率放大模塊。優(yōu)選地，所述波形特征參數(shù)包括幅度控制字、頻率控制字、相位控制字以及濾波控 制字；所述輸出信號生成模塊包括波形發(fā)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及程控濾波模塊；所述波形發(fā)生模塊內(nèi)部設(shè)置有多個輸出波形的相位_幅度數(shù)據(jù)表，內(nèi)含輸出波形 各個相位點的輸出電平；所述波形發(fā)生模塊用于根據(jù)所述幅度控制字、頻率控制字、相位控 制字以及輸出波形相位_幅度數(shù)據(jù)表得到各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊用于將所述各通道應(yīng)輸出的信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信 號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號，并發(fā)送至所述程控濾波模塊；所述程控濾波模塊用于根據(jù)所述濾波控制字確定濾波器當前的中心頻率及品質(zhì) 因數(shù)，對當前輸出信號進行平滑濾波，并將濾波后的輸出信號發(fā)送至所述功率放大模塊。此外，本發(fā)明還提供一種速度傳感器輸出信號模擬方法，包括如下步驟步驟1 通過外部通信接口模塊與外部計算機通信，接收外部控制命令并生成當前應(yīng)輸出信號的波形特征參數(shù)；所述波形特征參數(shù)包括輸出信號幅度特性、相位特性、通道 數(shù)以及幅頻特性中的一項或多項；步驟2 根據(jù)所述波形特征參數(shù)生成外部控制命令規(guī)定的各通道應(yīng)輸出的信號幅 度值，進而生成輸出信號；步驟3 對所述輸出信號進行功率放大，使所述輸出信號成為滿足速度傳感器性 能指標要求的信號。優(yōu)選地，所述步驟2中，根據(jù)所述波形特征參數(shù)中的頻率控制字得到輸出信號的 分頻數(shù)，并根據(jù)所述分頻數(shù)對標準時鐘信號分頻得到當前應(yīng)輸出的信號波形。優(yōu)選地，所述步驟2中，根據(jù)所述波形特征參數(shù)內(nèi)的幅度控制字、頻率控制字、相 位控制字以及外部控制指令所指定的波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，生成各通道應(yīng)輸出的信號幅度值。優(yōu)選地，所述步驟2中，根據(jù)所述波形特征參數(shù)內(nèi)的幅度控制字、頻率控制字、相 位控制字以及內(nèi)部存儲的多個輸出波形相位-幅度數(shù)據(jù)表，生成各通道應(yīng)輸出的信號幅度值。優(yōu)選地，在所述步驟2和步驟3之間，還包括步驟采用時分復用的方式將各通道輸出信號幅度值輸出，將所述各通道信號幅度值所 確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號；優(yōu)選地，在所述步驟2和步驟3之間，還包括步驟步驟a 采用時分復用的方式將各通道輸出信號幅度值輸出，將所述各通道信號 幅度值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號；步驟b 根據(jù)所述波形特征參數(shù)中的濾波控制字確定濾波器當前的中心頻率及品 質(zhì)因數(shù)，對當前輸出信號進行平滑濾波，并輸出濾波后的輸出信號。(三)有益效果本發(fā)明技術(shù)方案相對于現(xiàn)有的速度傳感器輸出信號模擬方案，能夠產(chǎn)生如下有益 效果1)該技術(shù)方案包含多種模擬裝置的設(shè)計方案，可以對應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的絕大 多數(shù)型號的速度傳感器的輸出信號進行模擬；2)因為該技術(shù)方案采用數(shù)字邏輯器件，控制精度高，穩(wěn)定性好，進而使得該技術(shù)方 案所模擬得到的信號滿足輸出速度脈沖電氣特性；3)該技術(shù)方案通過外部通信接口模塊和計算機進行通信，根據(jù)計算機發(fā)送的指令 控制輸出信號的電氣特性；根據(jù)計算機控制指令，該信號模擬器可選擇輸出波形，可實時選 擇輸出信號的頻率(OHz到20KHz)，可選擇每通道信號之間的相位差基數(shù)為90° (兩通道 或四通道輸出)或120° (三通道輸出)；可靈活模擬不同通道數(shù)的速度傳感器輸出信號特 性，配置方便；同時，根據(jù)需模擬的速度傳感器特性，可靈活設(shè)計信號輸出的幅度以及輸出信號 幅度和頻率之間的變化關(guān)系；對于一些輸出信號的幅頻特性較特殊的速度傳感器或測速電 機也可以進行精確模擬；4)該技術(shù)方案實現(xiàn)采用常用的單片機、FPGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、放大電路以及濾波電 路等，具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻率穩(wěn)定度高、易實現(xiàn)、易復制以及低成本等特點。


圖1為本發(fā)明實施例1中速度傳感器輸出信號模擬裝置的原理示意圖；圖2為本發(fā)明實施例2中速度傳感器輸出信號模擬裝置的原理示意圖；圖3為本發(fā)明實施例3中速度傳感器輸出信號模擬裝置的原理性示意圖；圖4為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬器外部通信接口模塊和主處理 器模塊的實施框圖；圖5為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬裝置的波形發(fā)生模塊硬件組成 的實施框圖；圖6為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬裝置的波形發(fā)生模塊兩通道正 弦波信號發(fā)生邏輯的實施框圖；圖7為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬裝置的波形發(fā)生模塊三通道方 波信號發(fā)生邏輯的實施框圖；圖8為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬裝置的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的實施框 圖；圖9為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬裝置的程控濾波模塊的實施框 圖；圖10為本發(fā)明實施例4中速度傳感器輸出信號模擬裝置功率放大模塊的實施框 圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。首先具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所涉及的一種速度傳感器輸出信號模擬裝置，包 括主處理器模塊以及外部通信接口模塊，主處理器模塊用于通過外部通信接口模塊 同外部計算機進行通信，根據(jù)外部控制命令的規(guī)定生成當前應(yīng)輸出信號的波形特征參數(shù)并 輸出；波形特征參數(shù)包括輸出信號幅度特性、相位特性、通道數(shù)以及幅頻特性中的一項或多 項；輸出信號生成模塊，用于根據(jù)所述波形特征參數(shù)，生成外部控制命令的規(guī)定所要 求的輸出信號；功率放大模塊，用于將輸出信號進行功率放大，使輸出信號成為滿足速度傳感器 性能指標要求的信號。其中，在輸出波形為方波的情況下，波形特征參數(shù)包括輸出信號的通道數(shù)及頻率 控制字，其中頻率控制字包括各通道輸出信號的輸出頻率值；輸出信號生成模塊包括波形 發(fā)生模塊；波形發(fā)生模塊用于根據(jù)輸出頻率值得到輸出信號的分頻數(shù)，并根據(jù)分頻數(shù)對標 準時鐘信號分頻得到當前應(yīng)輸出的信號波形；波形發(fā)生模塊通過并行傳輸接口與功率放大 模塊相連接。其中，在輸出波形為指定波形(比如三角波)的情況下，波形特征參數(shù)包括輸出信
7號波形類型、幅度控制字、頻率控制字以及相位控制字，其中頻率控制字包括各通道輸出信 號頻率值，幅度控制字包括輸出信號的幅度峰峰值，相位控制字包括輸出信號初始相位以 及各通道輸出信號的相位差；輸出信號生成模塊包括波形發(fā)生模塊以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；波 形發(fā)生模塊內(nèi)部設(shè)置有由外部控制指令指定的波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，內(nèi)含指定波形各個 相位點的輸出電平；波形發(fā)生模塊用于根據(jù)波形特征參數(shù)所包含的幅度控制字、頻率控制 字、相位控制字以及定波形相位_幅度數(shù)據(jù)表得到各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；數(shù)模轉(zhuǎn)換 模塊用于將各通道應(yīng)輸出的信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號，并發(fā) 送給功率放大模塊。其中，在輸出波形為正弦波的情況下，波形特征參數(shù)包括輸出信號波形類型、頻率 控制字、幅度控制字、相位控制字以及濾波控制字；其中頻率控制字包括各通道輸出信號頻 率值，幅度控制字包括輸出信號的幅度峰峰值，相位控制字包括輸出信號初始相位以及各 通道輸出信號的相位差；輸出信號生成模塊包括波形發(fā)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及程控濾 波模塊；波形發(fā)生模塊內(nèi)部設(shè)置有多個輸出波形的相位_幅度數(shù)據(jù)表，內(nèi)含輸出波形各個 相位點的輸出電平；波形發(fā)生模塊用于根據(jù)波形特征參數(shù)所包含的頻率控制字、幅度控制 字、相位控制字以及輸出波形相位_幅度數(shù)據(jù)表得到各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；數(shù)模轉(zhuǎn) 換模塊用于將各通道應(yīng)輸出的信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號，并 發(fā)送至程控濾波模塊；程控濾波模塊用于根據(jù)濾波控制字確定濾波器當前的中心頻率及品 質(zhì)因數(shù)，對當前輸出信號進行平滑濾波，并將濾波后的輸出信號發(fā)送至功率放大模塊。下面，具體描述對本發(fā)明技術(shù)方案所涉及的一種速度傳感器輸出信號模擬方法， 包括如下步驟步驟1 通過外部通信接口模塊與外部計算機通信，接收外部控制命令并生成當 前應(yīng)輸出信號的波形特征參數(shù)；所述波形特征參數(shù)包括輸出信號幅度特性、相位特性、通道 數(shù)以及幅頻特性中的一項或多項；步驟2 根據(jù)所述波形特征參數(shù)生成外部控制命令規(guī)定的各通道應(yīng)輸出的信號幅 度值，進而生成輸出信號；步驟3 對輸出信號進行功率放大，使輸出信號成為滿足速度傳感器性能指標要 求的信號。其中，在輸出信號波形為方波的情況下，步驟2中，根據(jù)波形特征參數(shù)中的頻率控 制字所包括的輸出頻率值得到輸出信號的分頻數(shù)，并根據(jù)分頻數(shù)對標準時鐘信號分頻得到 當前應(yīng)輸出的信號波形。其中，在輸出信號波形為指定波形(比如三角波)的情況下，步驟2中，根據(jù)波形 特征參數(shù)內(nèi)的幅度控制字、頻率控制字、相位控制字以及其內(nèi)部存儲的外部控制指令指定 的波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，生成各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；在步驟2和步驟3之間，還包 括步驟采用時分復用的方式將各通道輸出信號幅度值輸出，將各通道信號幅度值所確定 的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號。其中，在輸出信號波形為正弦波的情況下，步驟2中，波形發(fā)生模塊根據(jù)波形特征 參數(shù)內(nèi)的幅度控制字、頻率控制字、相位控制字以及其內(nèi)部存儲的多個輸出波形相位-幅 度數(shù)據(jù)表，生成各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；在步驟2和步驟3之間，還包括步驟步驟a 采用時分復用的方式將各通道輸出信號幅度值輸出，將各通道信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號；步驟b 根據(jù)波形特征參數(shù)中的濾波控制字確定濾波器當前 的中心頻率及品質(zhì)因數(shù)，對當前輸出信號進行平滑濾波，并輸出濾波后的輸出信號。實施例1本實施例具體描述利用本發(fā)明技術(shù)方案模擬輸出波形為正弦波的速度傳感器輸 出信號的情況。如圖1所示，給出了本實施例速度傳感器輸出信號模擬方法及裝置的原理性示意 圖，速度傳感器輸出信號模擬器通過外部通信接口模塊完成和外部設(shè)備信息交互的接口擴 展，使系統(tǒng)具備接收外部控制命令的能力。主處理器模塊通過外部通信接口模塊和外部設(shè) 備進行通信，接收外部控制命令，包括當前時刻應(yīng)輸出的信號波形類型、速度值、方向和通 道數(shù)。主處理器模塊根據(jù)當前應(yīng)輸出的速度值，計算當前時刻應(yīng)輸出信號的頻率值；根據(jù)輸 出信號的頻率幅度對應(yīng)關(guān)系，計算當前時刻應(yīng)輸出信號的幅度峰峰值；根據(jù)應(yīng)輸出的通道 數(shù)和當前速度的方向，計算通道之間相位差。主處理器模塊把輸出信號的信號波形類型、頻 率、幅度峰峰值、初始相位、相位差等信息傳送給波形發(fā)生模塊。波形發(fā)生模塊內(nèi)部存儲了 多個輸出波形的相位-幅度數(shù)據(jù)表，并根據(jù)應(yīng)輸出信號的信號波形類型，選擇采用指定的 輸出波形相位_幅度數(shù)據(jù)表；根據(jù)輸出信號的頻率、幅度峰峰值、相位等信息，讀取輸出波 形相位_幅度數(shù)據(jù)表，得到一個通道信號當前時刻應(yīng)輸出的信號幅度值；根據(jù)多通道信號 相位差信息，控制其它通道信號應(yīng)讀取的數(shù)據(jù)表位置，得到其它通道信號應(yīng)輸出的信號幅 度值。波形發(fā)生模塊采用數(shù)字量的方式表示各通道應(yīng)輸出的信號幅度值，并以時分復用的 方式將各通道應(yīng)輸出的信號幅度值發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊分別把不同通道的 以數(shù)字量形式表示的輸出信號幅度值轉(zhuǎn)換為模擬量形式，然后發(fā)送給程控濾波模塊。程控 濾波模塊實時根據(jù)主處理器模塊發(fā)送的濾波控制字確定濾波器當前的中心頻率和品質(zhì)因 數(shù)，并對當前輸出信號進行平滑濾波，使輸出信號波形為正弦波。經(jīng)濾波后的輸出信號發(fā)送 到功率放大模塊，對輸出信號的幅度進行放大，使信號輸出滿足速度傳感器輸出信號的功 率指標。經(jīng)功率放大后的輸出信號已為滿足速度傳感器性能指標要求的信號，經(jīng)輸出接口 輸出后即可供外部設(shè)備使用。實施例2下面具體描述利用本發(fā)明技術(shù)方案模擬輸出波形為方波的速度傳感器輸出信號 的情況。如圖2所示，給出了本實施例速度傳感器輸出信號模擬方法及裝置的原理性示意 圖，本實施例與實施例1的技術(shù)方案的主要區(qū)別在于可省略數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和程控濾波模 塊。這是因為當輸出波形為方波時，輸出信號的幅度只有高電平或零電平兩種取值，因此無 需再采用數(shù)字量形式表示輸出信號幅度，進而就無需包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和程控濾波模塊。 本實施例與實施例1在技術(shù)方案上的另一區(qū)別為波形發(fā)生模塊和放大電路模塊之間的傳 輸方式。由于方波信號只需用一根信號線即可表示，因此，波形發(fā)生模塊和放大電路模塊之 間的接口可采用并行傳輸模式，即同時用多根信號線來傳輸各通道的輸出信號，而無需采 用時分復用方式。另外，由于輸出波形為方波，因此，波形發(fā)生模塊內(nèi)部無需再采用查表法 得到當前輸出信號幅度值，只需采用分頻法即可。波形發(fā)生模塊首先產(chǎn)生一個標準的時鐘 信號，并根據(jù)主處理器模塊發(fā)來的輸出頻率值計算當前的分頻數(shù)，對標準時鐘信號進行分 頻，從而得到當前時刻應(yīng)輸出的信號波形。除上述區(qū)別之外，所述兩個實施例技術(shù)方案從原
9理上并無本質(zhì)區(qū)別。本實施例技術(shù)方案是針對不同待模擬的速度傳感器的輸出需求，對實 施例1實現(xiàn)方案進行了適當簡化和優(yōu)化。實施例3下面具體描述利用本發(fā)明技術(shù)方案模擬輸出波形為指定波形(比如三角波)的速 度傳感器輸出信號的情況。如圖3所示，給出了本實施例速度傳感器輸出信號模擬方法及裝置的原理性示意 圖，本實施例與實施例1技術(shù)方案的主要區(qū)別在于波形發(fā)生模塊和程控濾波模塊。當輸出 波形為其它指定波形(如三角波)時，波形發(fā)生模塊內(nèi)部存儲的輸出波形相位-幅度數(shù) 據(jù)表應(yīng)換成指定波形對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，這樣經(jīng)查表后得到的當前輸出信號幅度值就為指定波 形形式。相應(yīng)的，由于輸出波形不再為正弦波，因此，應(yīng)省略程控濾波模塊，使輸出波形不失 真。除此之外，本實施例與實施例1技術(shù)方案從原理上并無本質(zhì)區(qū)別。本實施例技術(shù)方案 是針對不同待模擬的速度傳感器的輸出需求，對實施例1實現(xiàn)方案進行了優(yōu)化。實施例4本實施例具體描述本發(fā)明技術(shù)方案所涉及的速度傳感器輸出信號模擬裝置的實 施原理。如圖4所示，為速度傳感器輸出信號模擬器外部通信接口模塊和主處理器模塊的 實施框圖。圖中采用了高速微處理器77E58作為主處理器核心單元。選擇77E58作為核心 處理器是因為77E58內(nèi)部自帶32KB的程序存儲器。在程序功能不復雜的應(yīng)用場合，可省略 外擴的程序存儲器，降低系統(tǒng)復雜度和成本。另外，77E58具有兩個串口，且成本低廉，這也 是選擇77E58的原因。主處理器模塊擴展了一片62256作為32K靜態(tài)存儲器，用作主處理 器的數(shù)據(jù)存儲器。主處理器模塊的74HC573用作地址鎖存器，實現(xiàn)對77E58的PO 口地址線 和數(shù)據(jù)線分離的目的。另外，本圖中的外部通信接口模塊使用電平轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)速度傳感 器輸出信號模擬器和外部計算機通信的接口轉(zhuǎn)換功能。普通計算機自帶的串行通信接口符 合RS232標準，采用RS232電平，即邏輯1在-5伏 -15伏之間，邏輯0在+5伏 +15伏 之間。77E58的串行通信接口則采用TTL電平，邏輯1在5伏左右，邏輯0在0伏左右。速 度傳感器輸出信號模擬器增加一個電平轉(zhuǎn)換器件，實現(xiàn)TTL電平和RS232電平之間的轉(zhuǎn)換， 從而實現(xiàn)速度傳感器輸出信號模擬器和計算機之間的串行通信。電平轉(zhuǎn)換器件可利用美國 MAXIM公司的MAX232或MAX202等芯片實現(xiàn)，本實施例采用MAX202。主處理器模塊從外部 計算機接收外部控制命令，從而確定當前輸出信號的通道數(shù)、幅度_頻率對應(yīng)關(guān)系；同時， 根據(jù)接收到的外部控制命令得到當前時刻應(yīng)輸出的速度值和方向。主處理器模塊根據(jù)當前 輸出信號的通道數(shù)、幅度_頻率對應(yīng)關(guān)系、當前速度值和速度方向進行運算，得到當前應(yīng)輸 出的信號波形的幅度控制字、頻率控制字和相位控制字，發(fā)送給波形發(fā)生模塊。另外，主處 理器模塊還根據(jù)當前應(yīng)輸出的信號頻率，運算得到濾波控制字，發(fā)送給程控濾波模塊。如圖5所示，為速度傳感器輸出信號模擬器波形發(fā)生模塊硬件組成的實施框圖。 圖中采用了 CYCLONE II的FPGA模塊作為波形發(fā)生模塊的核心處理部分。CYCLONE II器件 含有豐富的存儲器和嵌入式乘法器，并含有數(shù)字頻率合成器單元，可以滿足波形發(fā)生的要 求。同時，CYCLONE II器件針對低成本設(shè)計，具有良好的性價比。在本實施框圖中，F(xiàn)PGA模 塊內(nèi)部存儲輸出波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，并實時根據(jù)外部輸入的頻率、幅度峰峰值、相位等 信息，讀取輸出波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，得到一個通道信號當前時刻應(yīng)輸出的信號幅度值，以數(shù)字量的形式將該數(shù)值輸出。FPGA器件可選擇CYCLONE的EPlC系列器件，如EP1C6F144 或EP1C12Q240等。電源轉(zhuǎn)換單元用來為FPGA器件提供的供電電平。一般的單片機系統(tǒng)采 用5伏供電，但FPGA器件為實現(xiàn)低功耗和高速率，往往采用3. 3伏和1. 8伏供電。因此，電 源轉(zhuǎn)換單元實現(xiàn)5伏電源到3. 3伏/1. 8伏電源的轉(zhuǎn)換。電源轉(zhuǎn)換單元可采用LT1585系列 器件實現(xiàn)。相應(yīng)的，由于FPGA的數(shù)據(jù)總線采用3. 3伏驅(qū)動，而除FPGA外的其它器件均采用 TTL或CMOS電平，因此，應(yīng)采用數(shù)據(jù)總線驅(qū)動單元實現(xiàn)FPGA數(shù)據(jù)總線和外部數(shù)據(jù)總線的電 平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動。數(shù)據(jù)總線驅(qū)動單元可采用74LVC16245和74ACT16245系列的器件實現(xiàn)。晶 振模塊產(chǎn)生一個標準的時鐘信號，用來向FPGA器件提供一個基準頻率信息。復位電路在主 處理器的控制下產(chǎn)生一個復位信號，用來對FPGA器件進行復位，可采用ADM708器件實現(xiàn)。如圖6所示，為速度傳感器輸出信號模擬器波形發(fā)生模塊兩通道正弦波信號發(fā)生 邏輯的實施框圖。圖中幅度控制字、頻率控制字和通道A、B的相位控制字是來自于主處理 器模塊的輸入信號，用于實時控制輸出的波形信號。信號波形相位_幅度數(shù)據(jù)表存儲了當 前應(yīng)輸出的信號波形在各相位點的輸出幅度值。波形發(fā)生模塊工作過程中，頻率控制字控 制時鐘沿每次到來時，相位累進的步長，進而控制相位累加器每一次累加的幅度，從而形成 不同的輸出頻率。相位控制字控制當前輸出信號的初始相位。經(jīng)頻率控制字和相位控制字 控制后，得到當前時刻應(yīng)輸出的信號相位。然后，波形發(fā)生模塊根據(jù)該信號相位值查找信號 波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，得到當前時刻應(yīng)輸出的信號幅度。主處理器發(fā)送的幅度控制字控 制當前應(yīng)輸出信號的幅度衰減。波形發(fā)生模塊在完成查數(shù)據(jù)表后，和幅度控制字代表的衰 減值進行相乘，得到最終應(yīng)輸出的正弦信號輸出。其中，主處理器模塊針對不同輸出通道， 發(fā)送各通道的相位控制字，使不同通道之間的信號相位嚴格相差指定值。另外，主處理器在 發(fā)送幅度控制字和頻率控制字之前，可根據(jù)輸出信號頻率_幅度關(guān)系計算幅度控制字和頻 率控制字的數(shù)值，從而滿足擬模擬的速度傳感器輸出信號的輸出特性。對該實施例進行擴 展，可以得到更多通道信號發(fā)生的實施框圖。如圖7所示，為速度傳感器輸出信號模擬器波形發(fā)生模塊三通道方波信號發(fā)生邏 輯的實施框圖。本實施例實現(xiàn)了三通道方波信號的產(chǎn)生，其中，各通道信號相差120°的整 數(shù)倍。圖中，三個可逆計數(shù)器的計數(shù)值均為6，計數(shù)器A的初始值設(shè)置為0，計數(shù)器B的初始 值設(shè)置為2，計數(shù)器C的初始值設(shè)置為4。時鐘頻率信號和方向控制信號來自于主處理器 模塊。當產(chǎn)生方波信號時，主處理器計算出當前速度信號對應(yīng)的頻率值，6倍頻后向波形發(fā) 生模塊發(fā)送該頻率信號。這樣三個計數(shù)器輸出的信號即為應(yīng)輸出的頻率信號，且占空比為 50%。由于三個計數(shù)器的初始值設(shè)置不同，三通道輸出的方波信號相位嚴格相差120°的整 數(shù)倍。方向控制信號來自于主處理器模塊，用于控制計數(shù)方向，從而控制三通道信號的相位 差的極性。方波信號的發(fā)生也可以通過VHDL編程來實現(xiàn)。對該實施例進行擴展，可以得到 更多通道信號發(fā)生的實施框圖。如圖8所示，為速度傳感器輸出信號模擬器數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的實施框圖。圖中采用 了一個10位分辨率的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。當輸出信號幅度小于30伏且采用10 位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換時，最小幅度分辨率不超過0. 06伏，完全滿足速度傳感器輸出信號的 要求。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器后極采用一個雙極性放大器，使輸出的信號為雙極性，幅度在士5伏 范圍內(nèi)。當前級產(chǎn)生速度傳感器輸出信號的數(shù)字量后，送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器件后，生成對應(yīng) 的模擬量，經(jīng)雙極性放大器后，以模擬量形式發(fā)送給后極電路。
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如圖9所示，為速度傳感器輸出信號模擬器程控濾波模塊的實施框圖。圖中采用 了一個微處理器可控的雙二階通用有源濾波器。由于輸出信號是一個單頻信號，為保證良 好的濾波特性，濾波器應(yīng)為一個窄帶濾波器。同時，輸出信號的頻率在動態(tài)變化，因此，濾波 器的中心頻率應(yīng)可編程控制。因此，速度傳感器輸出信號模擬器采用了 MAX262作為程控濾 波器件。其中，濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)由主處理器模塊實時控制。濾波器的工作時 鐘由主處理器產(chǎn)生。如圖10所示，為速度傳感器輸出信號模擬器功率放大模塊的實施框圖。圖中采用 一個雙極性供電的高增益運算放大器實現(xiàn)對輸出信號的功率放大。假設(shè)待模擬的速度傳感 器信號輸出幅度最大為18伏，則運算放大器的供電電壓可為18伏，放大倍數(shù)為3. 6倍。滑 動變阻器R31可用于調(diào)節(jié)信號零點。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種速度傳感器輸出信號模擬裝置，其特征在于，所述模擬裝置包括主處理器模塊以及外部通信接口模塊，所述主處理器模塊用于通過所述外部通信接口模塊同外部計算機進行通信，根據(jù)外部控制命令的規(guī)定生成當前應(yīng)輸出信號的波形特征參數(shù)并輸出；所述波形特征參數(shù)包括輸出信號幅度特性、相位特性、通道數(shù)以及幅頻特性中的一項或多項；輸出信號生成模塊，用于根據(jù)所述波形特征參數(shù)，生成外部控制命令的規(guī)定所要求的輸出信號；功率放大模塊，用于將所述輸出信號進行功率放大，使所述輸出信號成為滿足速度傳感器性能指標要求的信號。
2.如權(quán)利要求1所述的速度傳感器輸出信號模擬裝置，其特征在于，所述波形特征參 數(shù)包括頻率控制字；所述輸出信號生成模塊包括波形發(fā)生模塊，所述波形發(fā)生模塊用于根據(jù)所述頻率控制 字得到輸出信號的分頻數(shù)，并根據(jù)所述分頻數(shù)對標準時鐘信號分頻得到當前應(yīng)輸出的信號 波形；所述波形發(fā)生模塊通過并行傳輸接口與所述功率放大模塊相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的速度傳感器輸出信號模擬裝置，其特征在于，所述波形特征參 數(shù)包括幅度控制字、頻率控制字以及相位控制字；所述輸出信號生成模塊包括波形發(fā)生模 塊以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；所述波形發(fā)生模塊內(nèi)部設(shè)置有由外部控制指令指定的波形相位_幅度數(shù)據(jù)表，內(nèi)含指 定波形各個相位點的輸出電平；所述波形發(fā)生模塊用于根據(jù)所述幅度控制字、頻率控制字、 相位控制字以及指定波形相位_幅度數(shù)據(jù)表得到各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊用于將所述各通道應(yīng)輸出的信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn) 換為模擬輸出信號，并發(fā)送給所述功率放大模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的速度傳感器輸出信號模擬裝置，其特征在于，所述波形特征參 數(shù)包括幅度控制字、頻率控制字、相位控制字以及濾波控制字；所述輸出信號生成模塊包括 波形發(fā)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及程控濾波模塊；所述波形發(fā)生模塊內(nèi)部設(shè)置有多個輸出波形的相位_幅度數(shù)據(jù)表，內(nèi)含輸出波形各個 相位點的輸出電平；所述波形發(fā)生模塊用于根據(jù)所述幅度控制字、頻率控制字、相位控制字 以及輸出波形相位_幅度數(shù)據(jù)表得到各通道應(yīng)輸出的信號幅度值；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊用于將所述各通道應(yīng)輸出的信號幅度值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn) 換為模擬輸出信號，并發(fā)送至所述程控濾波模塊；所述程控濾波模塊用于根據(jù)所述濾波控制字確定濾波器當前的中心頻率及品質(zhì)因數(shù)， 對當前輸出信號進行平滑濾波，并將濾波后的輸出信號發(fā)送至所述功率放大模塊。
5.一種速度傳感器輸出信號模擬方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟步驟1 通過外部通信接口模塊與外部計算機通信，接收外部控制命令并生成當前應(yīng) 輸出信號的波形特征參數(shù)；所述波形特征參數(shù)包括輸出信號幅度特性、相位特性、通道數(shù)以 及幅頻特性中的一項或多項；步驟2 根據(jù)所述波形特征參數(shù)生成外部控制命令規(guī)定的各通道應(yīng)輸出的信號幅度 值，進而生成輸出信號；步驟3 對所述輸出信號進行功率放大，使所述輸出信號成為滿足速度傳感器性能指 標要求的信號。
6.如權(quán)利要求5所述的速度傳感器輸出信號模擬方法，其特征在于，所述步驟2中，根 據(jù)所述波形特征參數(shù)中的頻率控制字得到輸出信號的分頻數(shù)，并根據(jù)所述分頻數(shù)對標準時 鐘信號分頻得到當前應(yīng)輸出的信號波形。
7.如權(quán)利要求5所述的速度傳感器輸出信號模擬方法，其特征在于，所述步驟2中，根 據(jù)所述波形特征參數(shù)內(nèi)的幅度控制字、頻率控制字、相位控制字以及外部控制指令所指定 的波形相位-幅度數(shù)據(jù)表，生成各通道應(yīng)輸出的信號幅度值。
8.如權(quán)利要求5所述的速度傳感器輸出信號模擬方法，其特征在于，所述步驟2中，根 據(jù)所述波形特征參數(shù)內(nèi)的幅度控制字、頻率控制字、相位控制字以及內(nèi)部存儲的多個輸出 波形相位-幅度數(shù)據(jù)表，生成各通道應(yīng)輸出的信號幅度值。
9.如權(quán)利要求7所述的速度傳感器輸出信號模擬方法，其特征在于，在所述步驟2和步 驟3之間，還包括步驟采用時分復用的方式將各通道輸出信號幅度值輸出，將所述各通道信號幅度值所確定 的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號。
10.如權(quán)利要求8所述的速度傳感器輸出信號模擬方法，其特征在于，在所述步驟2和 步驟3之間，還包括步驟步驟a:采用時分復用的方式將各通道輸出信號幅度值輸出，將所述各通道信號幅度 值所確定的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號；步驟b 根據(jù)所述波形特征參數(shù)中的濾波控制字確定濾波器當前的中心頻率及品質(zhì)因 數(shù)，對當前輸出信號進行平滑濾波，并輸出濾波后的輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種速度傳感器輸出信號模擬裝置及方法，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為擴大速度傳感器輸出信號模擬器的應(yīng)用范圍，本發(fā)明技術(shù)方案首先以一個主處理器模塊和外部通信接口模塊接收規(guī)定當前速度傳感器應(yīng)輸出的信號特性的外部控制命令，然后利用一個波形發(fā)生模塊實時生成當前輸出信號的幅度，經(jīng)一個數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊得到該輸出信號幅度的模擬量值，接著經(jīng)一個程控濾波模塊對信號波形進行平滑濾波，最后利用一個功率放大模塊，對當前速度傳感器應(yīng)輸出信號進行幅度放大。本發(fā)明技術(shù)方案實現(xiàn)對各種速度傳感器輸出信號的模擬和仿真，具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻率穩(wěn)定度高、易實現(xiàn)、易復制、成本低等特點，具有較高的性能價格比。
文檔編號H03K3/02GK101917178SQ201010241058
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者劉雨, 唐濤, 李開成, 耿家駿, 袁磊, 魏國棟 申請人:北京交通大學