摘 要

基于编码器测量角位或线位移的方法在汽车测速系统中运用广泛。本文设计了一种轮式计程系统，可以实现对车辆实时行程的监测与记录。在编码器的选择、硬件的数据采集、上位机数据处理和数据显示保存几方面论述了设计方案。与GPS卫星定位系统相比，编码器具有更强的抗干扰能力以及更高的测量精度。

本文完成了轮式计程系统的设计，主要工作有以下几点：

（1）对比绝对式编码器和增量式编码器在本次设计中的适用性，选用更为简单成本更低的增量式编码器，结合本次设计对精度的要求选择了分辨率合适的霍尔编码器，并对编码器和轮毂的相对位置关系进行分析，确定了编码器的安装方式。

（2）选用以Cotex-M3为内核的ARM处理器：STM32F103C8T6单片机。发挥此型号单片机的高速运算能力，保证汽车高速运行时计程系统依然能达到规定精度。运用功能丰富的外设：支持编码器计脉冲模式的定时器，在硬件上实现防抖，并自动判断正反转。再设置第三个定时器为更新中断，实现每个规定时间内读取编码器计数数据，达到数据采集的目的。

（3）设计了上位机用于数据处理计算的程序，利用LabVIEW数据显示直观并能很方便的实现双精度计算的优点，简化下位机工作的复杂程度。下位机采集的数据通关串口将发送至上位机，LabVIEW程序通过建立的数学模型将数据按计算公式进行处理即可得出最终里程数。

本文所做的工作可用于检测汽车的运动，实时显示里程计数。研究结果表明：本次设计的轮式里程系统可以实现最高速为120km/h以内的里程计数，并且精度可以控制在3mm以下，每秒测量频次远高于20次，得到的最终测试结果符合本次设计的各项要求。

关键词：增量式光电编码器；STM32F103；定时器；LabVIEW数据格式转换

Abstract

The method of measuring angular or linear displacement based on encoder is widely used in vehicle speed measurement system. In this paper, a wheel type metering system is designed, which can monitor and record the real-time travel of vehicles. The design scheme is discussed in the aspects of encoder selection, hardware data acquisition, upper computer data processing and data display saving. Compared with GPS satellite positioning system, encoder has stronger anti-jamming ability and higher measurement accuracy.

In this paper, the design of wheel type metering system is completed. The main work is as follows:

(1): Compared with the applicability of absolute encoder and incremental encoder in this design, a simpler and lower cost incremental encoder is selected. Combined with the accuracy requirements of this design, a hall encoder with appropriate resolution is selected, and the relative position relationship between the encoder and the hub is analyzed to determine the installation mode of the encoder.

(2): The arm processor based on cotex-m3 is selected: stm32f103c8t6 single chip microcomputer. To make full use of the high-speed operation ability of this type of single-chip microcomputer to ensure that the metering system can still reach the specified accuracy when the car is running at high speed. Use of functional peripherals: support encoder pulse mode timer, in hardware to achieve anti shake, and automatically determine the positive and negative. The third timer is set as update interrupt to read the encoder count data in each specified time to achieve the purpose of data collection.

(3): The program of upper computer for data processing and calculation is designed. The advantage of LabVIEW data display is intuitionistic and convenient to realize double precision calculation, which simplifies the complexity of lower computer. The data collected by the lower computer will be sent to the upper computer through the serial port. The LabVIEW program can process the data according to the calculation formula through the established mathematical model to get the final mileage.

The work of this paper can be used to detect the movement of the car and display the mileage count in real time. The research results show that the designed wheel mileage system can realize the mileage counting with the highest speed within 120km / h, and the accuracy can be controlled below 3mm, and the measurement frequency per second is much higher than 20 times. The final test results meet the requirements of the design.

Key Words：Incremental photoelectric encoder;STM32F103; timer; LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究概况 1

1.2.1基本原理 1

1.2.2国外研究现状 2

1.2.3国内研究现状 4

1.3主要内容及章节安排 6

1.3.1主要设计内容 6

1.3.2章节安排 6

第2章 轮式计程系统硬件设计 8

2.1硬件系统框架 8

2.1.1硬件总体设计 8

2.2编码器 9

2.2.1编码器类型 9

2.2.2编码器选择 10

2.2.3编码器计数原理 11

2.3下位机STM32F103 13

2.3.1STM32F103最小系统概述 13

2.3.2下位机STM32F103的电路连接 14

2.3.3下位机程序思路 16

2.3.4具体程序解析 17

第3章 上位机 20

3.1上位机功能 20

3.2LabVIEW程序分析 20

3.2.1程序总体思路 20

3.2.2程序分析 21

第4章 系统测试 24

4.1系统测试过程 24

4.1.1STM32F103数据采集测试 24

4.1.2上位机最终历程记录结果 25

4.2测试结果分析 26

第5章 结 论 27

5.1理论要求校核 27

5.2结论 27

致 谢 28

参考文献 29

附 录 31

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

随着科学技术的飞速发展，卫星定位导航技术已经实现了高精度的GPS全球定位系统，从这种技术衍生出了许多民用导航定位的APP，为我们日常生活带来了诸多便利。但经过理论数据演算，这种定位技术依然存在以米为数量级的误差，并且这种技术在密集城市的喧嚣环境下电波会受到不同程度的干扰；在隧道这种对信号有屏蔽作用的环境下，这种技术的定位会出现短时间的目标丢失现象；在热带雨林这种极端生态环境下，卫星定位难以发挥作用^[1-2]。因此本次设计为解决卫星信号受到干扰造成的定位不准确的问题，采用了以霍尔编码器为出发点的轮式计程系统来实现更高精度的里程记录，霍尔编码器的基本原理是定子转子磁场之间的磁场作用，编码器自身特点的优势，具有更强的抗干扰能力，可以很好的避免上述几种情况导致的数据丢失问题。编码器机械结构设计将测量到的角度变化量转化为电信号输出来实现信息的传递。以编码器为转换器件将采集的信号转换为电信号的方法具有更高的测量精度，并且结构紧凑不会因为数据采集发送端与接收端跨度过大造成测量误差的放大。脉冲编码器在精度要求较高的场合有广泛应用：数控机床实现自动加工就要获取刀具的位置信息，此时脉冲编码器就能准确记录这一数据，并将检测到的信号转变为距离信息反馈给数控系统；电梯的升降需要及时获取轿厢的运动距离和运行速度，旋转编码器即可精确的获取这两种信息数据；无论是用于工厂流水线的大型机器人或是用于精密加工小型机器人，旋转编码器都作为信息采集器来收集机器人的动作信息，再通过反馈调节进行协调控制；伺服电机作为驱动部件，对角速度以及转矩的变化调节和输出控制都要依靠和电机紧密联系的编码器。

1.2国内外研究概况