【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 U=Q/C。 (28) C=Ξ s/4kπ d； (29) S=VL。 (210) U=（ 4kπ d Q/Ξ L） *1/V。 (211) U—— 柵極板電壓； Q—— 柵極板電量； C—— 柵極板電容量； S—— 柵極板正對(duì)面積； d—— 定柵和動(dòng)?xùn)诺拈g距； V—— 測(cè)量移動(dòng)速度； L—— 動(dòng)?xùn)艠O板長(zhǎng)度； 于是容柵位 移傳感器輸出的電信號(hào)就與移動(dòng)速度成反比例函數(shù)。由于在測(cè)量重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 的過(guò)程中，很難把握其拉動(dòng)動(dòng)?xùn)懦叩乃俣?，?dǎo)致信號(hào)放大后輸出的復(fù)合波形很難定量測(cè)定。所以通過(guò)輸出的信號(hào)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)過(guò)程中，測(cè)量信號(hào)的頻率始終和發(fā)射極的信號(hào)保持一致。于是，只要能夠把頻率測(cè)量出來(lái)，也即可以通過(guò)頻率間接對(duì)應(yīng)測(cè)量的微小位移量。 在我們所學(xué)的知識(shí)中，能夠易于測(cè)量頻率，只需將信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于計(jì)數(shù)的信號(hào)。于是可以從尖脈沖信號(hào)著手。為了得到脈沖信號(hào)，需要將采集的信號(hào)經(jīng) TL082整形成方波信號(hào)。其整形后的波形如圖 29所示。 圖 29 整形后的方 波波形 信號(hào)的細(xì)分處理 由檢測(cè)到的信號(hào)為如上圖 29 所示，為了得到測(cè)量所需的數(shù)據(jù)，就需要對(duì)采集的信號(hào)采取一定的整形措施。為此我們可采用脈沖計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行測(cè)量。于是，我們首先對(duì)信號(hào)放大微分整形后得到尖脈沖。對(duì)獲得的尖脈沖進(jìn)行細(xì)分。其中各通道的輸出信號(hào)分別代表柵極板 4的變化情況。通道 1 與通道 2信號(hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)電路 1 輸出；通道 2 與通道 3 信號(hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)電路 2 輸出；通道 3 與通道 4信號(hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)電路 3輸出 .如圖 210 所示。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 圖 210細(xì)分處理后的尖脈沖信號(hào) 容柵位移傳感器采集信號(hào)的辨 向問(wèn)題設(shè)計(jì)方案 圖 211辨向電路各點(diǎn)信號(hào)波形 由圖 211 可知向左移時(shí)， U1//信號(hào)從一開(kāi)始就是高電平，而 U/信號(hào)開(kāi)始為為底電平，通過(guò)或門(mén)電路 Y1，可使 U1//信號(hào)通過(guò)，從而觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置“ 1”，實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)。向右移時(shí)， U//信號(hào)開(kāi)始就為高電平，而 U1/信號(hào)開(kāi)始為低電平，通過(guò)重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 或門(mén)電路 Y2，可使 U//信號(hào)通過(guò)，從而觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置“ 1”，實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。以通道 1 和通道 2 的信號(hào)作為參照標(biāo)準(zhǔn)。其辨向原理如圖 212 所示。 圖 212辨向電路原理框圖 由獲得的尖脈沖信號(hào)可進(jìn)行如下計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到測(cè)量。 X(x)=（ M+(NA)+(PB)+(QC)） *W/K. (212) 其中： X(x)容柵位移傳感器位移量 。 M通道 1 脈沖計(jì)數(shù)值 。 N通道 2 脈沖計(jì)數(shù)值 。 P通道 3 脈沖計(jì)數(shù)值 。 Q通道 3 脈沖計(jì)數(shù)值 。 A與門(mén)電路 1 輸出端脈沖計(jì)數(shù)值 。 B與門(mén)電路 1 輸出端脈沖計(jì)數(shù)值 。 C與門(mén)電路 1 輸出端脈沖計(jì)數(shù)值 。 W柵極板間的寬度尺寸 。 K單位周期內(nèi)尖脈沖個(gè)數(shù)。 柵極板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 為了達(dá)到其精度要求，除了采取細(xì)分提高分辨率的同時(shí)需要對(duì)激勵(lì)信號(hào)給以適當(dāng)設(shè)置。由 W/K 可知在加工技術(shù)難以達(dá)到的前提下，可對(duì)激勵(lì)信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到調(diào)節(jié) K值，以實(shí)現(xiàn)對(duì) W/K 的精度的調(diào)整。 W 值一般設(shè)置在 10mm~20mm之間即可。 K 值通過(guò)頻率調(diào)節(jié)，使之在 200HZ 以上即可。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)采用 1KHZ 的晶振頻率。 本課題提出的精度要求為 實(shí)現(xiàn)高精度分辨率達(dá)到 。 在測(cè)量過(guò)程中為了達(dá)到精度要求我們需要對(duì)極板和極板間的寬度尺寸加以設(shè)計(jì)。 當(dāng)靜止時(shí)，動(dòng)?xùn)艠O板相對(duì)于定柵極板不動(dòng)。此時(shí)通過(guò)放大器輸出的 正弦信號(hào)和原發(fā)射極提供的正弦信號(hào)完全相同（振幅和頻率），在此，我們通過(guò)比較器 LM339重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 對(duì)信號(hào)進(jìn)行屏蔽。當(dāng)動(dòng)?xùn)艠O板相對(duì)于定柵極板移動(dòng)時(shí)，放大器中輸出的信號(hào)為周期變化的類似正弦信號(hào)。由于比較器 LM324 的作用使變化的信號(hào)通過(guò)并進(jìn)入下一級(jí)電路處理轉(zhuǎn)換。但是此信號(hào)的頻率沒(méi)有發(fā)生根本性的改變，于是可以通過(guò)頻率間接轉(zhuǎn)化位移量。 假設(shè)在一個(gè)周期變化的信號(hào)中，測(cè)得頻率變化 K次。 于是 K W（定極板寬度） W的寬度在一般的生產(chǎn)制造過(guò)程中可以達(dá)到 mm 級(jí)。為了降低在生產(chǎn)過(guò)程中的宏觀難度，所以我們?cè)谛盘?hào)處理中可達(dá) 到相同效果。于是我們根據(jù)上面 推到的公式 X(x)=（ M+(NA)+(PB)+(QC)） *W/K (213) 不難發(fā)現(xiàn)，單位脈沖位移當(dāng)量 △ S=W/K。只要 △ S 的分辨率達(dá)到 級(jí)就可實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。所以，我們可設(shè)置定柵極柵寬 W=50mm，頻率 K=1KHZ。也即△ S=實(shí)現(xiàn)了 級(jí)以上的高精度測(cè)量。為了便于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易操作，我們?cè)谛盘?hào)處理中引出四路信號(hào)，于是動(dòng)?xùn)艠O板間距 D=W/ 213 所示。 圖 213柵極板寬度尺寸 本章小結(jié) 整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的原理的掌握是完成本設(shè)計(jì)任務(wù)的重點(diǎn)。因此，本章節(jié)主要系統(tǒng)的闡述了各個(gè)部分的原理要素，充分的理解設(shè)計(jì)要領(lǐng)。只有完成了各部分的工作原理分析和論證，才能夠更好的為系統(tǒng)各單元電路的設(shè)計(jì)做好理論鋪墊。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 3 容柵位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 任何一種測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)論是如何的簡(jiǎn)單，都有其基本的結(jié)構(gòu)框架。容柵位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以看成是一種智能化儀器設(shè)計(jì)的整體體現(xiàn)。任何一種高度智能化的設(shè)備都離不開(kāi)硬件電路的支撐。下面我們就主要講述各單元模塊的基本 方案設(shè)計(jì)。 測(cè)量系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)方案 由于整個(gè)測(cè)量過(guò)程中都貫穿著弱電信號(hào)。通過(guò)傳感器采集電路輸出的信號(hào)非常微弱。因此常規(guī)的思維是將其放大處理。再次，處理的信號(hào)能否得到有效利用需要進(jìn)一步考究。通過(guò)前面章節(jié)的討論，知道脈沖信號(hào)才是我們最終需要的理想信號(hào)。于是，放大的信號(hào)需要整形和微分處理。最終將處理的尖脈沖信號(hào)送入微處理器進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算和驅(qū)動(dòng)顯示。其硬件電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖 31 所示。 圖 31 硬件電路總體設(shè)計(jì)框圖 智能化儀器都是借助微處理器為中心的。因?yàn)槲⑻幚砥髟谔幚砀鞣N動(dòng)態(tài) 響應(yīng)的時(shí)候具有快速、靈活、高效的特點(diǎn)。所以容柵位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)也離不開(kāi)中央處理器作為橋梁。下面就圍繞以處理器為中心對(duì)各主要單元電路進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。 微處理器的選擇 —— LPC2138 在測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)里面需要滿足測(cè)量過(guò)程反應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性，同時(shí)從小型化、低功耗、低成本和保證元件的功能使用最大化考慮。從學(xué)生角度考慮 ARM7系列芯片是最佳之選。我們?cè)谶@里就以 LPC2138 芯片 [13]為平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。 LPC2138 是基于一個(gè)實(shí)時(shí)仿真和和嵌入式跟蹤的 32/16 位 ARM7TDMISTM CPU的微控制 器。本帶有 512KB 的嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器。片內(nèi) 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)格有嚴(yán)格的控制應(yīng)用?？墒褂?16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過(guò) 30%，而性能的損失卻很小。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 由于 LPC2138 較小的封裝和極低的功耗，多個(gè) 32 位定時(shí)器， 4 路 10 位 ADC或 8 路 10 位 ADC， PWM 通道和 46 個(gè) JPIO 以及多達(dá) 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷?？衫硐氲膽?yīng)用于小型系統(tǒng)中，寬范圍的串行通信接口和片內(nèi) 32KBSRAM 使LPC2138 非常適用于測(cè)量顯示系統(tǒng)。為它們提供 了巨大的緩沖空間和強(qiáng)大的處理功能。 LPC2138 引腳描述 圖 32 LPC2138芯片引腳圖 表 33 LPC2138芯片引腳功能介紹 引腳 名稱 引腳 號(hào) 類 型 描 述 ~ I/O P0 口： P0 口是一個(gè) 32 位雙向 I/O 口。每個(gè)位都有獨(dú)立的方向控制。有 31 個(gè) P0 口可用作通用雙向數(shù)字 I/O 口， 只用作輸出口。 P0 口管腳的操作取決于管腳連接模塊所選擇的功能。 不可用。 19 O O TxD0－ UART0 的發(fā)送器輸出 PWM1－脈寬調(diào)制器輸出 1 21 I O I RxD0－ UART0 的接收器輸入 PWM3－脈寬調(diào)制器輸出 3 EINT0－外部中斷 0 輸入 22 I/O I SCL0－ I2C0 時(shí)鐘輸入 /輸出。開(kāi)漏輸出 －定時(shí)器 0 捕獲輸入 0 26 I/O O I SDA0－ I2C0 數(shù)據(jù)輸入 /輸出。開(kāi)漏輸出 －定時(shí)器 0 匹配輸出 0 EINT1－外部中斷 1 輸入 27 I/O I I SCK0－ SPI0 串行時(shí)鐘，主機(jī)輸出或從機(jī)輸入的時(shí)鐘 －定時(shí)器 0 捕獲輸入 0 － A/D 轉(zhuǎn)換器 0 輸入 6。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 29 I/O O I MISO0－ SPI0 主機(jī)輸入 /從機(jī)輸出，從機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 －定時(shí)器 0 匹配輸出 1 － A/D 轉(zhuǎn)換器 0 輸入 7。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 30 I/O I I MOSI0－ SPI0 主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入，主機(jī)到從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 －定時(shí)器 0 捕獲輸入 2 － A/D 轉(zhuǎn)換器 1 輸入 0。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 31 I O I SSEL0－ SPI0 從機(jī)選擇，選擇 SPI 接口用作從機(jī)。 PWM2－脈寬調(diào)制器輸出 2 EINT2－外部中斷 2 輸入 33 O O I TxD1－ UART1 的發(fā)送器輸出 PWM4－脈寬調(diào)制器輸出 4 － A/D 轉(zhuǎn)換器 1 輸入 1。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 34 I O I RxD1－ UART1 的接收器輸入 PWM6－脈寬調(diào)制器輸出 6 EINT3－外部中斷 3 輸入 35 O I I RTS1－ UART1 請(qǐng)求發(fā)送輸出 －定時(shí)器 1 捕獲輸入 0 － A/D 轉(zhuǎn)換器 1 輸入 2。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 37 I I I/O CTS1－ UART1 的清零發(fā)送輸入 －定時(shí)器 1 捕獲輸入 1 SCL1－ I2C1 時(shí)鐘輸入 /輸出。開(kāi)漏輸出 38 I O I DSR1－ UART1 的數(shù)據(jù)設(shè)備就緒輸入 －定時(shí)器 1 匹配輸出 0 － A/D 轉(zhuǎn)換器 1 輸入 3。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 39 O O I DTR1－ UART1 的數(shù)據(jù)終端就緒 輸出 －定時(shí)器 1 匹配輸出 1 － A/D 轉(zhuǎn)換器 1 輸入 4。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 41 I I I/O DCD1－ UART1 數(shù)據(jù)載波檢測(cè)輸入 EINT1－外部中斷 1 輸入 SDA1－ I2C1 數(shù)據(jù)輸入 /輸出。開(kāi)漏輸出 45 I I I RI1－ UART1 鈴聲指示輸入 EINT2－外部中斷 2 輸入 － A/D 轉(zhuǎn)換器 1 輸入 5。該模擬輸入總是連接到相應(yīng)的管腳。 46 I O I EINT0－外部中斷 0 輸入 －定 時(shí)器 0 匹配輸出 2 －定時(shí)器 0 捕獲輸入 2 47 I I/O O －定時(shí)器 1 捕獲輸入 2 SCK1－ SSP串行時(shí)鐘，主機(jī)輸出或從機(jī)輸入的時(shí)鐘 －定時(shí)器 1 匹配輸出 2 53 I I/O O －定時(shí)器 1 捕獲輸入 3 MISO1－ SSP 主機(jī)輸入 /從機(jī)輸出，從機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 －定時(shí)器 1 匹配輸出 3 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文