【文章內(nèi)容簡介】 量的變化為：cl?(23)20)1(llrNcc?????式中 — 單個線圈的匝數(shù)； — 空氣的磁導(dǎo)率；N0 — 線圈半徑； — 線圈長度；r l 14 — 鐵芯半徑； — 鐵芯長度；cr cl— 鐵芯磁導(dǎo)率； — 鐵芯長度變化量；??例如現(xiàn)有一單線圈式傳感器與一差動式傳感器，其各種情況均相同，線圈匝數(shù) =1000，線圈半徑 =，線圈長度 =25mm，磁芯半徑Nrl=，鐵芯長度 =25mm， =，這里的磁導(dǎo)率是指物質(zhì)的磁導(dǎo)crclcl率與真空的磁導(dǎo)率的比值，故空氣中的磁導(dǎo)率 可取值為 1，查表可得，鐵0?芯磁導(dǎo)率 =。據(jù)條件可得，單線圈式傳感器的輸出為：r???23 43341(/)[/()]?????????????而假如采用差動式傳感器，則輸出值為： ??23 433421(/)[/()]??????????????由以上計算可以得出：(1) 差動式比單線圈式靈敏度提高了一倍；(2) 要提高靈敏度，應(yīng)使線圈與鐵芯尺寸比值 和 盡量小，但另一clcr方面 趨向于 1 時，傳感器的非線性誤差會增加；cl(3) 選用鐵芯的導(dǎo)磁率 大的材料也可以提高靈敏度；r?(4) 與 成正比若被測量與 成正比，則 與被測量也成正L/?cl/ cl?L比。但實際上，由于磁場強度分布的不均勻性，輸入量和輸出量之間的關(guān)系是 15 非線性的。電子柱量儀的測量原理就是利用位移量的變化與電感量的變化成正比來實現(xiàn)的。在整個測量環(huán)節(jié)中，傳感器的測量精度影響和決定著整個儀器可實現(xiàn)的測量精度，而傳感器輸出信號的后續(xù)信號處理電路對整個儀器的精度影響不大。因此，提高整個儀器的測量精度的關(guān)鍵是提高傳感器的測量精度 [7]。 16 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件設(shè)計原則要實現(xiàn)一臺功能豐富、運行穩(wěn)定、工作獨立的量儀，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)擴展，即單片機的功能單元；二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備。為了使硬件電路設(shè)計趨向合理，借鑒別人的成功經(jīng)驗，系統(tǒng)的電路設(shè)計中著重考慮到如下幾個方面 [7]：1．盡可能選擇典型電路。2．設(shè)計時努力采用最新的一些技術(shù)。3．盡量選用功能強、集成度高的芯片，提高系統(tǒng)可靠性。4．注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件。5．系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以備將來修改、擴展之需。6．硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。7．整個系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配。8．在電路設(shè)計時，充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。9．可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的一部分。 硬件框架的設(shè)計電子柱量儀的測量原理就是通過電感傳感器將位移量轉(zhuǎn)換為電感量的變化，測頭與電感線圈內(nèi)的磁芯相連。當(dāng)磁芯處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當(dāng)測頭帶動磁芯移動時，線圈的電感量產(chǎn)生變化，從而交流阻抗相應(yīng)變化。當(dāng)振蕩器供電的電橋失去平衡而輸出一個交流電壓信號，其幅值則正比與磁芯的位移。將此點壓信號送入微處理器，經(jīng)過微處理器處理后送顯示器，并與用戶的預(yù)先設(shè)定的值進行比較，超限報警，并對數(shù)據(jù)進行濾波、存儲、顯示，使之能與計算機進行通訊。結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。 17 圖 31 電子柱量儀硬件框架系統(tǒng) 硬件各模塊的設(shè)計 傳感器信號調(diào)理模塊自感式傳感器電感量變換為電壓信號的變換原理，如圖 32 所示。該信號調(diào)理模塊，通過測量電橋?qū)㈦姼辛孔兓儞Q為電信號，最終輸出正比于電感量變化的直流電壓信號 [8]。通過調(diào)整電路參數(shù)實現(xiàn)與電感傳感器性能的最佳匹配。電路中電源電壓的大小和穩(wěn)定性直接影響著傳感器的靈敏度和精度。 18 圖 32 傳感器信號調(diào)理模塊 差動交流放大器本課題采用的放大器由 3 個運算放大器組成數(shù)據(jù)放大器，其原理圖如圖33 所示。圖33 放大電路原理圖AA A 3 按理想放大器分析，由圖可知，U 3=U1，U 4=U2，可求得 R2上的電流為：(25)21RI??進一步可求得： 19 (26)1215URU????(27)26?定義 ，則有：21U???(28)1265RUU?????U5―U 6為后級的差分輸入電壓，可求得輸出電壓為： (29)43210)(?在電路設(shè)計中一般令R 3=R4，運算放大器的增益公式簡化： (210))(210RU???由式 210 可見，調(diào)節(jié) R2 即可方便地調(diào)節(jié)電路增益?？勺C明，在前級 A1和 A2 參數(shù)匹配，即它們外部電路參數(shù)相同且其電氣特性也相同的情況下，兩個輸入端的失調(diào)所導(dǎo)致的輸出是互相抵消的。由 A3 組成的后級是一個標(biāo)準(zhǔn)的差動放大器，其產(chǎn)生的輸出誤差失調(diào)在增益為 1 的情況下也是很小的。因此，該數(shù)據(jù)放大器是一種高輸入電阻、高共模抑制比、高增益的直接耦合放大器，具有差動輸入、單端輸出的特點，非常適合用于放大傳感器輸出的信號 [9]。 相敏整流器本課題采用的是方波相敏整流電路，如圖 34 所示： 20 圖 34 相敏整流電路 圖中 A1 為過零檢測器，A 2 和三極管構(gòu)成了相敏整流器。U 0 為傳感器輸出信號，V 2 為與振蕩信號同相的方波信號。其原理為：三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，振蕩信號 Vosc 經(jīng)過比較器產(chǎn)生同相的方波信號 V2，當(dāng) V2 為高電平時，三極管飽和導(dǎo)通，A 2 同相輸入端接地，U 0 加到 A2 的反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為―1，輸出信號 UI=―U 0，在 V2 為低電平時，三極管截止，U 0 同時加到放大器的同相和反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為 +1，輸出信號 UI= U0。從而實現(xiàn)了對輸入信號的整流過程，最后由濾波器將整流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。其整流波形如圖 35 所示： 21 圖 35 相敏整流波形圖相敏整流可用來檢測相位及幅值等。該電路的信號輸出幅值表示測量位移量的大小，信號的輸出的正負(fù)，則實現(xiàn)了傳感器銜鐵位移大小和方向的判斷。由分析可知，在傳感器銜鐵移動方向相反時，差動電橋輸出 U0 的方向是相反的，即相位差為 180176。，從波形圖中可以看出：相敏整流電路輸出 UI 的極性是對應(yīng)于 U0 的相位的，從而實現(xiàn)了銜鐵移動方向的判別 [10]。 低通濾波器通過濾波電路，將相敏整流后的信號轉(zhuǎn)化為直流信號，以反映位移量的變化，而被濾除的高頻信號為干擾信號、器件元件的噪聲、以及相敏整流信號的各種。濾波器電路采用低通有源濾波器，如圖 36 所示。 22 圖36 低通濾波器電路 數(shù)據(jù)采集模塊一個測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制電路關(guān)鍵是微處理器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇，以硬件電路設(shè)計簡單、電路成本低、有益于軟件設(shè)計為設(shè)計的總體原則。綜合性價比考慮，本設(shè)計最終選擇的方案是：采用內(nèi)置 12 位 ADC 及DAC 及高精度電壓基準(zhǔn)的單片機。因為這樣能使系統(tǒng)連線大為減少，同時內(nèi)置的 12 位 ADC、DAC 使系統(tǒng)精度大為提高，這便大大簡化了硬件電路的設(shè)計和程序的開發(fā)過程。在項目開發(fā)的初期，必須做出單片機的最初選擇。使用的硬件平臺對后期的軟件和硬件設(shè)計決策有相當(dāng)大的影響，本課題選用 ADμC812 單片機。ADμC812 中集成 8 通道 12 位單電源 ADC，是基于電容 DAC 的常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器原理組成的。其模擬輸入電壓范圍為 0VVREF，內(nèi)部提供高精度、低漂移并經(jīng)過工廠標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的 基準(zhǔn)電壓，同時也可由外部基準(zhǔn)經(jīng) VREF 驅(qū)動，可在 引腳電壓范圍內(nèi)。其框圖如圖 37 所示： 23 78CREF205。226。178。191。178。206。191。188。212。180。 196。218。178。191。187。249。188。ADC0ADC7114AINMUX178。201。209。249。177。163。179。214。12206。187。AD170。187。186。205。208。163。188。181。165。212。170。191。216。214。198。247。圖 37 使用片外基準(zhǔn)電源 ADC 原理采用單片機內(nèi)部的內(nèi)置 A/D 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在簡化硬件電路， AD 控制及軟件編程方面有自己獨特的優(yōu)勢。但這樣相應(yīng)的犧牲了系統(tǒng)的靈活性，外部的輸入信號必須為單極性正電源輸入，范圍在 0VREF 之間，AD 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)才是有意義的，而基準(zhǔn)源電壓范圍為 ，可見輸入信號的范圍較小。在本課題中采用 3V 外部基準(zhǔn)參考源，此時 12 位 A/D 采樣值的 1LSB 的變化代表的輸入電壓的變換量為 3V/4096=732μV，可以發(fā)現(xiàn)，整個電路的設(shè)計特別模擬輸入電路是要充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，否則很難達到系統(tǒng)的精度要求。本儀器設(shè)計的模擬量輸入通道共有四路，它們的電路結(jié)構(gòu)和功能完全一致，以一個通道為例說明其電路構(gòu)成。輸入通道電路原理如圖 38 所示。 24 圖 38 模擬輸入通道電路由圖可知，該電路包括輸入級運放、RC 濾波、保護限壓三部分組成。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器存在直流漏電流，如果電路信號源阻抗太大，就會產(chǎn)生明顯誤差，由數(shù)據(jù)手冊可知 ADμC812 模擬輸入最大有 10μA 的漏電流，即，源阻抗為 61Ω， 為基準(zhǔn)源時，誤差電壓有：10IA???10610UIRAV????????可知該誤差剛好對應(yīng) A/D 的 1LSB 誤差，輸入運算放大器的接入有利于降低輸入信號的輸入阻抗，從而降低測量誤差。RC 電路有利于濾除一些高頻率噪聲，看似是濾波器電路，但實際上其截止頻率遠在 AD 采樣的奈奎斯特頻率之上，其主要功能是保證抑制 ADC 輸入在切換通道時的沖擊，由于在選擇新通道時，來自轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的 2pF 取樣電容器的駐留電荷會產(chǎn)生瞬間沖擊，在保持之前，信號源必須消除這種瞬時沖擊，可以通過在軟件中加入延時來穩(wěn)定信號，或者通過硬件方法，即采用快速運放來穩(wěn)定信號。本課題中采用加入電容器的方法，即不增加軟件負(fù)擔(dān)，又不需要高成本的快速運放，就可實現(xiàn)信號的穩(wěn)定。由于 電容是 2pF 的 4096 倍以上。當(dāng)來自先前通道的 2pF 電荷被投放到它的時候， 電容器上的電壓變化不到 12 位分辨率的最低有效位(1LSB，即 FS/4096)。圖中肖特基二極管是為了限制輸入引腳電壓，由于對 ADμC812 安全輸入 25 電壓范圍為 0VDD 引腳電壓，特別是對負(fù)電源，極易損壞單片機。通過二個肖特基二極管保證運算放大器輸出不會高于 VDD 或低于 GND，從而保護ADμC812 芯片。 數(shù)據(jù)處理模塊ADμC812 的單片機內(nèi)核是與 8051 兼容的、可編程 8 位 MCU。ADμC812的 MCU 內(nèi)核和模數(shù)轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑以及掉電工作模式，它提供了適合于低功率應(yīng)用的靈活的電源管理方案。器件包括在工業(yè)溫度范圍內(nèi)用的3V 和 5V 電壓工作兩種規(guī)格，它有 52 引腳、塑料四方形扁平封裝形式可供使用。ADμC812 主要包括以下幾部分功能 [9,10]：1. 模擬 I/O：8 通道 12 位高精度 ADC，高速 200kSps；片內(nèi) 40106/℃電壓基準(zhǔn)；2 個 12 位電壓 DAC；一個片內(nèi)溫度傳感器。2. 存儲器系統(tǒng)： 8KB 片內(nèi)閃速 /電擦除程序存儲器；640B 片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器；片內(nèi)充電泵(不需要外部提供擦除/ 寫入電壓 VPP)；16MB 外部數(shù)據(jù)地址空間；64KB 外部程序空間。3. 與 8051 兼容的內(nèi)核：額定工作頻率 12MHz(最大 16MHz)；3 個 16 位定時器/計時器；32 條可編程的 I/O 線；端口 3 高電流驅(qū)動能力；9 個中斷源，2 個優(yōu)先級。4. 電源：兼容 3V 和 5V 兩種電壓工作；正常、空閑和掉電工作模式。5. 片內(nèi)外設(shè)備：UART 串行接口 I/O；與 I2C 兼容的串行口和 SPI 串行總線；看門狗定時器；電源監(jiān)視器。ADμC812 可工作在 –40℃85℃范圍，共 52 個管腳，采用 PQFP 封裝。ADμC812 的功能方框如圖 39 所示。 26 圖 39 ADμC812 的功能方框圖ADμC812 的引腳排列如圖 310 所示。 27 圖 310 ADμC812 的引腳排列由于 ADμC812 上述的優(yōu)越性能，再加上 ADμC812 可通過串口進行程序的下載，而無須專用的編程器，有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計、編程和調(diào)試，在保證精度的條件下，采用最簡單的硬件實現(xiàn)系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)性能以及縮小儀器的體積，該系統(tǒng)是一種方便、快捷、廉價的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計模式。ADμC812 外圍配置電路及管腳資源使用分配如圖 311 所示。 28 圖 311 ADμC812 引腳圖XTAL1 、XTAL2 引腳接晶振以為單片機提供時鐘。RESET 端的按鍵可實現(xiàn)單片機的復(fù)位功能。本章以下部分將詳細介紹硬件系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)。 人機對話模塊人機對話模塊是儀器鍵盤和顯示硬件的實現(xiàn)部分。用戶通過鍵盤完成儀器進行的功能設(shè)置，并通過顯示器反饋儀器當(dāng)前狀態(tài)和顯示被測工件的測量值。鍵盤輸入采用編碼鍵盤實現(xiàn)。 LCD 顯示12232F 是一種內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字庫和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/ 列驅(qū)動器及 12232 全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示,也可以顯示 2 個(1616 點陣) CPU 29 接口采用并行或串行方式控制。目前數(shù)據(jù)傳送有串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)傳送兩種方式。串行數(shù)據(jù)傳送特點是占用 I/O 口資源少，連線少，成本低，但速度慢，并