【正文】 is stored in the ACCESS database convenient for managing, analyzing, displaying and printing the data. Key words: ADμc812。為實現(xiàn)這些參數(shù)的高效、高精度的測量，針對目前的測量方式存在的這些問題，本課題結(jié)合傳感器、檢測、通訊和微型計算機等技術(shù)，采用模塊化、通用化和標準化的設(shè)計思想，研究開發(fā)了 三色電子柱量儀。 1 摘要 在檢測 機械零件外形尺寸的細微偏差時，傳統(tǒng)方法有著測量功能單一、測量誤差較大、無法對測量數(shù)據(jù)直接進行計算機處理和智能化等缺陷。然而這些參數(shù)對產(chǎn)品的使用性能有著重要的影響。 本設(shè)計 首先選定了自感式差動傳感器并為其設(shè)計了信號采集處理的電路，再確定以高性能單片機 ADμC812 為核心，以 使電路設(shè)計 得到簡化、提高 穩(wěn)定性 ， 然后圍繞該單片 機設(shè)計了 可隨總線速度無限擦寫的存取器 FM24C25 容錯性能好的 RS485 串行 通訊接口、 鍵盤和 12232F 點陣式液晶顯示器等一系列模塊，接著 采用 FPGA 器件實現(xiàn) LED 三色光柱顯示驅(qū)動，最后對量儀系統(tǒng)軟件 進行了設(shè)計。 Menu structure。 FPGA。但是傳統(tǒng)方法的測量功能單一、測量誤差較大、并且無法對測量數(shù)據(jù)直接進行計算機處理更談不上智能化。 主要用 于機械 制造、 加工及各種檢測 中 。但是 目前國內(nèi)的電子柱量儀存在數(shù)字化程度低、無超差報警、儀器功能擴展性差等不足，不能實現(xiàn)快速測量，越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、制造及檢測要求。專家們逐漸認識到，制造技術(shù)與檢 測技術(shù)結(jié)下了不解之緣。世界各國的量儀廠之間的競爭是很激烈的。 國內(nèi)外各制造商對產(chǎn)品的質(zhì)量都極為重視，而主要保證產(chǎn)品質(zhì)量的手段之一，是先進的檢測技術(shù)。幾年前，在檢測領(lǐng)域一直保持著“三代同 堂”的局面。 6 近年來，浮標氣動量儀“一統(tǒng)天下”的局面在美國發(fā)生了根本的變化，取而代之的是電子柱量儀。那么取而代之的電子柱量儀是什么呢？實際上電子柱就是一種顯示裝置，最早于 1974年由美國的 Bendix 公 司發(fā)明，測量時由氣電轉(zhuǎn)換器將氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)驅(qū)動電路把 51 只發(fā)光二極管中的一只點亮，由此讀出發(fā)光二極管所對應(yīng)的刻度值。利用此類顯示裝置制造的量儀，定名為電子柱量儀。電感量儀的寬度一般為 250 毫米，如果需要多臺合在一起時，將超出檢驗人員的視野。這個缺點就使電感測微儀的應(yīng)用受到了限制。七十年代末，國外在顯示領(lǐng)域又推出了等離子雙光柱自動掃描顯示裝置，即 PDP 顯示板，它具有亮度強、體積小、功耗低及顯示面積和視角大等優(yōu)點，但價格比發(fā)光二極管要昂貴。測量時，電感傳感器給出電信號，由等離子器件發(fā)出醒目的橘紅色亮光，形成一束彩色的光柱，達到直列式顯示的目的，給電感式量儀帶來了生機。由于電子工業(yè)不斷地發(fā)展，電子柱測微儀價格下降，目前在美國購買一臺普通型電感式電子柱測微儀的售價為 500 至 600 美元，與浮標式氣動量儀的價格相差無幾，這也是電子柱測微儀在國外能迅速得到推廣的一個重要原因。指針式顯示表頭對被指示參數(shù)的變化趨勢一目了然，但是它抗 7 震能力差，機械慣性大，對參數(shù)的較快變化無力反應(yīng)；數(shù)字顯示式表頭雖具有較好的可靠性，但它卻不能顯示參數(shù)的變化趨勢，特別是在工業(yè)現(xiàn)場多參數(shù)多表頭顯示時，更難辨明哪些參數(shù)在增加，哪些參數(shù)在減小。在我國，不僅開創(chuàng)了巨大的新興市場，而且應(yīng)用面越來越廣泛。 LED 光柱可以獨立地用于指示信號幅度，也可以配合數(shù)字顯示表頭以增強動態(tài)效果，與指針擺動的動態(tài)效果相比，此外， LED 光柱顯示還具有不存在機械慣性、使用壽命比較長、在暗處也無需照明、顯示精度比模擬指針顯示精度高等優(yōu)點。 隨著時代的進步，國內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)大量應(yīng)用電子柱測微儀的趨勢已經(jīng)形成，這必將硬氣量儀專業(yè)廠為了趕上國外先進水平，替代進口量儀的國產(chǎn)化而加速工作。 該儀器 以常用而且測量精度很高的電感傳感器為基礎(chǔ) ， 將位移信號轉(zhuǎn)換為電信號， 對 該電 信號進行調(diào)理， 再 用單片機對信號進行處理并通過 FPGA 驅(qū)動 LED 三色光柱 顯示 測量結(jié)果 。在測量值位于預警公差帶范圍內(nèi) LED 光柱顯示綠色，超出預警公差帶但未到達報警公差帶時 LED 光柱顯示黃色，位于報警公差帶時 LED 光柱顯示紅色。 3. 通過鍵盤輸入與 LCD 液晶顯示器可實現(xiàn)儀器的人機對話功能。并能通過計算機對測量結(jié)果進行操作和實時顯示。 2. 電子柱量儀 系統(tǒng) 軟件的設(shè)計 。 9 第 2章 傳感器測量原理 傳感器的定義 及構(gòu)成 傳感器在我國國家標準（ GB7665— 1987）中的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律 轉(zhuǎn)換 成可用輸入信號 的器件或裝置”。 關(guān)于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器、換能器等，它們的內(nèi)涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都是用傳感器這一名稱了。 傳感器一般由敏感元 件 、傳感元件 、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成 [5]，組成框圖 如圖 21 所示： 圖 21 傳感器 組成框圖 敏感元件 ：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 傳感元件 ：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。 10 基本 轉(zhuǎn)換電路：將電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱 轉(zhuǎn)換電路）， 便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 事實上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。而 有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換 。盡管如此，因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。它的缺點是頻率響應(yīng)低，不宜用于快速測量。 電感 式 傳感器的分類 首先電感傳感器可分為自感式和互感式兩種。氣隙型傳感器靈敏度高， 11 對后續(xù)測量電路的放大倍數(shù)要求低，它的缺點是非線性嚴重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運動方向上受鐵芯的限制， 故自由行程小。螺管型則結(jié)構(gòu)簡單 ，制造轉(zhuǎn)配容易 ，由于空氣隙大 ，磁路的磁阻高，靈敏度低，但線性范圍大。 互感式傳感器本身是其互感系數(shù)可變的變壓器， 當?shù)谝淮尉€圈介入激勵電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，互感系數(shù)變化時，輸出電壓將作相應(yīng)變化。 互感式傳感器的類型與自感式傳感器的極為相似。氣隙型互感式傳感器與氣隙型自感式傳感器一樣 ，其優(yōu)點是靈敏度高，缺點是示值范圍小、非線性嚴重。螺管型互感式傳感器，雖然其靈敏度較低，但其示值范圍大，自由行程可任意安排，制造裝配也較為方便，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計中 傳感器 的工作 原理 綜合考慮儀器需要，本課題測量傳感器采用自感式螺管型差動傳感器。 12 圖 22 螺管型差動傳感器 由圖可知，線圈中放入圓柱形銜鐵，也是一個可變自感。采用差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度之外，對電源電壓、頻率波動以及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而可以提高測量精度。據(jù)條件可得，單線圈 式傳感器 的輸出為： ? ?223433411 ( / ) ( / ) [ 1 /( 1 ) ]0 .1 12 5 1 ( 2 5 / 2 5 ) ( 2 .2 / 2 .0 ) [ 1 /( 0 .9 9 9 9 7 1 ) ]14 1 01 1 .2 1 3 .3 3 1 041 0 4 .0 0 2 1 01 4 .0 3 1 0cc c c rlLL l l l r r ????????????????? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 而假如采用差動式傳感器，則輸出值為： ? ?22343342 11 ( / ) ( / ) [ 1 /( 1 ) ]0 . 2 12 5 1 ( 2 5 / 2 5 ) ( 2 . 2 / 2 . 0 ) [ 1 /( 0 . 9 9 9 9 7 1 ) ]18 1 01 1 . 2 1 3 . 3 3 1 081 0 8 . 0 0 4 1 01 4 . 0 3 1 0cc c c rlLL l l l r r ????????????????? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 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 cll 和 crr 盡量小，但另一方面 cll 趨向于 1 時，傳感器的非線性誤差會增加 ； (3) 選用鐵芯的導磁率 r? 大的材料也可以提高靈敏度； (4) LL/? 與 cc ll /? 成正比若被測量與 cl? 成正比，則 L? 與被測量也成正比。 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。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]。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。 2． 設(shè)計時努力采用最新的一些技術(shù)。 4． 注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件。 6． 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。 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。 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。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。 16 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。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。 17 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?？?證明，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)所導致的輸出是互相抵消的。 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]。 U0 為傳感器輸出信號， V2 為與振蕩信號同相的方波信號。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。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，則實現(xiàn)了傳感器銜鐵位移大小和方向的判斷。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]。濾波器電路采用低通有源濾波器，如圖 36 所示。 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 及高精度電壓基準的單片機。 在項目開發(fā)的初期，必須做出單片機的最初選 擇。 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。其框圖如圖 37 所示： 21 78C R E F外 部 參 考 源內(nèi) 部 基 準A D C 0A D C 711 4A I NM U X采 樣保 持1 2 位 A D轉(zhuǎn) 換 和校 準 單 元控 制 器 圖 37 使用片外基準電源 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。在本課題中采用 3V 外部基準參考源，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。輸入通道電路原理如圖 38 所示。 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10IA??? ，源阻抗為 61Ω， 為基準源時，誤差電壓有： 1 0 6 1 6 1 0U I R A V? ? ? ?? ? ? ? ? ? 2 .51 6 1 04096LS B V V??? 1U LSB? ? 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。本課題中采用加入電容器的方法，即不增加軟件負擔，又不需要高成本的快速運放，就可實現(xiàn)信號的穩(wěn)定。當來自先前通道的 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)。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。 ADμC812的 MCU 內(nèi)