陽 兵，彭立艮，王珽琦，夏敏莉

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079）

位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測(cè)、物理測(cè)量和自動(dòng)控制等[1]。由于其測(cè)量精度不高，往往滿足不了社會(huì)需求，也限制了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)和FPGA的位移測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測(cè)量，同時(shí)也能夠達(dá)到較高的線性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 整體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖[2]

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，由信號(hào)產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號(hào)處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動(dòng)變壓器，差動(dòng)變壓器輸出的信號(hào)經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAX197采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測(cè)得的位移量。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 理論分析與計(jì)算

2.1 DDS信號(hào)產(chǎn)生理論分析

在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設(shè)M為所設(shè)計(jì)的相位累加器的位數(shù)，N為頻率控制字，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為

實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)信號(hào)的頻率是100 kHz,采用的時(shí)鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數(shù)是29位。然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的信號(hào)經(jīng)一個(gè)截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩(wěn)定、連續(xù)平滑的波形。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法分析

差動(dòng)變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動(dòng)而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級(jí)線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動(dòng)變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標(biāo)卡尺測(cè)量若干組位移值，測(cè)量的組數(shù)根據(jù)測(cè)量范圍以及測(cè)量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線法處理得到精確的位移值。采用查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。

圖2 差動(dòng)變壓器Fig.2 Differential transformer

3 單元模塊電路設(shè)計(jì)[3-5]

3.1 線性可變差動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮以下兩方面因素：1）能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì)超出線圈之外；2）差動(dòng)變壓器靈敏度。當(dāng)按匝數(shù)增加時(shí)，可使靈敏度S增加，但按匝數(shù)的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線發(fā)熱的散熱情況及磁飽和等因素的約束。

綜合以上分析，線圈分為上、中、下 3段式，長(zhǎng)度各為2 cm，中間部分線圈為初級(jí)線圈，上下兩部分為次級(jí)線圈。初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比均為1∶1，與之配套的磁棒長(zhǎng)度也為2 cm。此線圈在線性移動(dòng)范圍內(nèi)效果較好，但是當(dāng)移動(dòng)到邊緣部分時(shí)由于磁力線分散，測(cè)得非線性的數(shù)據(jù)，但通過校準(zhǔn)后仍能達(dá)到很高的精度。

3.2 差分放大電路

選用THS4503來做差分放大電路。由于激勵(lì)信號(hào)的頻率固定為100 kHz，故在差分放大器的反饋電阻上加上電容，達(dá)到濾波與避免自激的效果。從低通濾波器輸出的信號(hào)需經(jīng)過差分放大器放大后輸出一對(duì)差分信號(hào)為變壓器的初級(jí)線圈提供電壓。電源采用±5 V雙電源供電，THS4503的2個(gè)輸出端經(jīng)2個(gè)阻值為12 Ω的隔離電阻與變壓器的初級(jí)線圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

3.3 檢波電路

圖3 差分放大電路Fig.3 Differential amplifier circuit

圖4為檢波電路。差動(dòng)變壓器將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，測(cè)量信號(hào)幅值或有效值再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可得到相應(yīng)的位移值。對(duì)于有效值的檢測(cè)，選用真有效值測(cè)量芯片AD637實(shí)現(xiàn)。平均電容C1設(shè)定平均時(shí)間常數(shù)，并決定低頻準(zhǔn)確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時(shí)間。信號(hào)經(jīng)放大后輸入到AD637進(jìn)行有效值檢波，兩電位器分別進(jìn)行調(diào)零和調(diào)幅，以使AD637的輸出更準(zhǔn)確。

3.4 A/D采樣電路

鐵芯在移動(dòng)的過程中，輸出的電壓值變化范圍較大，因此，接入程控放大器，先通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣，按照事先劃分的幅度帶對(duì)待處理信號(hào)進(jìn)行幅度定位，然后控制放大器的檔位，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的采樣精度，從而減小測(cè)量誤差。MAX197采用的是內(nèi)部時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)源，幾乎不需要外圍電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。具體電路圖如圖5所示。

圖5 MAX197的連接電路圖Fig.5 Connection circuit of MAX197

3.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用專用芯片L298HN作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)需要較大的電流，為了保證電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)單片機(jī)控制板的供電系統(tǒng)不至于產(chǎn)生影響而產(chǎn)生掉電現(xiàn)象，需要采用光電耦合器TLP521-2GB進(jìn)行電源隔離，同時(shí)應(yīng)注意需要對(duì)L298HN的供電電壓進(jìn)行去耦，以保證驅(qū)動(dòng)電路的工作穩(wěn)定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.6 Motor drive circuit

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)[6-7]

本系統(tǒng)由單片機(jī)與FPGA共同控制實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA主要用于ADC時(shí)序的控制以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片機(jī)則用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序中調(diào)用各子程序，有專門的數(shù)據(jù)處理子程序、信號(hào)發(fā)生器子程序、掃描鍵盤子程序等。除了數(shù)據(jù)運(yùn)算和顯示外，本系統(tǒng)還附加了自校正功能，即通過比較兩路信號(hào)的幅值控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，最終使鐵芯停在參考零的位置。圖7為程序流程。

圖7 程序流程圖Fig.7 Flow chart of program

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

5.1 使用儀器及型號(hào)

PC 機(jī)：Intel奔騰 D，主頻：2.5 G,內(nèi)存：1 G；偉福仿真機(jī)：E51/S；直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：SG1733SB3A；雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)示波器：TEKTRONIX TDS1002。

5.2 測(cè)試內(nèi)容與結(jié)果

在電路調(diào)試的過程中，針對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果效果不錯(cuò)，調(diào)試數(shù)據(jù)表格省略。進(jìn)行整機(jī)調(diào)試時(shí)，測(cè)量了A、B、C 3點(diǎn)的信號(hào)波形。其中C處的信號(hào)波形良好，無失真。A、B 2點(diǎn)的輸出的直流信號(hào)無紋波抖動(dòng)，而且數(shù)值準(zhǔn)確。對(duì)于位移測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。對(duì)該位移測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出位移測(cè)量的精度較高，最大誤差是0.5 mm，測(cè)量范圍是－20～20 mm，總體來說，整個(gè)系統(tǒng)的完成情況較好。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)測(cè)量位移范圍擴(kuò)展到－20～20 mm，實(shí)際測(cè)量到自制差動(dòng)變壓器的近似線性范圍約為－24～24 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測(cè)量，同時(shí)也能夠達(dá)到不錯(cuò)的動(dòng)態(tài)范圍，但線性度不是很好，這主要是受線圈繞制的非理想均勻、對(duì)稱以及鐵芯規(guī)格不理想等因素的限制，但通過軟件校正可大大提高位移測(cè)量的精度，而且線性度的穩(wěn)定性也會(huì)有提高。

表1 直接測(cè)試結(jié)果Tab.1 Direct test result

表2 直流電機(jī)控制測(cè)量值Tab.2 Test result of DC motor control

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