張?zhí)旌?，黃 沛，王先全，武 亮，魯 進(jìn)

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

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基于ARM的直線式時(shí)柵位移傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

張?zhí)旌悖S 沛，王先全，武 亮，魯 進(jìn)

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

利用時(shí)空轉(zhuǎn)換思想，以時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量空間位移量，設(shè)計(jì)了基于ARM的直線式時(shí)柵傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路。采用STM32F407VGT6型ARM處理器與AD7298BCPZ型12位A/D轉(zhuǎn)換芯片相結(jié)合，利用嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，使得系統(tǒng)具有更好的可靠性與實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換電路，最小分辨時(shí)間為2.44 ns．能夠更好的實(shí)現(xiàn)傳感器的高速、高分辨率采樣，實(shí)現(xiàn)了直線式時(shí)柵傳感器的實(shí)時(shí)誤差修正與補(bǔ)償，為高精度直線式時(shí)柵傳感器的研制提供了技術(shù)支持。

ARM；A/D轉(zhuǎn)換；直線式時(shí)柵位移傳感器；嵌入式操作系統(tǒng)；實(shí)時(shí)誤差修正與補(bǔ)償

0 引言

A/D轉(zhuǎn)換電路是智能儀器的基本部件，直接關(guān)系到測(cè)量的準(zhǔn)確度、分辨率和速度。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器有雙積分和逐次逼近式，雙積分式雖然精度高，但轉(zhuǎn)換速度較慢；逐次逼近式是一種速度較快，轉(zhuǎn)換時(shí)間在10～100 μs之間。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存和模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)的控制都通過微控制器單元(MCU)來完成，這種方式一方面占用太多中央處理器(CPU)資源，另一方面遠(yuǎn)不能滿足高速采樣的速度要求，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)在很大程度上取決于控制器與A/D芯片的選取[1]。

本次研究采用的研究方法為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，詳細(xì)記錄相關(guān)的檢查數(shù)據(jù)，采用SPSS20.0作為計(jì)算軟件，P＜0.05作為此次研究具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的標(biāo)準(zhǔn)。

為了使直線式時(shí)柵傳感器能夠更好的實(shí)時(shí)修正，這就需要采樣的數(shù)據(jù)越多越好。研發(fā)高精度直線式時(shí)柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)在于精確實(shí)時(shí)的測(cè)量其目標(biāo)點(diǎn)，保證時(shí)間測(cè)量的精度達(dá)到納秒級(jí)。如何選用符合要求的控制器與A/D轉(zhuǎn)換電路來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)達(dá)到高速高分辨率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要。

1 直線式時(shí)柵傳感器的原理

根據(jù)“直線型交流電動(dòng)機(jī)”的原理，將交流電機(jī)的外殼沿直線展開，就可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)直線式時(shí)柵傳感器。

如圖1所示，通電后，行波磁場(chǎng)M起于c點(diǎn)而終于d點(diǎn)，沿著直線每經(jīng)過時(shí)間T，前進(jìn)一個(gè)節(jié)距W．當(dāng)行波相繼通過動(dòng)尺a和定尺b就會(huì)產(chǎn)生具有正弦波特性的電信號(hào)，得到瞬時(shí)時(shí)刻值T0和Ti[2]。

圖1 直線式時(shí)柵傳感器原理圖

其數(shù)學(xué)模型為：

2．2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

(1)

式中：x為測(cè)量位移量；v為速度量；∑Pt是一系列的時(shí)鐘脈沖表示時(shí)間差ΔT．

3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)量從而得出空間位移量，由于場(chǎng)式行波可以建立機(jī)械方式無法建立的無限長(zhǎng)坐標(biāo)系，使直線式時(shí)柵的測(cè)量范圍取決于定尺的長(zhǎng)度。

2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2為AD7298BCPZ的外部電路圖，選用AD7298BCPZ的3個(gè)通道連接ARM處理器STM32F407VGT6。A/D電路對(duì)電源的要求比較高，且功耗不大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)該采用3.3 V低壓差模擬電源(LDO)；由于傳感器信號(hào)微弱，先將信號(hào)通過高精度OPA4277運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，放大后進(jìn)入A/D；電容C18～C23濾除電源中的雜波成份；C11～C12作為去耦電容使得放大的信號(hào)不會(huì)因電流的突變而受干擾；在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)A/D的時(shí)鐘線越短越好，對(duì)于高速的A/D轉(zhuǎn)換和放大電路應(yīng)盡可能的靠近放置，而且都要求與濾波器件臨近放置，這樣在A/D放大電路輸出才具有最低的寄生負(fù)載效應(yīng)，而A/D轉(zhuǎn)換電路則對(duì)可能耦合至輸入線路的噪聲極為敏感。采用10 μH的電感L1將模擬地與數(shù)字地的良好的隔離。

兩組患兒治療后臨床療效比較 見表1。兩組患兒治療后臨床療效比較,治療組痊愈率和總有效率均有明顯提高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(2)

3．1 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 AD7298BCPZ

AD7298BCPZ是一款12位、高速、低功耗、逐次逼近型ADC，內(nèi)置溫度傳感器，帶有串行外設(shè)接口(SPI)。它采用3．3V單電源供電，吞吐速率最高可達(dá)1MSPS．該器件內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器。

直線式時(shí)柵傳感器的位移測(cè)量需要高分辨率高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)從而送入控制器中進(jìn)行計(jì)算，因此對(duì)A/D采樣速度和分辨率要求較高。綜合考慮功耗、價(jià)格、體積、兼容性等因素，選用AD7298BCPZ作為系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能與土木建筑工程的建筑設(shè)計(jì)、建筑規(guī)劃、建筑成本計(jì)算、建筑測(cè)量等多個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)相結(jié)合，構(gòu)建三維模型，將工程環(huán)境、工程結(jié)構(gòu)等直觀呈現(xiàn)出來，方便不同崗位工作人員完成各自的工作，提升工作效率。同時(shí)，該技術(shù)的引進(jìn)，還將帶給客戶更加直觀、生動(dòng)的體驗(yàn)，提升客戶的滿意度，塑造良好的企業(yè)形象，讓企業(yè)在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)。所以，相關(guān)人員需重視對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

城鄉(xiāng)學(xué)生形態(tài)指標(biāo)比較（表1）調(diào)查顯示，城市男生身高、體重、胸圍等3項(xiàng)指標(biāo)高于農(nóng)村男生，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），城市女生身高、坐高高于農(nóng)村女生，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。

以時(shí)鐘脈沖來計(jì)量空間位移，控制器與A/D芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能指標(biāo)在很大程度上取決于控制器與A/D芯片的選取。因此高精度直線式時(shí)柵傳感器硬件電路設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)在于如何構(gòu)建最適合的A/D數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)[3]。A/D芯片的選擇是A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，首先A/D采樣系統(tǒng)的分辨率[4]，選擇12位流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為212；其次直線式時(shí)柵傳感器信號(hào)頻率大小為fs；假設(shè)直線式時(shí)柵傳感器信號(hào)頻率fs為100 kHz，如果選擇12位的A/D，分辨率最小時(shí)間為2.44 ns．

圖2 A/D外部電路圖

3 直線式時(shí)柵傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

因此，采樣頻率關(guān)系到ARM是否能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)完成高速數(shù)據(jù)讀寫操作關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，從性價(jià)比考慮，控制器ARM采用32位低功耗、高性能的STM32F407VGT6處理器為硬件平臺(tái)，以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)。其采樣系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。直線式時(shí)柵傳感器在激勵(lì)信號(hào)作用下，動(dòng)尺與定尺產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，由動(dòng)尺輸出，經(jīng)過濾波、放大、調(diào)理后，再由12位A/D轉(zhuǎn)換器AD7298BCPZ芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)高速采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO存入ARM．根據(jù)不同的應(yīng)用，在ARM中實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、分析，根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行誤差修正，以及由于溫度變化引起的誤差補(bǔ)償，通過通訊接口將數(shù)據(jù)傳送到PC，從而進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。利用液晶屏顯示界面及調(diào)試信息，通過鍵盤進(jìn)行控制，更好的實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

“透明原則”美學(xué)思想的融入，極好地表達(dá)了蘇珊·桑塔格的形式美學(xué)理念，為其后期美學(xué)思想的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)硬件系統(tǒng)的特點(diǎn)，軟件平臺(tái)在嵌入式Linux上實(shí)現(xiàn)。嵌入式Linux具有分層體系結(jié)構(gòu)，使應(yīng)用程序可以靈活地在其中“插入”所需的功能模塊，真正實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”的軟件設(shè)計(jì)思想[5]。提高了嵌入式Linux的安全性、穩(wěn)定性以及便利性。在設(shè)計(jì)直線式時(shí)柵傳感器數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換軟件流程時(shí)要特別注意：A/D轉(zhuǎn)換器初始化啟動(dòng)后必須首先對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器執(zhí)行清空指令。直線式時(shí)柵傳感器A/D采樣的軟件流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)的應(yīng)用程序由多個(gè)功能模塊構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、誤差修正、溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)通信等模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通過對(duì)I/O接口的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集[6]。合理的利用內(nèi)核提供對(duì)端口使用狀況的控制及查詢功能，就可以防止I/O讀寫時(shí)發(fā)生沖突。數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、誤差修正、溫度補(bǔ)償以及其它功能，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出存到相應(yīng)文件中。最終將處理好的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。為了解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)源，對(duì)每個(gè)信號(hào)源都獨(dú)占一根中斷信號(hào)線時(shí)，中斷信號(hào)線的數(shù)目無法滿足要求，就應(yīng)該使用數(shù)據(jù)源共享某根中斷信號(hào)線的方式來實(shí)現(xiàn)中斷。通過函數(shù)inb查看AD7298BCPZ相應(yīng)的寄存器來判斷中斷是否發(fā)出，完成中斷處理例程[7-9]。如果找到中斷源，則讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中的相關(guān)數(shù)據(jù)，放到驅(qū)動(dòng)程序的緩存區(qū)中，等待進(jìn)程通過調(diào)用read函數(shù)來調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，并通過copy_to_user將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間中。從而防止了由于中斷導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)程序沒有讀取AD7298BCPZ中的數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的基于ARM的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行直線式時(shí)柵傳感器的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，實(shí)驗(yàn)中

Craig原本在金融業(yè)工作，2014年7月他辭職了。離開了原來的崗位后，他橫跨半個(gè)地球，搬到了澳大利亞生活。他告訴我們，他對(duì)攝影的熱情就是從那時(shí)培養(yǎng)起來的，并且從此一發(fā)不可收拾。起初，他主要從事風(fēng)光攝影和旅行攝影的工作。而且他一直熱衷拍攝各地的風(fēng)光和多樣的人文。如今，他的攝影愛好已經(jīng)足以謀生，現(xiàn)在他在Bristol從事肖像攝影和商業(yè)攝影的工作。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

mm

采用直線光柵尺作為標(biāo)準(zhǔn)值，其精度0.5μm/m，直線時(shí)柵測(cè)得的值為測(cè)量值，對(duì)全長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，在900mm內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。選取第4個(gè)對(duì)極內(nèi)數(shù)據(jù)如表1所示，從90～120mm間隔0.5mm采集一個(gè)點(diǎn)，從表1中得到原始誤差-0.064～0.572mm．利用快速傅立葉變換提取出它們相應(yīng)的幅值與相位，由于傅立葉級(jí)數(shù)中2，5，6次諧波的幅值大于10，同時(shí)1，12次諧波的幅值大于1，其余的諧波的幅值都小于1，所以主要存在1，2，5，6，12誤差。在采樣過程中實(shí)時(shí)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差的諧波修正與補(bǔ)償，包括速度、加速度、溫度變化等引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，利用付氏級(jí)數(shù)諧波修正與補(bǔ)償?shù)?0次，然后進(jìn)行隨機(jī)采樣得到如圖6所示的誤差曲線，誤差范圍為-1.6～2.7μm．實(shí)現(xiàn)了直線式時(shí)柵傳感器非線性誤差的自動(dòng)補(bǔ)償與實(shí)時(shí)修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直線式時(shí)柵位移傳感器的高速高分辨率實(shí)時(shí)采樣，極大的提高了直線式時(shí)柵傳感器的精度。

圖6 采樣點(diǎn)實(shí)時(shí)修正擬合曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM控制器的直線式時(shí)柵傳感器的A/D轉(zhuǎn)換電路，軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux，此系統(tǒng)具有集成度高、更好的可靠性和實(shí)時(shí)性，能夠?qū)r(shí)柵信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集，從而能更精確的對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差的修正與補(bǔ)償，最小分辨時(shí)間為2.44 ns．為高精度直線式時(shí)柵位移傳感器的產(chǎn)業(yè)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 紀(jì)宗南．集成A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)和實(shí)用線路.北京：中國(guó)電力出版社，2011，63-65．

[2] 彭東林，劉小康，張興紅，等．時(shí)柵位移傳感器原理與發(fā)展歷程. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，10(10)：40-45.

[3] GRACE C R，HURST P J，LEWIS S H．A 12-b 80-MS/s pipelined ADC with bootstrapped digital calibration．IEEE Journal of Solid-state Circuits，2011，40(5)：1038- 1046．

[4] 張興紅，張慧，王先全，等．超聲波流量計(jì)高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．儀表技術(shù)及傳感器，2011(2)：22-25．

[5] 馬曉榮，潘海．基于ARM的A型脈沖超聲波探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)．計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013，7(7)：241-243．

[6] 黃菁，劉青春．DSP與AD轉(zhuǎn)換器的接口電路設(shè)計(jì) ．電子技術(shù)，2012，8(4)：27-29．

[7] 石秀民，魏洪興．嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用-基于Xscale與Linux．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：134-137．

[8] 楊志杰，石驥碩，徐寧，等．基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)鐵路．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012(7)：30-32．

[9] 高忠華，陳錫侯，楊繼森，等．直線時(shí)柵傳感器全誤差模型與誤差修正方法研究．傳感器與微系統(tǒng)，2012：(8)：87-93．

Design of A/D Conversion Circuit for Linear Typed TimeGrating Displacement Sensor Based on ARM

ZHANG Tian-heng，HUANG Pei,WANG Xian-quan，WU Liang，LU Jin

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment，Ministy of EducationChongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing TechnologyChongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Based on the theory of time-to-space converting,an A/D conversion circuit using ARM processor for the linear typed time grating sensor was designed to measure displacement by time space.For the high reliability and real-time,ARM processor STM32F40VGT6 and 12 bit A/D chip AD7298BCPZ were used,and embedded real-time operating system Linux was transplanted.Experimental results show that the resolution of the A/D conversion circuit is 2.44ns,and the high speed and resolution of sampling is better.It realizes the real-time of correction and compensation for error and provides technical support for high precision linear time-grating sensor.

ARM;A/D conversion;linear typed time grating sensor;embedded operating system;real-time error correction and compensation

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)51275551)資助項(xiàng)目；重慶市自然科學(xué)基金(編號(hào)cst2012jjA40062)資助項(xiàng)目

2014-01-20 收修改稿日期：2014-11-06

TP212

A

1002-1841(2015)01-0001-03