基于单片机的磁致伸缩位移传感器数字化处理系统研究

基于单片机的磁致伸缩位移传感器数字化处理系统研究
作者：向先波；徐国华






       磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用非接触的测量方式 ,由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触 ,不至于被磨擦、磨损 ,因而其使用寿命长、环境适应能力强 ,可靠性高 ,安全性好 ,便于系统自动化工作 ,即使在恶劣的工业环境下 (如容易受油渍、尘埃或其他的污染场合) ,也能正常工作。此外 ,它还能承受高温、高压和强振动 ,现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。

1、磁致伸缩位移传感器简介

1.1 传感器的结构

       该位移传感器是由不锈钢保护管 (测杆) 、磁致伸缩线 (波导) 、铜线、可移动的磁环和电子仓部件等组成。保护管是一种非磁性的刚性材料 ,波导管是由软磁材料制成的薄壁毛细管。

1.2 传感器的工作原理
       传感器内部的脉冲发生器产生波导脉冲 ,经电子仓部分加以变换 ,转换成沿波导线方向传播的电流脉冲即起始脉冲 ,其产生一垂直于铜线的环形磁场 ,该磁场遇到可移动的磁环产生的径向磁场相叠加 ,就会产生一螺旋状磁场 ,根据威德曼 (Wiedemann) 效应 ,波导管会产生瞬时扭转形变 ,而产生的扭转波将以一恒定的速度沿波导管向两侧传播 ,传到末端时 ,其能量将被衰减阻尼装置吸收 ,而返回的扭转波遇到传感换能元件 ,就会在线圈两端产生感应电流脉冲即终止脉冲 ,通过测量起始脉冲与终止脉冲之间的时间差即可精确地确定被测位移量。因为扭转波在波导管中是以恒速(接近于 3 km/ s) 传播的 ,所以只要测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔 ,也就测出了磁环相对于规定零点的位置。由于整个感应过程是连续的并且响应时间很短 ,故每当磁环移动到一个新的位置 ,就能很快地测量出来。

1.3信号特点及存在的问题

       目前 ,要想直接测量传感器起始、终止脉冲的时间间隔 ,得到准确的位置量 ,不易实现。现阶段采用的方法是 ,把两个脉冲信号的时间间隔转换为正比于磁环位置的 PWM 信号 ,然后以电流环的形式输出。在实际测量过程中 ,传感器内电流脉冲和感应脉冲会对输出信号产生一定的干扰 ;并且 ,传感器本身的磁性材料感应的磁场与波导管内的电流之间不可避免地会产生电磁干扰 ( EM I - Electro Magnetic Interference) ,使得测量所得的输出信号有一定程度的畸变  ,即是将传感器的电流环输出信号转换为电压信号得到的波形。另外 ,如果需要在同一个系统中同时使用几个磁致伸缩位移传感器进行位移测量时 ,传感器相互之间也会有干扰。这些干扰信号的存在使得控制系统的动、静态性能不好 ,对精度高、响应频率快的控制系统而言 ,其影响程度是很明显的 ,会影响到系统的稳定 ,必须予以消除。设计了一个基于单片机的传感器信号数字化处理系统 ,将处理后得到的稳定的输出信号 ,以数字信号的形式直接通过远程通信传送给计算机进行控制 ,使得该类型磁致伸缩位移传感器输出信号稳定、精度高、传输距离远 ,与控制系统接口简单、互换性好、实用性强 ,使传感器更具智能化 ,整体性能得到极大的优化提高。

2、硬件设计

       由于磁致伸缩位移传感器采用符合工业控制标准的 4～20mA 电流环输出的形式 ,故需要先把传感器的输出电流信号转换为电压信号 ,再采集出来进行 A/ D 转换 ,然后输出给单片机进行信号处理以及通信处理 ,最后将理想的传感器信号以二进制方式传送给液晶显示屏和 PC 机。

2.1电流环转换电压信号电路

       磁致伸缩位移传感器采用的是 4～20 mA 电流环信号传输方式 ,因为电流环信号与电压信号相比不易受噪声干扰 ,并且电流值不受线电阻的影响 ,信号衰减小。电流环转换电压信号电路主要基于一个差动式输入的放大器电路 ,运算放大器选用 OP07 ,它温漂小 ,阻抗低 ,吸收电流大 ,精度高。另外 ,还采用了一个 LM385Z - 2. 5 V 电路 ,该电路符合 National Semiconductor 的低功耗二端带隙基准 ,工作电流为 20 μA～20 mA ,动态电阻 0. 6Ω ,其长期稳定性及温度特性良好。用此电路可产生高精度、高稳定度的参考电压 - 2. 5 V. 它与放大器联合使用 ,可以使输入信号在放大器输出的 2. 5～12. 5 V 基础上精确地偏移 2. 5 V.即输出 V o 变为 0～10 V ,与 A/ D 转换器件的电压输入范围达到一致。

2.2A/ D 采样转换电路

       采用 Analog Device 公司的 12 位 AD 转换器 AD1674 ,该芯片在功能上与常用的 AD574A 兼容 ,但它的转换速度更快 ,一个转换周期只需 10μs ,而且自带有采样保持电路 SHA 及三态输出缓冲器 ,可直接与单片机接口 ,用它来采集变化速度较快的传感器输出信号是非常合适的。另外 ,A/ D 转换电路是模拟信号与数字信号的典型混合体。在数字信号前沿很陡、频率较高的情况下 ,数字信号可通过印刷电路板线间的分布电容耦合到模拟信号输入端而引起干扰。在印刷板布线时应使数字信号和模拟信号远离 ,或者将模拟信号输入端用地线包围起来 ,以降低分布电容耦合和隔断漏电通路。

2.3单片机信号处理电路

       单片机选用 A TMEL 公司基于 CMOS 工艺的 8位微处理器 89C4051 ,与 MCS - 51 产品系列的指令完全兼容 ,片内含有 4 kb 的 Flash EPROM ,它最突出的特点是 :芯片体积小 ,只有 20 个引脚 ,特别适合于小型化系统的设计。另外 ,AT89C4051 价格便宜 ,性价比较高。

89C4051 是系统硬件实现数字化处理的核心部分 ,它的主频工作在 11. 0592 MHz ,包括有一个外围复位电路。主要用于完成控制 A/ D 转换、信号处理、向主机和 LCD 以串行方式发送数据等几个方面的功能。用单片机的 P3 口作为 A/ D 转换及通信的控制线。在读取 A/ D 转换值时 ,直接用 P1 口分两次读入 12 位A/ D 转换值。

2.4远程通信电路

       本系统中单片机和 PC 机之间进行串行通信 ,采用 RS - 422/ RS - 485 串行标准进行点对点的通信连接 ,可以实现远程通信传输 ,满足工业现场的要求 ,在波特率为 9600 时 ,传输距离可达 1200 m. MAXIM 公司生产的 MAX491 芯片 ,可直接将单片机和 PC 机输出的 TTL 电平转换为 RS - 422 电平。并且通过对MAX491 芯片进行简单的跳线连接设置 ,还可方便地实现 TTL 电平到 RS - 485 的电平转换 ,用 RS - 485串行标准进行通信时 ,能实现多点对多点的通信 ,传输距离可以更远。因此 ,使用 MAX491 能在 RS - 485 和RS - 422 串行标准之间随意切换 ,使单片机能够以两种不同的通信标准向 PC 机传输二进制的数字化测量数据 ,方便用户的选择。用 MAX232 芯片可以实现 RS - 232 接口标准 ,只是通信距离受限制 ,在速率小于 20 kb/ s 时 ,传输距离仅为 15 m.

2.5液晶显示

       电路采用专用的 8 位串行输入段码式液晶显示模块 ,显示单片机输出的二进制位移测量值 ,方便技术人员实时监测传感器的输出变化。

3、软件程序设计

       单片机的数据采集、信号处理和通信程序开发采用的是 Archimedes C 交叉编译器 ,它是专为 51 系列单片机设计的一种高效的 C 语言编译器 ,使用它可以缩短开发周期 ,降低开发成本 ,而且开发出的系统易于维护 ,可靠性高 ,可移植性好。上位 PC 机的通信程序则基于面向对象的 VC + + 6. 0 实现。

3.1数据采集与信号处理程序

3.1.1数据采集程序

       主要是根据 AD1674 的启动转换和读取转换结果的时序关系 ,对相关引脚进行编程 ,从而控制数据的采集与转换。

3.1.2信号处理程序

       采用基于抽取被测信号特征量的滑动数字滤波算法。就是磁环在静止状态下 ,传感器输出的模拟信号波形。可以看出在测量稳定值上叠加有一个频率较高的干扰信号存在 ,其最大峰 - 峰值约为 25 mV ,周期为 440μs. 如果直接将单次测量值采样传送给控制器 ,在高精度的测量场合下 ,随机得到非正常测量值的几率是比较高的 ,最大误差为 12 个 L SB. 因此 ,最好是对某一位移量进行连续的多次测量 ,得到一组N 个测量值 , 并使这组测量值包含一个干扰周期 , 以便从中获得一个能够代表正确值的测量值。针对该模拟波形 ,最好是提取 N 个测量值中的 N - 4 个值 ,再对其取平均值 ,就能得到正确的测量值 ,从而抽取到被测信号的特征量。同时 , 在实际测量中 , 被测实体的运动速度可能较快 , 相应地 , 传感器的位移量变化也比较快。如果采用一般的均值滤波算法 , 都需连续采样 N个数据 ,需要时间比较长 ,故检测速度慢。为克服这一缺点 ,可采用滑动平均值滤波法。即先在 RAM 中建立一个数据缓冲区 ,依顺序存放 N 次采样数据 , 每采进一个新数据 ,就将最早采集的那个数据丢掉 ,而后求包括新数据在内的 N 个数据的算术平均值。这样 ,每进行一次采样 ,就可计算出一个新的平均值 ,从而大大加快了数据处理的速度。这种算法的核心为 :每得到一个新的被测信号的特征量数据 ,移动一次数据块 ,然后求出新一组数据之和 ,再求平均值。对不同的信号特征 ,还可以采取不同的抽取特征量的方法 ,即这种基于抽取被测信号特征量的滑动滤波算法具有一定的普遍适用性 。

3.1数据通信模块

3.2.1LCD 显示

       主要根据 LCD 显示器的结构与原理 ,把要显示的数字对应的码转换写出 ,即写出对应的段选码表 ,从显示主程序中调用该表 ,就可以在 LCD 上显示出传感器的输出变化值。

3.2.2单片机通信程序

       为确保通信成功 ,通信双方必须在软件上有一系列的约定 ,即软件协议。单片机与 CPU 之间事先必须约定好字符的编码形式、奇偶校验形式、起始位和停止位的规定及数据传输的波特率。串行口的控制寄存器有两个 ,串行控制寄存器 SCON 用来设置字符格式 ,特殊功能寄存器 PCON 能改变波特率。因此在单片机串行通信之前 ,要对串行口进行初始化。

3.2.3Windows 平台下 PC 机与单片机通信程序

       上位机串行通信程序采用 Visual C + + 6. 0 实现。在 Windows 环境下 ,不允许用户直接控制串口的中断 ,而采用 VC 自身提供的 Active X 控件 Microsoft Communications Control ,即 MSComm 控件 ,可以直接在应用程序中嵌入 MSComm 控件 ,从而方便地进行计算机串口的通信管理。该控件提供了对 Windows通信驱动程序的 API 函数接口 ,它屏蔽了通信过程的低层操作 ,使用时只需关心控件的相关属性和事件。即设置 MSComm 控件的相应属性 ,调用控件的相应方法和事件 ,按照通讯协议要求发出命令号 ,上位机完成相应功能 ,便能实现数据通讯。串行通信程序 ,采取事件驱动的方式 ( Event - drive) 接收来自与下位单片机的二进制数据 ,并将接收到的数据以图形的形式绘制到屏幕 ,方便用户直观地观察数据的变化。通信协议设置为 :波特率为 9600bit/ s ,无奇偶校验 ,8 位数据位 ,1 位停止位。选用 COM1 通信口。

4、试验分析及系统特点

4.1动、静态特性图

       使用了数字化处理系统的传感器的磁环分别处于静态和动态时的测量特性图表明系统有良好的测量精度和稳定性 ,误差只有 1 个 L SB.本系统具有良好的动态测量特性。

4.2系统的特点

       由于传感器自身存在有几率较大的信号干扰 ,而且目前许多企业为了满足工业现场需求 ,要进行远程数据采集通信的目的。要解决这些问题 ,需要另行开发调试 ,工期长、成本高、可维护性差。提出的基于单片机的传感器数字化处理系统 ,具有价格低、维护性好、功耗低等特点 ,并且结合传感器的特性 ,将传感器的信号处理 ,模拟量、数字量的转换及通信等功能直接集成在传感器的电子仓内 ,体积只有 7 ×103 m3 ,达到了小型化的要求 ,提升了传感器的整体性能 ,满足了用户的需求。

5、系统的应用

       研制的新型六自由度飞行模拟器控制平台中 ,每一个自由度都使用了一个磁致伸缩位移传感器 ,作为位移、速度、加速度控制信号。在应用了开发的基于单片机的磁致伸缩传感器数字化处理系统之后 ,与直接使用磁致伸缩位移传感器和 A/ D 采集卡相比 ,信号输出更稳定 ,远程控制更方便 ,并能实时描绘平台的运动曲线 ,平台运行稳定、平滑 ,可达到精确的控制 ,满足了系统的性能要求 ,取得了良好的实际效果。





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