C8051F020 在磁致伸缩液位传感器中的应用

C8051F020 在磁致伸缩液位传感器中的应用
作者：李一博；金翠云；靳世久；王立坤





       磁致伸缩液位传感器是利用智能材料的维德曼(W iedem ann) 效应、维拉里(V iuary) 效应及超声效应,将液位信息转换成最易高精度测量的时间量, 来实现对液位、界位的超高精度计量 , 其测量分辨率可以达到甚至优于 0. 1mm。另外因为磁致伸缩液位传感器几乎没有可动的机械部件, 故具有可靠性高、安装维护方便、适用范围广等特点, 是当前最理想的接触型大罐液位测量装置之一。作为一种高精度智能型数字传感器, 要求其核心处理器必须具有速度快、功耗低、运算处理能力强、具有较大的 RAM , ROM 以及掉电不丢失的数据存储器等特点。同时由于传感器的主要工作是高精度时间计量, 所以要求M CU 必须具有很好的信号捕捉功能。这些都是传统 8051 单片机所不能胜任的。美国Cygnal 公司最新推出的C8051F020 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 (SoC) , 具有与8051 兼容的高速 CIP - 51 内核, 与M CS- 51 指令集完全兼容, 除具备传感器所需的全部特性及功能外, 还提供 2 个独立UA R T , 为传感器信号远传提供了极大的方便。而其具有的片内调试电路, 使得设计人员通过4 脚的 JTA G 接口就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。这些特性都使得C8051F020 成为磁致伸缩液位传感器核心处理器的理想选择。

1、磁致伸缩液位传感器工作原理

       磁致伸缩液位传感器由传感头、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子组成。工作时, 传感头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号, 根据电磁场理论, 此电脉冲同时伴随一个环型磁场以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时,将与之进行矢量叠加, 形成一个螺旋形的磁场。根据磁致伸缩原理, 当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时,磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会跟着发生变化 ,即维德曼(W iedem ann) 效应。因此当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时, 磁致伸缩波导丝会产生伸缩变形, 而沿螺旋形磁场的伸缩, 将导致波导丝产生扭曲形变, 从而激发扭转波。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到传感头中的感应线圈时, 将转换成横向应力。

       根据维拉里 (V iuary) 效应, 磁致伸缩材料发生物理形变时, 会在此致伸缩材料内引起磁场强度的变化,因此通过传感器线圈的磁通将发生变化。超声扭转波的传播速度为一常数, 因此只需通过测量从发射电脉冲到检测到感应电动势 Ε的时间差 T , 就可根据L = T ·V = T ·GΘ, 精确地计算出浮子的位置。测量精度仅与计时精度相关, 超声扭转波的传播速度一般在 1800～2000m s, 所以当计时精度达到 0. 05Λm 时, 液位仪的测量分辨率就可以达到甚至优于 0. 1mm。

2、C8051F020 功能特性

C8051F020 单片机是完全集成的混合信号系统级M CU 芯片, 与传统 8051 单片机相比具有以下特性:

12 位ADC

·1L SB INL

·无失码

·可编程转换速率最大 100ksp s

·8 个外部输入可编程为单端输入或差分输入

·可编程放大器增益

·数据相关窗口中断发生器

·内置温度传感器

8 位ADC

·可编程转换速率最大 500ksp s

·8 个外部输入

·可编程放大器增益

两个 12 位DAC

·可以用定时器同步输出产生波形时可避免两路输出发生颤抖

两个比较器

内部电压基准

精确的VDD 监视器和节电降压检测器

片内 JTA G 调试和边界扫描

·片内 JTA G 调试电路提供全速非侵入式的电路内调试不需要仿真器

·支持断点单步观察

·观察修改存储器和寄存器

·完全符合 IEEE1149. 1 边界扫描标准，高速 8051 微控制器内核

·流水线指令结构 70% 的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期

·速度可达 25MIPS

·22 个矢量中断源

存储器

·4352 字节内部数据 RAM

·64k 字节在系统可编程 FLASH 程序存储器

·外部并行数据存储器接口可达 5MB

数字外设

·64 个 IO 口线所有口线均容许 5V 电压

·可同时使用的硬件 SMBus、I2C, 兼容 SPITM及两个UART串口

·16 位可编程的计数器定时器阵列带 5 个捕获/比较模块

·5 个通用 16 位计数器定时器

·专用的看门狗定时器双向复位时钟源

·内部可编程振荡器 2～ 16MH z 供电电压

·2. 7～ 3. 6V

·典型工作电流 10mA @25MH z

·多种节电休眠和停机模式

100 脚 TQFP 封装有 64 脚的 TQFP 封装温度范围-40~+85℃

3、C8051F020 在磁致伸缩液位传感器中的应用

       根据磁致伸缩液位传感器的工作原理, 设计传感器控制系统结构框图, C80F020 通过 I管脚, 产生激励信号, 同时启动 PCA 计数器, 开始捕捉计数。激励信号经放大电路以及脉冲激励电路处理后,形成 1 个激励脉冲, 施加到磁致伸缩丝上。其返回的扭曲应力信号经逆磁致伸缩换能装置变换为电脉冲信号后经比较电路整形, 施加在8051F020 的 PCA 捕捉管脚上, 产生捕捉中断。此时捕捉计数器中的值, 即与液位值相对应。经软件滤波算法, 计算处理后可得到高精度的液位值。

       本系统利用 C8051F020 丰富的 IO 资源, 可同时提供三种信号远传方式。即通过DAC 转换器的 4～20mA 模拟仪表信号接口、通过UART0的 RS485 数字信号接口以及通过UART1 和TCPIP 协议转换模块的基于网络的数字信号接口。单片机系统采用 3. 3V 电源, 在不启用通讯功能时, 系统的平均功耗小于10mA。

4、结论

        本文根据磁致伸缩液位传感器液位测量的实际需要, 选择美国Cygnal 公司的C8051F020 作为传感器中央处理器利用其速度快、功耗低、运算处理能力强以及有高速信号捕捉功能等特点, 构成整个传感器系统, 实现了液位的在线高精度测量。实验证明, 此设计是行之有效的。






本文章转自爱学术（aixueshu.com），如有侵权，请联系删除