基于DSP 的磁致伸缩液位传感器的设计

基于DSP 的磁致伸缩液位传感器的设计
作者：闫瑞杰；李海香；李利权；何小刚





       基于当前国产磁致伸缩材料的前提,结合传统的设计方法,并且针对本课题前期完成的大量基础试验所发现的影响磁致伸缩液位传感器测量精度的因素,提出了采用数字信号处理技术提高测量精度的设计思路及方法。提高了国内磁致伸缩液位传感器测量精度,以满足多种工业液位参数的测量要求,结果表明本设计方法相比传统的设计方法测量精度有了较大的提高。在工农业生产和贸易结算中液位是应用非常广泛的一个重要参数。测量方法很多,利用磁致伸缩原理进行液位测量是其中的一种方法,这种方法具有宽量程,高精度,多液位等特点,结合传统的设计方法,提出了基于TI 公司TMS320F2812 数字信号处理器的全采样加数字信号处理的设计方案。试验结果表明,这种设计方法可以部分弥补磁致伸缩材料的不足,提高测量精度。

1 　测量原理

      磁致伸缩液位传感器测量原理可结合图1 说明,工作时,检测头中的电子装置首先在磁致伸缩波导丝上施加一个激励电脉冲信号,根据电磁场理论,此电脉冲伴随一个环型磁场,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,即磁致伸缩效应。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沿螺旋形磁场的伸缩变形,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向两端传播,向顶部传播的超声波将传到传感器检测头中的逆磁致伸缩效应换能器中,向底端传播的超声波对液位测量并不起作用。记下发送激励脉冲的时间和接收到回波的时间,并计算其时间差t ,在根据超声波的传播速度v ,可计算出检测头与液面之间的距离L0 = vt ,而传感器的总长L1已知,即可得出液面高度L = L1 - L0 。最终,我们将时间的测量转化为液位的测量。

2 　硬件设计

      传统的磁致伸缩液位传感器系统中采用的硬件滤波电路,其存在结构复杂,参数调整不易和系统性能易受环境影响,容易引起电子噪声等缺点。在本系统中用数字滤波的方法来代替 ,采用的是全采样法,即DSP 发送激励脉冲的同时,开始启动AD采样,直到所设置的全量程数据采集完毕,然后对所采集的数据进行处理,查找特征值进而求取液位。因此,相比传统的检测电路,大大节约了系统的硬件数量,避免了太多硬件电路所造成的电子干扰。下面介绍基于DSP 的磁致伸缩液位传感器系统的电路原理。本系统的硬件主要构成:1) 激励脉冲电路; 2) 放大电路; 3) TMS320F2812 信号处理电路; 4) 串口通信电路; 5) 液晶显示电路等部分组成。

2. 1 激励脉冲控制电路

      激励脉冲控制电路的产生设计,输入引脚GXQD 连接DSP 的I/ O 引脚GPIOB0 。在DSP 的程序控制下,使得DSP 的I/ O 引脚GPIOB0变高,则连接的GXQD 为高电平,这时Q1 导通,则场效应管Q2 的栅极G2 变成低电平,场效应管Q2导通。电容C1 通过场效应管Q2 激励波导丝GX 瞬间产生电流。一般情况下,波导丝的电阻在8 Ω 左右,而电压为12 V ,这样激励脉冲可在传感器两端激发1. 5 Α 左右的脉冲电流。在设计电路过程中,综合考虑了电路实现过程中可能存在的诸多干扰,整个电路在ORCAD 软件上模拟调试,所选用参数达到设计要求,运行结果较理想。

2. 2 输出电流信号放大电路

       当有激励脉冲时,波导丝在受到变化磁场作用的地方产生扭转波,扭转波沿着波导丝传播到检测线圈时,就会在线圈两端产生一个电信号,因为该信号的幅值太小,需要对该信号进行放大,放大电路。波导丝一端接入J 2 的引脚1 ,波导丝的另一端通过J2 的引脚2 接地,而J 2 的引脚3 、4 为检测线圈上的输出信号,该输出信号经过放大电路,可以得到放大1 000 倍的输出信号FDXH。其中,电容C5 主要是滤除检测线圈上拾回来的高频杂波,而电容C7 主要是电源平滑滤波。

2. 3 TMS320F2812 信号处理电路

       经过放大电路后的输出信号FDXH 由于其静态工作点在2. 5 V 左右,与TMS320F2812 的要求不匹配。这里通过电容C1 隔直,然后再通过电阻R1 和R3 分压,使得其静态工作点在1. 6 V 左右,满足要求。然后连接到TMS320F2812 的AD 输入引脚AD2CINA0 ,供信号采集。在TMS320F2812 中AD 输入

口共有16 路,这里只取一路进行采集信号处理。

2. 4 串行通信接口

      串行通信接口SCI 是一种双线的异步串口,一般看作是UART。TMS320F2812 的SCI 和以往的DSP 的SCI 相比具有两个特点:一是传送、接收都具有独立的FIFO ;二是波特率可自动检测。通过该接口可将测量信号传输到二次仪表或计算机等。

2. 5 液晶显示电路

      为了把处理好的数据通过液晶显示器输出,本系统选用MG212232 液晶显示器。液晶显示电路的工作原理为: 由TMS320F2812 通过A12 口触发74LVC4245 电平转换,然后通过A02A7 口向液晶显示器的数据线DB 口输出显示数据和控制指令,通过A82A11口向液晶显示器输出对端口A0 、R/ W、E2 、E1 的控制字。液晶显示器的端口A0 、R/ W、E2 、E1 信号分别为寄存器选择信号、读/ 写选择信号、从工作方式IC 使能信号及主工作方式IC 使能信号。

3 TMS320F2812 的软件设计

     本系统的软件设计全部用C 语言编写,结构性很好。根据系统设计的目的,整个软件系统包括几个子模块:初始化模块、看门狗模块、定时器模块、采集程序模块、FIR 滤波程序模块、液位测量模块、串口通信模块和液晶显示模块。由于篇幅所限软件部分不能详细介绍。

4 结论

    实验结果表明本设计可靠,电路参数选择合适,运行安全稳定。同时表明全采样法辅以数字滤波可以部分弥补磁致伸缩材料的不足,提高测量精度。






本文章转自爱学术（aixueshu.com），如有侵权，请联系删除