基于PIC单片机的数字式磁致伸缩位移传感器的开发

基于PIC单片机的数字式磁致伸缩位移传感器的开发
作者：宋书锋；徐国华；吕瑜





       磁致伸缩位移/液位传感器以其长距离测量、高精度、环境适应性强、稳定性好、安装方便，在油库、锅炉、油田、炼油厂、化工、水利等领域逐渐取代了传统的传感器%已成为测量行业中的佼佼者。目前此类位移传感器大多是把位移测量转换成时间测量，再把时间转换为成比例的电信号作为输出，这一方法存在不足之处，例如一根测杆只能对一个液位进行测量，测量精度受到模拟测量电路的限制，测量的模拟电信号不能远距离传输及功耗大等。

       以下介绍的数字式磁尺对原磁致伸缩位移传感器的时间信号直接进行测量，采用适当滤波算法处理测量结果以提高精度，实现多点测量，所得测量值通过串行总线可实现远距离传输，增添单片机以后实现了智能化人机接口!可以方便接入工业网! 采用PIC单片机及其他低功耗芯片，优化电路结构，使系统功耗大大降低，为本类型传感器开发奠定基础。

2.数字化磁尺的结构及工作原理

       该数字尺由不导磁的不锈钢管、探测杆、磁致伸缩线、波导丝、可移动的浮球、磁环、和电子装置等部分组成， 波导丝安装在不锈钢管内保持电磁特性。磁环在不锈钢管外侧可自由滑动，电路装置集成在传感器头部的套管内。

       当用于液位测量时，磁环被封在浮球内，浮球套在探测杆上可沿探测杆随液位的变化而上下移动，电子装置产生一脉冲，即start脉冲，经过功率放大，送入波导丝，在波导丝周围产生一个环形的磁场，在探测杆外配有的活动磁环同时产生一个磁场，且磁场方向与波导丝中电流产生的磁场方向垂直，当电流  磁场与磁环磁场相遇时，两磁场交互作用，形成螺旋磁场，产生瞬时扭力，使波导丝扭动并产生一个(扭曲)脉冲，或称(返回)脉冲，这个脉冲以音速沿波导丝传回，在电子装置的线圈两端产生感应脉冲，即STOP脉冲），脉冲在波导丝中传输时间和磁环的位置成比例， 因此通过测量start脉冲与stop脉冲之间的时间差就可以精确地确定被测位移量。声音在波导丝中的传输速度大约为2830m/s，要得到5μm的分辨率，对时间测量的精度就要达到1.8ns，故要求参考时钟达到GHz的范围。

3.系统硬件设计

3.1系统结构框图及人机界面

       系统硬件部分主要有+前端输入信号整形及缓冲电路 ，TDC-GP1,PIC16C63,AT24C01,DS18B20，显示电路，电源电路，时钟电路，通信电路。

       系统允许对 1 个液位,1 个温度点同时进行测量，不同场合对液位个数和温度点数的需求不同，厂家可以通过上位机进行参数设定，系统的液位测量和温度测量独立进行，一种测量发生故障不会影响另一种的正常测量，1个温度点任何一路发生故障，就会传给上位机一个默认值，用户可以据此在线更换新的温度传感器，系统能够自动找到并启用它，用户每次开机可以通过上位机给下位机下达命令，对通信、TDC-GP1,PIC16C63,AT24C01,DS18B20进行自检，自检失败会给上位机返回警告信号，系统具有掉电保护功能，当掉电时，参数的设定值可以保存在AT24C01中，每个磁尺都有一个唯一的地址，地址有上位机设定，这样可以用多达256个该类磁尺组建一个测控网络，采用RS-485串行总线进行通信。系统对测量数据进行异或校验，避免由于传输而造成的数据错误。

3.2微处理电路

       系统采用美国Microchip公司的PIC16C63A单片机作为下位机，有可编程编码（加密）能保护功能。PIC16C63A微控制器采用宽字单周期指令、哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐率最高可达6MIPS，数据输入线允许有25mA的倒灌电流，可以直接驱动LED。片内有可直接寻址的4k字程序存贮器、192个八位数据寄存器、3个I/O口、2个八位和1个十六位的定时器/计数器、2个捕捉/比较/脉宽调制（CCP）部件、同步串行口（SPP）部件、串行通信接口（SCI）部件。可选择振荡器类型：RC型，XT型，HS型和LP型，从而运行用户在4种从直流到20MHz频率范围选择一种振荡器形式让芯片执行指令，以优化系统功耗。具有多种复位功能：上电复位功能POR，上电延时定时器PWRT，振荡器起振定时器OST，带有片内振荡器的监视定时器WDT。有省电的休眠（SLEEP）方式!有多级中断功能，可编程ID标志码，在线串行编程。

3.3时间测量电路

        时间测量电路采用德国ACAM公司生产的高精度时间测量芯片TDC-GP1(Time to Digital Con-verter-General Purpose）。TDC-GP1提供了八位数据总线和四位地址总线接口，操作时序符合通用微处理器的总线操作时序，使得TDC-GP1很方便作为一个微处理器的简单外围电路，用于操作TDC-GP1的12个八位控制寄存器、2个八位状态寄存器和8个十六位结果寄存器.另外，TDC-GP1还提供了4个接口用于测量电阻、电容或者电感，其拥有16位的精度和2万次/s的测量速度；

        它有两种工作模式：两路通道、250s-1分辨率的小量程工作模式；一路通道、125s-1分辨率大量程工作模式。可以通过设置片内12个控制寄存器改变工作状态.

        工作在小量程模式时，TDC的两个通道都由start脉冲的边沿触发，每个独立的通道可以检测到4个采样值，这些采样值与start脉冲的时间被存储到各个通道的采样寄存器中。在start信号和第1个stop信号之间，不能少于3ns的时间间隔。在同一个通道的stop信号之间，必须有15ns的时间间隔；所有stop信号在start信号之后都不能超过7.6μs的最大值。

       工作在大量程模式时，start信号和接下来的第1个参考时钟信号的正跳沿之间的时间设定为FC1，出现第1个正跳沿后计时器被触发，TDC记录下经过的时钟周期数CC，直至第1个stop信号被检测到，第1个stop脉冲和接下来的第1个参考时钟信号的正跳沿之间的时间设定为FC2，接着开始新一轮的计数。时间值可由时间计算式算出。在这种模式下，start信号和stop信号之间，两个不同的stop信号之间至少要大于2个时钟周期，所有的stop信号之间不应超过2倍的时钟周期，所以最大的测量范围不超过,20ms。

       该芯片具有高分辨率、低功耗、测量范围广、多点测量、体积小等优点，成为传感器和处理器之间方便的桥梁，大大减轻了处理器的工作压力，本系统最多可配3个磁环，另加start脉冲的回波共4个stop脉冲，只要利用PIC16C63A单片机对TDC-GP1的控制寄存器进行设定，使其工作在大量程模式 ，TDC-GP1就自动进行测量并把结果转化为十六进制数作为输出。

3.4掉电保护电路

       考虑到在掉电的情况下需要保存该磁尺地址、磁环数、温度点数、波特率、DS18B20的代码等一些参数，本系统选用AT24C01作为掉电保护装置。

3.5温度测量电路

     为得到所测液体以及周围环境的温度，在原有模拟磁尺的基础上增加了温度测量电路，所用器件是美国 DALLAS公司生产的DS18B20。

3.6显示电路、通信电路、电源电路

    测量现场数据显示电路采用八位串行输入液晶显示模块，微处理器通过串行接口同步输入液位值，用户可在线观察液位的变化。上位机和下位机之间用RS485串行标准进行通信，采用ADM483E芯片。系统采用LM2575开关电源，效率高，输出电流可达到 1 A。

3.7信号前置处理电路

     采用带施密特触发器逻辑门、比较器及滤波电路对模拟板提供的脉冲信号进行隔离、缓冲、整形及滤波，不仅去掉了毛刺，改善了波形的上升沿及下降沿， 而且提高了模拟信号负载能力，提高了TDC的测量精度。

4.软件系统设计

上位机软件采用Visual C++6.0，下位机软件用PIC16C63A的汇编语言实现。

下位机通过串行口与上位机进行通信，下位机的通信模块，包括串行口的初始化和中断服务程序。

上位机命令格式： 8位地址码+8位命令码+8位参数值+8位异或校验码.

下位机命令格式：8位地址码+测量值+8位异或校验码.

5、信号处理

       为磁环在某静态位置的情况下，用数字示波器对原始STOP信号和START信号进行多次采样。

       磁环静止不动，不同次的采样中stop信号和start信号之间的时间差有波动，最大波动范围可达μm级，按超声波在波导丝中的传输速度2830m/s计算，磁尺本身就有mm级误差。本系统对多种滤波算法进行了仿真，选用防脉冲干扰平均值法，结果精度提高到全量程的，基于PIC16C63单片机有限的运算能力和存贮空间的限制，下位机信号处理

       为磁环在某静态位置的情况下，把在静态情况下每次采集的4组数据累加起来，然后减去最大和最小的一组，除以 所得平均值作为测量结果。

6.结束语

       在调试中遇到并解决了一些问题，PIC单片机的程序存储空间分两页，当程序足够大并同时占用两页时，往往出现程序“飞”的情况。对此，本系统采取了以下办法：当用goto和call命令访问另一页时，设置platch寄存器的第4位，并且在程序中打开“看门狗”。





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