TDC2GP2在磁致伸缩传感器中的应用

TDC2GP2在磁致伸缩传感器中的应用
作者：无





       磁致伸缩传感器经常应用于恶劣工业环境 ,能够对石油等液位进行精确测量。由于其不受油渍和尘埃等环境的影响 ,浮子与敏感材料非接触 ,从而大大延长了工作寿命 ;传感器输出绝对位置 ,断电后无需重新标定。磁致伸缩传感器的测量精度主要由前端信号处理和时间测量这两个电路决定。传统的时间测量方式难以达到纳秒级的精度 ,因而无法保证测量结果的精度。本文着重介绍了新型芯片 TDC2GP2在磁致伸缩传感器中的应用 ,有效解决了脉冲时差测量精度不高的问题。

1　传感器原理

       稀土合金材料在外力磁场交互作用下会发生“磁致伸缩 ”现象。当浮子的磁场与激励脉冲的磁场交叠时会产生应变脉冲 ,脉冲以一定的速度在波导丝上传播 ,经信号处理电路后可得到起始脉冲和停止脉冲 ,两者之间的时间差即为激励脉冲在波导丝上的传播时间。

       传感器位移计算公式为 :S = v ×tn式中 : S 为浮子相对位移; v为感应脉冲在波导丝上的传播速度; tn为激励脉冲和第 n个浮子产生的激励脉冲时间差。而对于特定环境下的测量 , 感应脉冲传播速度恒定 ,此时只要能精确测出两脉冲之间的时间差 ,就可以精确地计算出浮子的位置。目前 ,国外磁致伸缩传感器的分辨率已经达到小于 1μm的水平 ,因而可以推算出其时间间隔测量必须精确到纳秒级。若采用传统的计时方式 ,测量晶振频率就要达到 GHz的范围。目前 ,市场上的振荡器很少能达到如此高的频率 ,且稳定性也不理想。对此 ,本文利用高精度测时芯片 TDC2GP2有效解决了这一难题。

2　TDC2GP2时间测量

2. 1TDC2GP2时间测量原理

       TDC2GP2是 ACAM公司通用 TDC系列的新一代产品 ,其时间分辨率可达 50 p s,远远超过了目前磁致伸缩传感器对时间测量精度的要求。TDC2GP2 可进行三次采样 ,平均电流消耗为 15μA,测量范围为 500 ns～4 m s,满足一般场合下传感器测量范围的要求。芯片内部提供了精确的停止脉冲使能窗口 ,并具有高速脉冲发生器、温度测量和时钟控制等功能 ,这使得它在低成本、低功耗的精确时间测量方面有着广阔的应用前景。

       TDC2GP2是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方法使芯片能够精确地记录信号通过门电路的个数。芯片测量时间的精度由内部门电路的传播延迟时间决定。

       TDC2GP2芯片采用前置适配器来扩展时间测量范围 ,并且能够保持分辨率不变。TDC2GP2的高速单元并不测量整个时间间隔 ,而是仅仅测量起始脉冲和停止脉冲到相邻的基准时钟上升沿的时间间隔。

        HIT1 和 HIT2 为 TDC2GP2 在相应区域间内测得的通过的门电路个数 ,并记录在内部寄存器中 ; CC为基准时钟在相应区间内测量而得到的时间。在测量过程中 ,必须对 TDC2GP2进行内部校准 ,即记录在一个和两个基准时钟周期内通过的门电路个数 ,用Cal1 和 Cal2 来表示。

2. 2　TDC2GP2的硬件设计

       系统采用 ATmega128 作为磁致伸缩传感器的MCU,其价格低廉 ,具有丰富的内部资源 ,使用方便。单片机通过 SP I接口与 TDC2GP2 通信。TDC2GP2 核心电压为 1. 8～3. 6 V,必须由电池或固定的线性电压调节器供电。稳定的供电电源是获得良好测量结果的基本保证 ,并且要求电源具有高电容性和低电感性 ,从而保证测量结果的可靠性。本设计采用 3. 3 V的线性电源供电。在硬件设计中 ,印刷电路板 ( PCB)布线要注意对电源进行滤波和去耦。本文使用 10μF和 0. 1μF的电容对进入数字部分的电源进行滤波 ,并使用 0. 1μF的电容对芯片和电源进行去耦 ,去耦电容要尽可能放在靠近 TDC2GP2的地方。TDC2GP2硬件连接电路 4 MHz晶振作为 TDC2GP2的基准时钟和芯片的粗计数器 ; 32. 768 kHz晶振作为 TDC2GP2的校准时钟。测量前必须对基准时钟进行校准。TDC2GP2从校准时钟引出 Start和 Stop脉冲 ,启动 TDC2GP2单元测量时差 ,结果存储在结果寄存器中 ,并对中断标志位置位。微处理器可以计算出基准时钟的频率误差。

       测量过程中 , RSTN为 TDC2GP2复位引脚 ,测量前要确保其有一个不小于 50 ns的低电平 ,否则会导致测量不正常。Start端接收到脉冲之后开始计时 , Stop1端接收到指定脉冲次数后停止计时 ,并使能中断 ,通知MCU读取数据。

2. 3　TDC2GP2时间测量软件设计

       系统采用 ATmega128 对磁致伸缩传感器进行控制和数据处理 ,其中对 TDC2GP2芯片的设置和结果的读取为整个软件的关键部分。 TDC2GP2 测量结果有八位有效数字 ,为保证测量结果精度 ,需使用双浮点型来表示。本设计中采用支持双浮点运算的编译器IAR2AVR来编写程序。TDC2GP2时间测量流程如图 4所示。软件设计首先要对单片机端口和 SP I工作方式初始化 ,主要包括初始化 PD4、PD0 端口作为输出和中断输入 , SP I为 Model1 工作方式 ,在每次读写序列之间SSN至少保持 50 ns高电平。每次对 TDC2GP2初始化之前要对 TDC2GP2进行复位 ,且先进行硬件复位 ,再进行软件复位 ,硬件复位持续时间必须大于 50 ns。然后根据测量模式对 TDC2GP2 内部写寄存器 Reg0 ～Reg5进行初始化 ,此时 ,要注意关闭移向单元和噪声单元 ,否则会导致测量失败 ;同时也不能对芯片进行连续读写操作 ,每个寄存器必须进行单独寻址。读操作前要先发送操作码 ,在发送操作码之后的第一个时钟上升沿 , TDC2GP2发送指定地址的最高位到 SO输出。本文采用高精度和高稳定性的 32. 768 kHz时钟对基准时钟和内部 TDC 进行校准。在写寄存器中设置TDC内部自动校准 ,并设定标定基准时钟的周期数 n。启动校准后 , TDC内部 ALU自动计算 32. 768 kHz时钟的 n个周期与实际基准时钟单个周期的比值 ,结果存储在结果寄存器中。计算公式如式 (4)所示 :RES _x = ( n ×T32. 768 kHz ) /Tref (4)单片机通过 SPI总线读取 TDC校准值后 ,通过式 (5)计算修正因子 CAL。T32. 768 kHz为校准时钟的周期值 ; Ttheor为基准时钟的理论周期值。TDC2GP2 测量的时间要乘以校准因子 CAL来修正。

3　滤波算法与调试结果

3. 1　数字滤波算法

       为了防止环境干扰对 TDC2GP2测量结果精度的影响 ,采用数字滤波来提高传感器的稳定性。经仿真比较 ,本设计选用了防脉冲干扰平均滤波法 ,其稳定性更高。图 5中 : N 为数组的元素个数; Xn为第 n次的测量数据; sum 为数组元素值的和。该算法剔除了 N 次测量数据中的极大值和极小值 , 并对余下的数据取平均后作为结果输出。这样既能抑制随机干扰 , 也能防止较大脉冲波动对测量结果带来的影响 , 从而提高了磁致伸缩传感器的稳定性和重复性。

3.2调试结果

       大量测试结果表明 , TDC2GP2在磁致伸缩传感器测量所得到的数据能够满足要求。在量程为 1 m的传感器中 ,在量程范围内的两端点位置及中间点位置做定点测量 ,实测时间数据可知 ,磁致伸缩传感器在定点测量的时间值的最大偏差不超过 10 ns,标准偏差不超过 3 ns。

4　结束语

       TDC2GP2具有高精度、低功耗和封装小等特点 ,适合于低成本的磁致伸缩传感器领域 ;具有三次采样能力 ,可同时测量三层液位 ,极大地方便了工业领域的应用。本设计解决了磁致伸缩传感器中时间测量模块精度不高的问题 ,远远超过了国外磁致伸缩传感器最高分辨率对时间测量模块的要求 ,做到了精度无损测量 ,为传感器位移精度的提高打下了良好的基础 ,具有广阔的发展前景。







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