基于單片機(jī)和TDC的磁尺數(shù)字化技術(shù)研究

本文介紹一種利用89C51單片機(jī)及TDC-GP1芯片對現(xiàn)有的磁致伸縮傳感器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造，開發(fā)出的新型磁致伸縮線性位移(液位)傳感器。

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1結(jié)構(gòu)及工作原理

該數(shù)字化磁尺由不導(dǎo)磁的不銹鋼(探測桿)，磁致伸縮線(波導(dǎo)絲)、可移動的浮球(磁環(huán))和電子測量裝置等部分組成。波導(dǎo)絲被安裝在不銹鋼管內(nèi)，經(jīng)擠壓和熱處理后仍保持電磁特性，磁環(huán)在不銹鋼管外側(cè)可自由滑動。電路單元集成在傳感器頭部的套管內(nèi)。

電子測量裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖(即start脈沖)并沿波導(dǎo)絲傳播，產(chǎn)生一個環(huán)形的磁場。在探測桿外配置的活動磁環(huán)上同時產(chǎn)生一個磁場。當(dāng)電流磁場與磁環(huán)磁場相遇時，兩磁場矢量疊加，形成螺旋磁場，產(chǎn)生瞬時扭力，使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生一個“扭曲”脈沖，或稱“返回”脈沖。這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回，在電子裝置的線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖(即stop脈沖)，通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測位移量。由于磁尺輸出的電流脈沖信號是一個絕對位置的輸出量，而不是比例放大信號，所以不存在漂移，因此，出廠前標(biāo)定后不需要像其他傳感器一樣定期重新標(biāo)定和維護(hù)。

新型數(shù)字化磁尺上可以進(jìn)行多磁環(huán)測量。由電子測量裝置探測到多個終止脈沖信號，分別計(jì)算出它們與起始脈沖的時間差，由此計(jì)算出的位移值可同時在上位機(jī)的圖形界面上顯示。另外，數(shù)字化磁尺上還裝有溫度傳感器，也由傳感器頭部的電子檢測裝置控制，可隨時檢測環(huán)境溫度。其工作原理圖見圖1。?

2數(shù)字化改造的硬件設(shè)計(jì)?

2.1電子測量系統(tǒng)組成

新型電子測量系統(tǒng)基于AT89C51和TDC?GP1，采用TDC?GP1直接采集start和stop兩個脈沖信號，將這兩個脈沖信號的時間間隔直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給AT89C51，由AT89C51對其進(jìn)行處理，計(jì)算出精確的位移值，最后將數(shù)據(jù)送液晶顯示屏或PC機(jī)。

電子測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由CPU控制及通訊電路、脈沖發(fā)生及接收電路、脈沖時間測量電路組成。電路板內(nèi)置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接，使新型數(shù)字化磁尺更加穩(wěn)定可靠。?

2.2CPU控制及通訊電路

其作用為：向各個測量電路發(fā)出測量液位(位移)或者溫度的命令；接收測量脈沖時間電路的測量數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)濾波；精確計(jì)算液位值(位移值)；將測量結(jié)果送通訊電路。

系統(tǒng)中采用ATMEL公司8位微處理計(jì)算機(jī)芯片AT89C51作為主控CPU，主頻11.0592MHz，片內(nèi)還有4KB的EEPROM和128KB的 RAM，所以無需擴(kuò)展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，簡化了電路設(shè)計(jì)，且使系統(tǒng)的可靠性提高，功能更強(qiáng)大。在4個I/O口中，P0、P2口的 P2.0～P2.3作為12位數(shù)據(jù)口，P1、P3口各引腳用于管理其他各芯片的控制線或信號線。利用MAX707芯片的看門狗電路在出現(xiàn)干擾時使計(jì)算機(jī)自動復(fù)位。

MAX489/491作為通訊芯片可與上位機(jī)直接通訊，也可送顯示儀表直接顯示。

2.3脈沖發(fā)生及接收電路

作用：發(fā)送波導(dǎo)脈沖，并接收扭曲脈沖。它包括波導(dǎo)電流脈沖發(fā)生器，應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器。信號整形后送脈沖時間測量電路。?

2.4脈沖時間測量電路

采用德國acam公司的TDC?GP1芯片作為脈沖時間測量電路的核心芯片。TDC-GP1是一種通用的兩通道時間-數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器。它有8個控制寄存器，通過編程可實(shí)現(xiàn)TDC-GP1的多種操作模式：普通模式，擴(kuò)展模式，分辨率調(diào)節(jié)模式。

工作在普通模式時，TDC?GP1的兩個通道都是由start脈沖的邊沿觸發(fā)的，每個獨(dú)立的通道可以檢測到四個采樣值，這些采樣值與start脈沖的時間被存儲到各個通道的采樣寄存器中。在start信號和第一個stop信號之間，有一個3ns空載的時間，在這個范圍內(nèi)，開始的stop信號被忽略，所以start信號和第一個stop信號之間的最小值應(yīng)為3ns(即t1＞3ns)。在同一個通道的stop信號之間，也有15ns的空載時間(即t2＞15ns)，所以太靠近的stop信號也會被忽略。而在兩個不同通道的stop信號之間則沒有最小時間的限制。所有的stop信號在start信號之后都不能超過7.6μs的最大值(即t4＜7.6μs)。其工作模式如圖3所示。

工作在擴(kuò)展模式時，可以測量更大的時間間隔。在這個模式中，測量的start信號和接下來的一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設(shè)定為FC1，出現(xiàn)第一個正跳沿后計(jì)時器被觸發(fā)，TDC記錄下經(jīng)過的時鐘周期數(shù)；當(dāng)有一個stop信號被檢測到時，開始新一輪的計(jì)時。stop信號和接下來的一個參考時鐘信號的正跳沿之間的測量的時間為FC2。在stop信號之后將測量一個校準(zhǔn)時鐘周期(Cal2-Cal1)，它用于與(FC1-FC2)比較得出一個小于半周期時間的值，最后加上預(yù)先測量得到的幾個完整的周期時間即算出start信號與stop信號時間間隔，時間計(jì)算式如式(1)。其后的stop信號也同樣處理。?

式中，period為時鐘信號的周期時間；CC為預(yù)先測量的時鐘周期數(shù)。

在這種模式下，可以處理超過100ms的時間間隔。start信號和stop信號之間，兩個不同通道的stop信號之間至少要大于2個時鐘周期，所有的stop信號之間不應(yīng)超過2??16?倍的時鐘周期。所以，最大的測量范圍不超過200ms。工作模式如圖4所示。

TDC?GP1的另一個工作模式為分辨率調(diào)節(jié)模式。這個模式能夠使裝置精確調(diào)整它本身的晶振使兩個通道同步。裝置分辨率由軟件按比例調(diào)整。在這個模式中，分辨率不依賴裝置，不受溫度影響而能保持長期的穩(wěn)定。分辨率的調(diào)整范圍能達(dá)到-50％～+10％。通常該模式工作在一高分辨率模式下，這樣可使芯片的測量范圍得到擴(kuò)展。

在數(shù)字化磁尺的開發(fā)過程中，使用TDC?GP1作為脈沖時間測量電路的核心芯片，設(shè)定該芯片工作在擴(kuò)展模式下，與AT89C51共用一個 11.0592MHz的晶振。在一個通道中分別測量出三組stop信號與start信號的時間間隔，然后存儲到該通道的采樣寄存器中，由AT89C51讀取。?

3數(shù)字化改造的軟件設(shè)計(jì)

AT89C51單片機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于移植和調(diào)試。主要有主程序，測時子程序，測溫子程序，濾波子程序，發(fā)送子程序等功能模塊。主程序流程如圖5所示。?

單片機(jī)主程序首先進(jìn)行初始化，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，從AT2401中讀出各參數(shù)值，等待用戶輸入的命令，用戶通過上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)出讀液面值(位移值)或溫度值命令，單片機(jī)將TDC送來的時間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后經(jīng)過濾波處理得出用戶要求的測量值，以16進(jìn)制數(shù)的形式送回上位機(jī)顯示。

單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用中斷方式，單片機(jī)的通訊模塊包括主程序和中斷服務(wù)子程序。通訊協(xié)議約定為：通信波特率為9600，1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位奇偶校驗(yàn)位。在主程序中對定時計(jì)數(shù)器T0、T1做設(shè)定(設(shè)定串行接口)；打開所有中斷進(jìn)行空循環(huán)。一旦發(fā)生中斷請求，單片機(jī)立即響應(yīng)，轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，作相應(yīng)的處理。?

4結(jié)束語

數(shù)字測量系統(tǒng)與模擬測量系統(tǒng)比，主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)參數(shù)穩(wěn)定性好。數(shù)字系統(tǒng)的工作以數(shù)字量運(yùn)算方式完成，克服了模擬系統(tǒng)的溫漂問題；(2)硬件統(tǒng)一性好。數(shù)字系統(tǒng)硬件模塊化，在硬件不變的情況下，只須更改軟件就能實(shí)現(xiàn)不同測量目的和要求，而模塊化軟件又為其提供了良好手段；(3)可靠性高。數(shù)字系統(tǒng)采用高性能的專用芯片，其可靠性指標(biāo)比分立元件的模擬系統(tǒng)高許多；(5)參數(shù)直觀準(zhǔn)確。量化后的參數(shù)可通過上位機(jī)直接輸入，具有直觀準(zhǔn)確的特點(diǎn)，特別是對一些極限參數(shù)的調(diào)整。

經(jīng)過數(shù)字化改造后的磁尺可實(shí)現(xiàn)多磁環(huán)測量，在一根測桿上可套三個磁環(huán)，同時測量不同的位移，用途更加廣泛；由于采用了高性能的TDC?GP1芯片作為脈沖時間測量電路的核心芯片，測量精度大大提高。TDC?GP1測量的最大時間間隔200ms，典型分辨率125ps，磁尺的最大量程可達(dá)5米，測量精度可以達(dá)到微米級。這種新型的數(shù)字化磁尺原理新穎、精度高、結(jié)構(gòu)精巧、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，因而，可以用于高精度機(jī)械位移測量、控制以及液罐的液位測量中。

參考文獻(xiàn)
［1］ 孫涵芳，徐愛卿.MCS?51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，1988.
［2］ 江克平，茅及愚，徐國華.磁致伸縮線性位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械與電子，2003，(3).
［3］ 葉明超.單片機(jī)在磁致伸縮線性位移傳感器中的應(yīng)用［J］.江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，(4).
［4］ 侯自林.過程控制與自動化儀表［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
［5］ 陳光東.單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口設(shè)計(jì)(第二版)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.?