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(duì)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(cè)桿)，磁致伸縮線(波導(dǎo)絲)、可移動(dòng)的浮球(磁環(huán))和電子測(cè)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(dòng)。電路單元集成在傳感器頭部的套管內(nèi)。

電子測(cè)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(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)。在探測(cè)桿外配置的活動(dòng)磁環(huán)上同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)電流磁場(chǎng)與磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，兩磁場(chǎng)矢量疊加，形成螺旋磁場(chǎng)，產(chǎn)生瞬時(shí)扭力，使波導(dǎo)線扭動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)“扭曲”脈沖，或稱“返回”脈沖。這個(gè)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(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測(cè)位移量。由于磁尺輸出的電流脈沖信號(hào)是一個(gè)絕對(duì)位置的輸出量，而不是比例放大信號(hào)，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(cè)量。由電子測(cè)量裝置探測(cè)到多個(gè)終止脈沖信號(hào)，分別計(jì)算出它們與起始脈沖的時(shí)間差，由此計(jì)算出的位移值可同時(shí)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(cè)裝置控制，可隨時(shí)檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)組成

新型電子測(cè)量系統(tǒng)基于AT89C51和TDC?GP1，采用TDC?GP1直接采集start和stop兩個(gè)脈沖信號(hào)，將這兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給AT89C51，由AT89C51對(duì)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(cè)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(shí)間測(cè)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(gè)測(cè)量電路發(fā)出測(cè)量液位(位移)或者溫度的命令；接收測(cè)量脈沖時(shí)間電路的測(cè)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(cè)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(wú)需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)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(gè)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(hào)線。利用MAX707芯片的看門狗電路在出現(xiàn)干擾時(shí)使計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(hào)整形后送脈沖時(shí)間測(cè)量電路。?

2.4脈沖時(shí)間測(cè)量電路

采用德國(guó)acam公司的TDC?GP1芯片作為脈沖時(shí)間測(cè)量電路的核心芯片。TDC-GP1是一種通用的兩通道時(shí)間-數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。它有8個(gè)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(shí)，TDC?GP1的兩個(gè)通道都是由start脈沖的邊沿觸發(fā)的，每個(gè)獨(dú)立的通道可以檢測(cè)到四個(gè)采樣值，這些采樣值與start脈沖的時(shí)間被存儲(chǔ)到各個(gè)通道的采樣寄存器中。在start信號(hào)和第一個(gè)stop信號(hào)之間，有一個(gè)3ns空載的時(shí)間，在這個(gè)范圍內(nèi)，開始的stop信號(hào)被忽略，所以start信號(hào)和第一個(gè)stop信號(hào)之間的最小值應(yīng)為3ns(即t1＞3ns)。在同一個(gè)通道的stop信號(hào)之間，也有15ns的空載時(shí)間(即t2＞15ns)，所以太靠近的stop信號(hào)也會(huì)被忽略。而在兩個(gè)不同通道的stop信號(hào)之間則沒有最小時(shí)間的限制。所有的stop信號(hào)在start信號(hào)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(shí)，可以測(cè)量更大的時(shí)間間隔。在這個(gè)模式中，測(cè)量的start信號(hào)和接下來(lái)的一個(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)的正跳沿之間的時(shí)間設(shè)定為FC1，出現(xiàn)第一個(gè)正跳沿后計(jì)時(shí)器被觸發(fā)，TDC記錄下經(jīng)過的時(shí)鐘周期數(shù)；當(dāng)有一個(gè)stop信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)，開始新一輪的計(jì)時(shí)。stop信號(hào)和接下來(lái)的一個(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)的正跳沿之間的測(cè)量的時(shí)間為FC2。在stop信號(hào)之后將測(cè)量一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期(Cal2-Cal1)，它用于與(FC1-FC2)比較得出一個(gè)小于半周期時(shí)間的值，最后加上預(yù)先測(cè)量得到的幾個(gè)完整的周期時(shí)間即算出start信號(hào)與stop信號(hào)時(shí)間間隔，時(shí)間計(jì)算式如式(1)。其后的stop信號(hào)也同樣處理。?

式中，period為時(shí)鐘信號(hào)的周期時(shí)間；CC為預(yù)先測(cè)量的時(shí)鐘周期數(shù)。

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

TDC?GP1的另一個(gè)工作模式為分辨率調(diào)節(jié)模式。這個(gè)模式能夠使裝置精確調(diào)整它本身的晶振使兩個(gè)通道同步。裝置分辨率由軟件按比例調(diào)整。在這個(gè)模式中，分辨率不依賴裝置，不受溫度影響而能保持長(zhǎng)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(cè)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(shí)間測(cè)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(gè) 11.0592MHz的晶振。在一個(gè)通道中分別測(cè)量出三組stop信號(hào)與start信號(hào)的時(shí)間間隔，然后存儲(chǔ)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(cè)時(shí)子程序，測(cè)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(lái)的時(shí)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(cè)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(duì)定時(shí)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(qǐng)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(yǔ)

數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)與模擬測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量，在一根測(cè)桿上可套三個(gè)磁環(huán)，同時(shí)測(cè)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(shí)間測(cè)量電路的核心芯片，測(cè)量精度大大提高。TDC?GP1測(cè)量的最大時(shí)間間隔200ms，典型分辨率125ps，磁尺的最大量程可達(dá)5米，測(cè)量精度可以達(dá)到微米級(jí)。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(cè)量、控制以及液罐的液位測(cè)量中。

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