PSoC微控制器與LVDT在位置測(cè)量中的應(yīng)用

廉價(jià)的復(fù)合信號(hào)處理器消除了外部模擬電路。

將一個(gè)LVDT(線性可變差分變壓器)連接到微控制器是有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)長(zhǎng)VDT需要交流輸入激勵(lì)和交流輸出的測(cè)量，以確定其可移動(dòng)核的位置(參考文獻(xiàn)1)。多數(shù)微控制器都缺乏專用交流信號(hào)生成與處理能力，因此需要外部電路產(chǎn)生任意諧波、波幅與穩(wěn)定頻率的正弦波信號(hào)。LVDT輸出信號(hào)的波幅與相位轉(zhuǎn)換成與微控制器內(nèi)部ADC兼容的形式，一般需要添加外部電路。

與傳統(tǒng)微控制器相比，Cypress半導(dǎo)體公司的PSoC微控制器含有用戶可配置的邏輯和模擬模塊，簡(jiǎn)化交流信號(hào)的生成與測(cè)量。PSoC器件具有無需連續(xù)CPU的干預(yù)就能生成模擬信號(hào)的獨(dú)特功能。PSoC靈活的模擬與數(shù)字模塊可以驅(qū)動(dòng)一支LVDT，并無需外部電路就可以測(cè)量其輸出。圖1顯示的是LVDT接口的完整電路，圖2顯示的是PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖。

圖1 LVDT接口的完整電路

圖2 PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖

PSoC采用多對(duì)用戶可配置的開關(guān)電容器模塊，實(shí)現(xiàn)帶通和低通濾波器。通過生成方波，并通過建立在首個(gè)開關(guān)電容器模塊中的穩(wěn)壓器，加在PSoC開關(guān)電容濾波器上，從而創(chuàng)建高質(zhì)量正弦波。通過一個(gè)中心位于方波基頻的窄帶帶通濾波器，方波可以去除絕大多數(shù)諧波。

為從PSoC開關(guān)電容帶通濾波器產(chǎn)生最高保真度的正弦波，要使用盡可能高的過采樣速率，因數(shù)約為33，即每個(gè)正弦波周期33階。合成的正弦波足夠平滑到足以驅(qū)動(dòng)能衰減殘余更高諧波的LVDT。用可編程增益放大器調(diào)整PSoC的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，可以在濾波前對(duì)方波幅度作粗略的控制。為補(bǔ)償波形直流偏置電壓，放大器對(duì)2.6V內(nèi)部模擬地基準(zhǔn)進(jìn)行緩沖，并驅(qū)動(dòng)用作LVDT模擬地回路的輸出管腳。

LVDT輸出由幅度可變的正弦波電壓組成，其相對(duì)于正弦波激勵(lì)電壓的相位角要經(jīng)受一個(gè)相當(dāng)大的可變移位，有時(shí)相移會(huì)超過180。LVDT的信號(hào)驅(qū)動(dòng)PSoC的可編程增益放大器，其輸出送至開關(guān)電容低通濾波器，跟隨一個(gè)用于同步整流的穩(wěn)壓器。整流后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)一輸出管腳，以及PSoC的開關(guān)電容ADC。

將LVDT輸出加在同步穩(wěn)壓器上，跟隨一個(gè)低通濾波器，產(chǎn)生直流電壓送至ADC或直接驅(qū)動(dòng)模擬反饋控制系統(tǒng)。在PSoC微控制器中，連接到ADC的低通開關(guān)電容濾波器需要相同的采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)電路，導(dǎo)致PsoC的11位Δ-S ADC的轉(zhuǎn)換速率大約是低通濾波器角頻率的一半。同步穩(wěn)壓產(chǎn)生兩倍激勵(lì)頻率紋波頻率，因此更容易被低通濾波器去除。將、重新設(shè)計(jì)低通濾波器的角頻率為激勵(lì)頻率的三分之一，就可以在等于或低于1 LSB(最低有效位)標(biāo)準(zhǔn)差下，使LVDT輸出的測(cè)量達(dá)到11位分辨率。

用配置為計(jì)數(shù)器鏈的邏輯電路塊將PsoC的24MHz內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，產(chǎn)生開關(guān)電容器模擬電路模塊所需的數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)。在加電或復(fù)位后，PSoC的CPU配置所有可配置的模擬和數(shù)字電路模塊，并開始運(yùn)行。從那以后，硬件便能夠激勵(lì)LVDT，并無需CPU參與的情況下，以每秒500次采樣速率測(cè)量其輸出。當(dāng)PSoC CPU運(yùn)行在12MHz時(shí)，處理ADC內(nèi)部動(dòng)作和中斷只消耗CPU不到3%的資源。

大量PSoC資源仍可用于計(jì)算LVDT位置，以及在LCD模塊上以文本形式顯示結(jié)果。四個(gè)模擬電路模塊、五個(gè)邏輯電路模塊和很多I/O管腳都可用于支持更高要求的應(yīng)用。圖3顯示了可用于附加功能的可配置模塊。

圖3 可用于附加功能的可配置模塊