基于單片機和FPGA的位移測量裝置的設(shè)計

陽 兵，彭立艮，王珽琦，夏敏莉

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079）

位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測、物理測量和自動控制等[1]。由于其測量精度不高，往往滿足不了社會需求，也限制了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計了一套基于單片機和FPGA的位移測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測量，同時也能夠達到較高的線性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實現(xiàn)較高精度的測量，并具有一定的實用價值。

1 整體設(shè)計方案及實現(xiàn)框圖[2]

系統(tǒng)整體實現(xiàn)框圖如圖1所示，由信號產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動變壓器，差動變壓器輸出的信號經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAX197采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測得的位移量。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 理論分析與計算

2.1 DDS信號產(chǎn)生理論分析

在系統(tǒng)時鐘頻率和相位累加器位數(shù)一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設(shè)M為所設(shè)計的相位累加器的位數(shù)，N為頻率控制字，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為

實驗中，激勵信號的頻率是100 kHz,采用的時鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數(shù)是29位。然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的信號經(jīng)一個截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩(wěn)定、連續(xù)平滑的波形。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法分析

差動變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標卡尺測量若干組位移值，測量的組數(shù)根據(jù)測量范圍以及測量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實際測量時，根據(jù)測得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線法處理得到精確的位移值。采用查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。

圖2 差動變壓器Fig.2 Differential transformer

3 單元模塊電路設(shè)計[3-5]

3.1 線性可變差動變壓器的設(shè)計

設(shè)計時應(yīng)該考慮以下兩方面因素：1）能保證銜鐵工作時不會超出線圈之外；2）差動變壓器靈敏度。當(dāng)按匝數(shù)增加時，可使靈敏度S增加，但按匝數(shù)的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線發(fā)熱的散熱情況及磁飽和等因素的約束。

綜合以上分析，線圈分為上、中、下 3段式，長度各為2 cm，中間部分線圈為初級線圈，上下兩部分為次級線圈。初、次級線圈的匝數(shù)比均為1∶1，與之配套的磁棒長度也為2 cm。此線圈在線性移動范圍內(nèi)效果較好，但是當(dāng)移動到邊緣部分時由于磁力線分散，測得非線性的數(shù)據(jù)，但通過校準后仍能達到很高的精度。

3.2 差分放大電路

選用THS4503來做差分放大電路。由于激勵信號的頻率固定為100 kHz，故在差分放大器的反饋電阻上加上電容，達到濾波與避免自激的效果。從低通濾波器輸出的信號需經(jīng)過差分放大器放大后輸出一對差分信號為變壓器的初級線圈提供電壓。電源采用±5 V雙電源供電，THS4503的2個輸出端經(jīng)2個阻值為12 Ω的隔離電阻與變壓器的初級線圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

3.3 檢波電路

圖3 差分放大電路Fig.3 Differential amplifier circuit

圖4為檢波電路。差動變壓器將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號，測量信號幅值或有效值再進行數(shù)據(jù)處理，便可得到相應(yīng)的位移值。對于有效值的檢測，選用真有效值測量芯片AD637實現(xiàn)。平均電容C1設(shè)定平均時間常數(shù)，并決定低頻準確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時間。信號經(jīng)放大后輸入到AD637進行有效值檢波，兩電位器分別進行調(diào)零和調(diào)幅，以使AD637的輸出更準確。

3.4 A/D采樣電路

鐵芯在移動的過程中，輸出的電壓值變化范圍較大，因此，接入程控放大器，先通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣，按照事先劃分的幅度帶對待處理信號進行幅度定位，然后控制放大器的檔位，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的采樣精度，從而減小測量誤差。MAX197采用的是內(nèi)部時鐘和內(nèi)部基準源，幾乎不需要外圍電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便。具體電路圖如圖5所示。

圖5 MAX197的連接電路圖Fig.5 Connection circuit of MAX197

3.5 直流電機驅(qū)動電路

采用專用芯片L298HN作為電機驅(qū)動。電機起動時需要較大的電流，為了保證電機起動時對單片機控制板的供電系統(tǒng)不至于產(chǎn)生影響而產(chǎn)生掉電現(xiàn)象，需要采用光電耦合器TLP521-2GB進行電源隔離，同時應(yīng)注意需要對L298HN的供電電壓進行去耦，以保證驅(qū)動電路的工作穩(wěn)定。電機驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路圖Fig.6 Motor drive circuit

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計[6-7]

本系統(tǒng)由單片機與FPGA共同控制實現(xiàn)，F(xiàn)PGA主要用于ADC時序的控制以及數(shù)據(jù)的運算，單片機則用來實現(xiàn)人機的交互。程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想，軟件采用模塊化設(shè)計，主程序中調(diào)用各子程序，有專門的數(shù)據(jù)處理子程序、信號發(fā)生器子程序、掃描鍵盤子程序等。除了數(shù)據(jù)運算和顯示外，本系統(tǒng)還附加了自校正功能，即通過比較兩路信號的幅值控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，最終使鐵芯停在參考零的位置。圖7為程序流程。

圖7 程序流程圖Fig.7 Flow chart of program

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

5.1 使用儀器及型號

PC 機：Intel奔騰 D，主頻：2.5 G,內(nèi)存：1 G；偉福仿真機：E51/S；直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：SG1733SB3A；雙蹤數(shù)字存儲示波器：TEKTRONIX TDS1002。

5.2 測試內(nèi)容與結(jié)果

在電路調(diào)試的過程中，針對各個模塊分別進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果效果不錯，調(diào)試數(shù)據(jù)表格省略。進行整機調(diào)試時，測量了A、B、C 3點的信號波形。其中C處的信號波形良好，無失真。A、B 2點的輸出的直流信號無紋波抖動，而且數(shù)值準確。對于位移測量，實驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。對該位移測量結(jié)果進行分析，可以看出位移測量的精度較高，最大誤差是0.5 mm，測量范圍是－20～20 mm，總體來說，整個系統(tǒng)的完成情況較好。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)測量位移范圍擴展到－20～20 mm，實際測量到自制差動變壓器的近似線性范圍約為－24～24 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測量，同時也能夠達到不錯的動態(tài)范圍，但線性度不是很好，這主要是受線圈繞制的非理想均勻、對稱以及鐵芯規(guī)格不理想等因素的限制，但通過軟件校正可大大提高位移測量的精度，而且線性度的穩(wěn)定性也會有提高。

表1 直接測試結(jié)果Tab.1 Direct test result

表2 直流電機控制測量值Tab.2 Test result of DC motor control

[1]馮永政.基于直線位移傳感器的運轉(zhuǎn)輥間閘距測量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（9）：104－105.FENG Yong-zheng.Gap measurement of running rollers based on linear displacement sensor[J].Transducer and Microsystem Technologies,2009，28（9）：104－105.

[2]沈申生.差動變壓器式位移傳感器檢測系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（3）:41－43.SHEN Shen-sheng.Study on measuring system for differential transformer type displacement sensor[J].Transducer and Microsystem Technologies,2006,25（3）:41－43.

[3]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[4]謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.

[5]李朝青.單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[7]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.