基于C8051F342的高精度US B電感測(cè)頭設(shè)計(jì)

◎范江波 楊 麗

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)電感測(cè)頭在設(shè)計(jì)和使用中調(diào)試復(fù)雜，尤其是在一個(gè)正常工作的系統(tǒng)中因?yàn)橐桓姼袦y(cè)頭故障需要更換時(shí)，需要將系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)等重新進(jìn)行修正方可使用。修正數(shù)據(jù)過(guò)程復(fù)雜且需要專業(yè)技術(shù)人員才能完成，嚴(yán)重影響了電感測(cè)頭的使用。為解決傳統(tǒng)電感測(cè)頭調(diào)試和更換難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于USB接口的高精度電感測(cè)頭，目的在于提高電感測(cè)頭在使用過(guò)程中更換的便捷性，同時(shí)提高電感測(cè)頭的通用性及測(cè)量精度。

1 系統(tǒng)分析及組成

1.1 電感測(cè)頭非線性分析

電感測(cè)頭是利用線圈的自感或互感原理來(lái)進(jìn)行微小位移量測(cè)量的一種傳感器[1]，常用的電感測(cè)頭主要有差動(dòng)電感式傳感器，這種結(jié)構(gòu)受外界影響小，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，可以有效減小測(cè)量誤差。其計(jì)算電感量的公式為：

其輸出特性如圖1所示。

圖1 差動(dòng)電感式傳感器輸出特性

從輸出特性圖中可以看出，差動(dòng)式電感傳感器線性較好，但整個(gè)輸出段并非全部線性，在設(shè)計(jì)使用時(shí)必須從其中選擇一段相對(duì)線性好的進(jìn)行測(cè)量，即使如此，在使用中仍然存在一定的非線性[2]。為了提高傳感器的測(cè)量范圍和非線性校正，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)USB接口的處理模塊，通過(guò)軟件處理，實(shí)現(xiàn)非線性校正，方便電感測(cè)頭的使用調(diào)試與更換[3]。

1.2 USB接口電感測(cè)頭系統(tǒng)組成及工作原理

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的USB接口電感測(cè)頭主要由電感測(cè)頭、USB接口及信號(hào)、數(shù)據(jù)處理和PC機(jī)的數(shù)據(jù)線性化處理組成。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 USB接口電感測(cè)頭系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)電感測(cè)頭連接到USB接口模塊的輸入端，然后將測(cè)頭固定于標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架上，USB接口模塊的USB端連接至計(jì)算機(jī)并打開(kāi)電感測(cè)頭線性校準(zhǔn)軟件，按照線性校準(zhǔn)軟件要求首先調(diào)整電感測(cè)頭及臺(tái)架位置使輸出顯示為0，然后按照軟件提示調(diào)整臺(tái)架的螺旋尺開(kāi)始線性校準(zhǔn)，提示校準(zhǔn)結(jié)束后，按照要求將相應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)SB模塊即可完成整個(gè)系統(tǒng)的線性校準(zhǔn)工作。該電感測(cè)頭即可由原來(lái)傳統(tǒng)的電感測(cè)頭轉(zhuǎn)為具有USB接口的電感測(cè)頭，在以后更換和使用過(guò)程中不再需要調(diào)試。

2 USB接口電感測(cè)頭硬件電路設(shè)計(jì)

電感測(cè)頭的硬件電路主要是完成電感測(cè)頭信號(hào)的處理并提供給計(jì)算機(jī)正確的數(shù)據(jù)。在硬件電路中一方面向電感測(cè)頭提供10KHz左右的正弦激勵(lì)信號(hào)，另一方面將電感測(cè)頭輸出的信號(hào)放大、濾波、檢波變換為直流電壓信號(hào)，利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理后通過(guò)USB口提供給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到測(cè)量微小位移量的精度。

2.1 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

硬件電路提供給電感測(cè)頭的激勵(lì)信號(hào)源對(duì)測(cè)量精度影響極大，因此要求提供的激勵(lì)信號(hào)的幅度和頻率必須穩(wěn)定，不能產(chǎn)生偏移和變化，常用的激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生電路有LC振蕩電路和文氏電橋振蕩電路，這兩種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但產(chǎn)生的正弦波信號(hào)穩(wěn)定性不好，而且調(diào)節(jié)范圍比較窄，容易受到干擾信號(hào)的影響，調(diào)試非常麻煩。在本設(shè)計(jì)中采用AD9833來(lái)完成激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生，采用25MHz的有源晶振作為AD9833的時(shí)鐘源，保證了芯片時(shí)鐘的穩(wěn)定性，也保證了AD9833產(chǎn)生的正弦波信號(hào)的頻率穩(wěn)定[4]。通過(guò)微處理器C8051F342的 P12、P13、P14連接到 AD9833的串行數(shù)據(jù)、串行時(shí)鐘、控制輸入端，利用軟件調(diào)整激勵(lì)振蕩電路輸出的正弦波信號(hào)頻率，在調(diào)試過(guò)程中可以獲取最佳激勵(lì)頻率，激勵(lì)信號(hào)振蕩電路如圖3所示。

圖3 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路

2.2 相敏檢波電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)硬件電路放大后的信號(hào)已滿足相敏檢波的要求，輸出信號(hào)可以直接加載至相敏檢波電路。相敏檢波電路采用ADG1201芯片和TL062運(yùn)放芯片完成，將比較電路產(chǎn)生的激勵(lì)脈沖波信號(hào)加到ADG1201的控制輸入端，控制D端和S端的導(dǎo)通與截止，當(dāng)控制輸入端為高電平1時(shí)，D端和S端導(dǎo)通，當(dāng)控制脈沖為低電平0時(shí)，控制D端和S端斷開(kāi)，配合運(yùn)放TL062完成相敏檢波電路，產(chǎn)生脈沖直流信號(hào)[5]。相敏檢波電路及其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 相敏檢波電路及其仿真

2.3 三階濾波電路設(shè)計(jì)

由相敏檢波電路輸出的脈沖直流信號(hào)并不能直接進(jìn)行采樣，還必須進(jìn)行直流濾波，將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)方可。在本設(shè)計(jì)中采用RC的三階濾波電路完成濾波工作。電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 三階RC濾波電路及其仿真

2.4 USB接口電路設(shè)計(jì)

微控制器采用美國(guó)Cygnal公司推出的C8051F系列單片機(jī)C8051F342，這是一款用于USB設(shè)備的小型單片機(jī)。該器件內(nèi)部集成有4352Byte RAM和64K Byte的Flash存儲(chǔ)器。該芯片具備USB接口，利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只需采用少量的外部元件即可。電路如圖6所示，電源部分提供了退耦電容C19和C20。電源指示發(fā)光二極管D1，USB接口直接利用微處理器的第4端口D+和第5端口D-連接到USB口。P0.7端口連接VCC電源端，輸入基準(zhǔn)電壓。

3 USB接口電感測(cè)頭系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件整體由單片機(jī)和計(jì)算機(jī)兩部分程序組成，軟件整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 微處理器及USB接口電路

數(shù)據(jù)采集程序主要是實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，USB的接口驅(qū)動(dòng)程序主要為單片機(jī)和計(jì)算機(jī)及其相關(guān)的檢測(cè)儀器設(shè)備提供通訊接口使用，計(jì)算機(jī)主要是通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)完成和USB接口電感測(cè)頭的數(shù)據(jù)交互以及數(shù)據(jù)線性化后的數(shù)據(jù)下傳功能，在計(jì)算機(jī)上同時(shí)提供了電感測(cè)頭校準(zhǔn)的人機(jī)界面，方便在測(cè)頭生產(chǎn)后的調(diào)試與校正，提高工作效率。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)

電感測(cè)頭硬件電路采用ADS1112模數(shù)轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該芯片是一個(gè)16位高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片，采用I2C協(xié)議寫(xiě)入，同時(shí)支持軟件模擬I2C和硬件I2C兩種方式[6]。ADS1112對(duì)于I2C的時(shí)序要求如圖8所示。

首先根據(jù)該時(shí)序圖編寫(xiě)了I2C的基本模塊程序，一是對(duì)ADS1112進(jìn)行寫(xiě)入命令，即將命令寫(xiě)入其控制寄存器。二是對(duì)ADS1112進(jìn)行讀操作，即將ADS1112數(shù)據(jù)寄存器中的16位數(shù)值讀取出來(lái)。然后利用I2C模塊程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

ADS1112的部分程序代碼如下所示：

Void RdA1112(unsigned char *RamAddress,unsigned char bytes)reentrant

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖8 ADS1112的I2C時(shí)序

圖9 上位機(jī)校準(zhǔn)軟件處理流程

{

Start();

Write8Bit(ReadDviceAddress);

TestAck();

usDelay(i2clk);

while(bytes!=1)

{

*RamAddress=Read8Bit();

Ack();

RamAddress++;

bytes--;

}

*RamAddress=Read8Bit();

NoAck();

Stop();

}

3.3 USB通訊接口程序設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)便于同上位機(jī)通訊，系統(tǒng)采用了Silicon Laboratories的USBXpress平臺(tái)方案，使程序難度大大降低，不需要了解更多的USB協(xié)議即可進(jìn)行USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)。USBXpress軟件包包含了固件庫(kù)文件USBX_F34X.LIB、頭文件USB_API.H、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件（dll）SiUS-BXp.Dll、驅(qū)動(dòng)程序 SiUSBXp.sys、INF驅(qū)動(dòng)安裝文件SiUSBXp.inf等[7]。系統(tǒng)直接將測(cè)頭作為USB設(shè)備訪問(wèn)，單片機(jī)直接通過(guò)調(diào)用USBXpress的硬件函數(shù)庫(kù)完成同上位機(jī)的通訊，將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)；同時(shí)在標(biāo)定和參數(shù)設(shè)置時(shí)上位機(jī)將參數(shù)模型寫(xiě)入到MCU的FlashROM中。

在下位機(jī)的單片機(jī)中直接調(diào)用USB庫(kù)，并在開(kāi)始進(jìn)行初始化，

//InitUSB clock *before* calling USB_Init

USB_Clock_Start();

USB_Init(USB_VID,USB_PID,USB_MfrStr,USB_ProductStr,USB_SerialStr,USB_MaxPower,USB_PwAttributes,USB_bcdDevice);

USB_Int_Enable();

3.4 PC測(cè)頭校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)部分的校準(zhǔn)軟件的具體處理過(guò)程如下：

1）通過(guò)運(yùn)行標(biāo)定軟件建立測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)；

2）對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，過(guò)程如下：

a）按測(cè)量的先后順序記錄下各個(gè)測(cè)量值；b）計(jì)算算術(shù)平均值；c）計(jì)算殘余誤差；

d）校核算術(shù)平均值及殘余誤差；e）判斷是否有粗大誤差，若有，剔除；

f）計(jì)算單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差；g）計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差：

h）計(jì)算算術(shù)平均值的極限誤差；i）列出測(cè)量結(jié)果。

3）程序調(diào)用Matlab的多項(xiàng)式擬合函數(shù) “polyfit(x,y,n)”，建立測(cè)頭的數(shù)學(xué)模型；

4）分析測(cè)量偏差，將模型存入測(cè)頭。

測(cè)量校準(zhǔn)流程圖如圖9所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析與處理

測(cè)試硬件連接如圖10所示。

圖10 USB電感測(cè)頭系統(tǒng)測(cè)試

USB接口電感測(cè)頭進(jìn)行實(shí)際連接調(diào)試，將電感測(cè)頭安裝在測(cè)試臺(tái)架上，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)USB接口電感測(cè)頭的各個(gè)部分電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用臺(tái)架為中原量?jī)x生產(chǎn)的BCT-EC型號(hào)臺(tái)架，測(cè)試用示波器為美國(guó)Tek示波器，型號(hào)為T(mén)BS1102。

利用示波器測(cè)試電感測(cè)頭的激勵(lì)信號(hào)如圖11所示。利用示波器測(cè)試的相敏檢波后波形如圖12所示。從測(cè)量波形分析，該電路實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，能夠完成設(shè)計(jì)的功能。

圖11 激勵(lì)信號(hào)實(shí)測(cè)波形

圖12 電感測(cè)頭輸出信號(hào)檢波后波形

最終利用電感測(cè)頭及校準(zhǔn)軟件校準(zhǔn)后的測(cè)量結(jié)果如表1所示。對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和系數(shù)標(biāo)定后，可以看到整體線性度較好，只需對(duì)各個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)段進(jìn)行標(biāo)定后即可完全滿足系統(tǒng)測(cè)試需求。在標(biāo)定結(jié)束后，將線性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)SB接口模塊后，再次多次重復(fù)對(duì)非標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果如表2所示，測(cè)量的結(jié)果的最大重復(fù)性誤差不大于0.3um。該產(chǎn)品可以正常使用于企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)線用于檢測(cè)。

表1USB接口電感測(cè)頭校準(zhǔn)AD測(cè)量結(jié)果

表2 標(biāo)定后USB接口電感測(cè)頭測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)本項(xiàng)目的研究，設(shè)計(jì)完成一種新型高精度USB接口電感測(cè)頭，該測(cè)頭可通過(guò)USB接口直接連接到PC機(jī)。PC機(jī)可以直接獲取測(cè)頭測(cè)量值，同時(shí)也可以校正測(cè)頭，最大重復(fù)誤差不大于0.3um。通過(guò)本產(chǎn)品可以減少測(cè)頭的生產(chǎn)、調(diào)試時(shí)間，在提高電感測(cè)頭測(cè)量精度和通用性方面有著重要意義。

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