基于ADC的高精度位移傳感器

孫輝 劉明強(qiáng) 胡紅林 劉進(jìn) 田宇

摘 ?要：本文基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172研究高精度位移傳感器的電橋測(cè)量方法，這個(gè)方法是利用惠斯通電橋兩端電阻平衡的原理，平衡的兩端加入一截電阻絲，滑動(dòng)電阻絲上端的測(cè)量桿會(huì)造成電橋兩邊電阻的變化，從而使電阻絲兩端電壓差值的變化，換算出滑動(dòng)測(cè)量桿移動(dòng)的距離。通過(guò)配置模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172不同的采樣速率及工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋兩邊電壓差值的數(shù)據(jù)采樣，主控芯片STM32F103C8T6通過(guò)SPI接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)通信，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度傳感器研究。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172;惠斯通電橋;上位機(jī);STM32F103C8T6;SPI

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種位移傳感器更迭換代的速度不斷加快，原先的一些位移傳感器的測(cè)量精度已經(jīng)滿足不了很多工業(yè)上的需求，因此研究更高精度的位移傳感器一直是人們所追求的。截止目前，位移傳感器已經(jīng)在生活中隨處可見(jiàn)了，在生活和工業(yè)上，位移傳感器起著不可或缺的作用。各種類型的傳感器有著各自有優(yōu)點(diǎn)，能夠在不同領(lǐng)域發(fā)揮自己的最大價(jià)值。因此在選擇使用時(shí)應(yīng)該根據(jù)使用測(cè)量是什么來(lái)選擇相應(yīng)的測(cè)量工具，以減少使用時(shí)工具及外界帶來(lái)的干擾，本文主要是對(duì)電阻應(yīng)變式位移傳感器進(jìn)行研究。

1 惠斯通電橋的測(cè)量原理

電阻應(yīng)變式位移傳感器主要是利用電阻阻值的變化來(lái)達(dá)到測(cè)量的要求，而惠斯通電橋電路是一種可以用來(lái)測(cè)量電阻電阻變化的電路，由四個(gè)阻值一樣的電阻和若干導(dǎo)線相連接組成，電橋?qū)α啥送饨与娫?，另外兩端的阻值是處于平衡狀態(tài)，此時(shí)引入一截特殊電阻絲作為附加電阻，此處選用的是鎳鉻絲，測(cè)量桿滑動(dòng)到鎳鉻絲不同位置會(huì)引入不同的電阻，每個(gè)時(shí)刻等于引入一個(gè)電阻，電流不變，同一導(dǎo)線的阻值發(fā)生變化，導(dǎo)線兩端的電壓也會(huì)隨之發(fā)生變化，這體現(xiàn)了金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)[1]，利用這一關(guān)系能夠精確測(cè)量電阻。

此次電橋使用的四個(gè)電阻阻值皆為75 Ω，A+和A-兩端的阻值恒定為75Ω，當(dāng)滑動(dòng)測(cè)量桿時(shí)，引入的附加電阻為變化的R，此時(shí)A+和A-兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化。設(shè)有一段長(zhǎng)L，截面積A，電阻率ρ的金屬絲，其原始阻值為：

"R=ρ" ?L/A

式中：R為金屬絲的原始電阻（Ω）;ρ為金屬絲的電阻率（Ω·m），屬于鎳鉻絲本身自帶屬性;L為金屬絲的長(zhǎng)度（m），A為金屬絲的橫截面積（m2），A=πr2，r為金屬絲的半徑[2]。附加電阻是選用直徑0.4 mm的鎳鉻絲代替，因?yàn)闄M截面恒定，單位長(zhǎng)度內(nèi)，鎳鉻絲電阻較大，且受溫度變化較小，便于測(cè)量。

通過(guò)采集A+和A-兩端電壓的變化，可得到相應(yīng)附加電阻R的阻值變化，推出滑動(dòng)測(cè)量桿位移，其位移為：

?L= ?RA/ρ

式中，?R是測(cè)量桿滑動(dòng)過(guò)程中變化的電阻，A為鎳鉻絲的橫截面積，L便是測(cè)量桿的位移，ρ為鎳鉻絲的電阻率，根據(jù)式子便可實(shí)現(xiàn)對(duì)事物位移的精確測(cè)量。

2 模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7172

2.1 AD7172的介紹

模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172是一款低功率、高分辨率、性能穩(wěn)定突出的產(chǎn)品，能夠配置2個(gè)全差分輸入通道或4個(gè)單端輸入通道，具有24位無(wú)噪聲分辨率，使得采集到的電壓轉(zhuǎn)換更加精確高效。AD7172擁有24個(gè)引腳，每個(gè)引腳的定義對(duì)應(yīng)著不同功能，充分合理的運(yùn)用不同引腳能夠提高器件的工作效率。電源是每個(gè)器件工作的首要前提，而AD7172工作的時(shí)候有三個(gè)獨(dú)立的電源引腳，每個(gè)電源引腳擁有不同的功能，其中AVDD1用作轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的ADC轉(zhuǎn)換，AVDD2 能夠?yàn)檗D(zhuǎn)換器的內(nèi)核供電; IOVDD能夠?yàn)檗D(zhuǎn)換器的數(shù)字邏輯供電 [3-4]。

2.2 AD7172的采樣配置

單片機(jī)上電復(fù)位后，MCU通過(guò)SPI接口訪問(wèn)AD7172，訪問(wèn)的是AD7172的通信寄存器，它是一個(gè)8位只寫寄存器，第一次訪問(wèn)的時(shí)候，將所需要的指令寫入到通信寄存器，便于確定接下來(lái)的操讀操作還是寫操作，這些操作都是操作于AD7172內(nèi)部的各類寄存器，用于實(shí)現(xiàn)工作模式和采集數(shù)據(jù)的各種配置。寄存器0x00中的位[5：0]）決定讀或?qū)懖僮鞯哪繕?biāo)寄存器。AD7172將內(nèi)部各類寄存器配置完成能夠滿足采集物理量的需求，此次通道寄存器的配置是通道CH1，運(yùn)用差分輸入將AIN0作為此通道連接到ADC的負(fù)輸入，AIN1作為此通道連接到ADC的正輸入，配置通道寄存器為0x11，功能是選擇模擬量輸入通道，使能通道;設(shè)置配置寄存器設(shè)置為0x20，主要對(duì)使能的通道進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置輸出編碼是雙極性還是單極性，選擇外部基準(zhǔn)電壓源還是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源是否禁用輸入緩沖器;濾波器配置寄存器設(shè)置為0x28，主要是用于選擇數(shù)字濾波器用來(lái)控制數(shù)據(jù)的輸出速率以及增強(qiáng)抑制性能;失調(diào)寄存器配置，和增益寄存器分別配置為0x30和0x38，是根據(jù)ADC工作模式選擇配置，一般默認(rèn);ADC模式寄存器配置為0x420C，主要用于選擇ADC工作模式，例如單次轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換、待機(jī)模式等，還有時(shí)鐘源的選擇，是內(nèi)部振蕩器輸出還是外部時(shí)鐘輸入;配置接口模式寄存器，主要配置各種串行接口選項(xiàng)，控制數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及CRC使能等，配置各種寄存器流程如圖1所示：

3.MCU控制流程

MCU采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F10x系列的STM32F103C8T6芯片，它是32位且?guī)в?4K字節(jié)閃存的微控制器和256K程序的Flash，其工作頻率高于一般MCU，是一款綜合性能性能高的產(chǎn)品。該芯片內(nèi)部集成9個(gè)通信接口，包括USART接口、IIC接口、SPI接口、CAN接口和USB 2.0全速接口，該芯片所具備功能滿足此次研究所需的要求[5-6]。MCU與AD7172之間的控制指令下發(fā)和數(shù)據(jù)交換是通過(guò)SPI接口完成的，兩者通信之前，首先需要確定主、從設(shè)備的地址，可以有多個(gè)從設(shè)備，但是設(shè)備地址不能相同，否則主設(shè)備無(wú)法訪問(wèn)[7]。 SPI占用芯片的4個(gè)引腳，它們分別是主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入從設(shè)備輸出線、從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出線、時(shí)鐘線和片選線，能夠穩(wěn)定地完成此次采集數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)MCU接收到由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)候，兩種得到數(shù)據(jù)的方法，第一將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)MCU串口發(fā)送到PC端串口，然后通過(guò)PC端上位機(jī)顯示出來(lái)，然后將得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得到滑動(dòng)測(cè)量桿的位移;第二MCU將數(shù)據(jù)通過(guò)自身串口2發(fā)送給無(wú)線模塊，通過(guò)無(wú)線模塊能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，最后將得到數(shù)據(jù)從TCP上位機(jī)端輸出，就可以換算得到精確的位移。大致框圖如圖2示：

4. AD7172及SPI的部分代碼配置

4.1 AD7172讀寫代碼配置

AD7172能夠?qū)Ω郊与娮鑳啥说碾妷耗M量實(shí)現(xiàn)精確采集，MCU將配置指令通過(guò)SPI寫入到AD7172的內(nèi)部寄存器，對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，使AD7172能滿足采集的需求，配置AD7172代碼如圖3所示：

通過(guò)這些代碼，我們能夠?qū)D7172內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、高效的采集，提高AD7172工作效率，為了便于更好收集采集的值，制定采樣速率為1秒1次。

4.2 SPI協(xié)議代碼配置

AD7172將采集到得數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口送到MCU進(jìn)行處理，MCU與AD7172通信是通過(guò)自身?yè)碛械腟PI2管腳通信，因此要配置SPI2協(xié)議代碼收發(fā)數(shù)據(jù)，信協(xié)議通道配置成功后，可通過(guò)自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，其中包括AD7172的配置指令，MCU將配置好的指令通過(guò)SPI2發(fā)送到AD7172，收到指令的AD7172根據(jù)配置的指令需求對(duì)電壓模擬量有序、高效、精確的采集，將采集到模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，之后通過(guò)SPI2把這些數(shù)據(jù)傳遞到MCU，完成兩者之間的通信。

5. 上位機(jī)及數(shù)據(jù)處理

上位機(jī)界面是基于Visual用c語(yǔ)言為底層開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫的，讓它作為人與機(jī)器交互的橋梁，能夠讓操作者知曉采集過(guò)程中的狀態(tài)信息，也可以根據(jù)需求編寫相應(yīng)功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的對(duì)下位機(jī)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，還能直觀簡(jiǎn)易的得到結(jié)果，減少工作量[8]。其中數(shù)據(jù)的處理算法已經(jīng)寫入上位機(jī)中，電壓每變化4.5μv便位移10微米，當(dāng)無(wú)線模塊連接到上位機(jī)，MCU就會(huì)將AD7172傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)給無(wú)線模塊，模塊再通過(guò)TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將模塊發(fā)來(lái)的處理之后數(shù)據(jù)直接顯示在界面。

此次數(shù)據(jù)是通過(guò)無(wú)線模塊對(duì)MCU處理后的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程接收，MCU通過(guò)自身串口2對(duì)無(wú)線模塊通信，建立串口2的協(xié)議報(bào)文，給MCU上電工作，此時(shí)滑動(dòng)測(cè)量桿處于起點(diǎn)，無(wú)線模塊與MCU通信收到的數(shù)據(jù)，由界面可以得到，相對(duì)零點(diǎn)是14530μv，等待1-2分鐘，最大變化是1μv，當(dāng)滑動(dòng)測(cè)量桿滑動(dòng)一段位移后，得到的數(shù)據(jù)如圖4所示：

因?yàn)槠瘘c(diǎn)采集電壓的相對(duì)零點(diǎn)是14530μv，位移后的采集電壓是16250μv，變化的電壓便是1720μv，最后將位移顯示在界面。

結(jié)論

利用惠斯通單臂電橋的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出附加電阻的變化，電阻的選取是單位長(zhǎng)度內(nèi)電阻相對(duì)較大，且一定溫度下，電阻受溫度變化較小，減少不必要的誤差影響。附加電阻變化引起兩端電壓變化，而24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172能夠精確將兩端電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在眾多AD轉(zhuǎn)換器之中，它性能穩(wěn)定、突出、采集精準(zhǔn)，能一定程度上減少采集誤差。由數(shù)據(jù)分析可以看出，位移傳感器的測(cè)量的精度準(zhǔn)確的達(dá)到微米級(jí)別，能夠滿足生活與工業(yè)上的很多需求，由于是小型的高精度位移傳感器，使它本身靈活方便，便于移動(dòng)，滿足高要求、高精度的測(cè)量，但是因?yàn)楸旧眢w型的局限性，只適合用來(lái)測(cè)量短距離的位移，對(duì)于較遠(yuǎn)距離的測(cè)量有一定的困難。

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作者簡(jiǎn)介

孫輝（1997-），男，本科，初級(jí)工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、電子技術(shù)應(yīng)用、測(cè)量控制。（通信作者）

劉明強(qiáng)（1981—），男，本科，工程師，研究方向：系統(tǒng)架構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、測(cè)量控制。

胡洪林（1999-），男，本科，初級(jí)工程師，研究方向：傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、測(cè)量控制結(jié)構(gòu)、電子技術(shù)應(yīng)用。