總體設(shè)計(jì)方案

基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器的功能是將拉線的機(jī)械位移換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號，主要由自動回復(fù)彈簧、輪轂、磁鐵以及數(shù)據(jù)處理單元等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1：結(jié)構(gòu)圖

由圖1可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場為媒介，將機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)化為磁場角度變化，一方面解決傳統(tǒng)拉線位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統(tǒng)高頻特性，從而確保位移檢測精度。數(shù)據(jù)處理運(yùn)算器，用于對接收到的磁敏角度信號通過數(shù)學(xué)模型運(yùn)算為拉線的位移信號。通信接口，通過通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信，接收來自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令并將采集到的位移信號反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。從而提高了數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了位移傳感器的應(yīng)用門檻。

各個(gè)部件功能描述如下：

(1)拉線的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當(dāng)拉線產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動輪轂的轉(zhuǎn)動，輪轂的轉(zhuǎn)動造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉(zhuǎn)動，從而磁鐵的磁場產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線運(yùn)動發(fā)生的時(shí)候，自動回復(fù)彈簧確保拉線具備一定的張力，確保拉線的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。

(2)磁敏角度感應(yīng)器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來感應(yīng)磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過建立數(shù)學(xué)模型，將磁敏角度運(yùn)算為拉線的位移。

(3)通訊接口，微處理器通過通信接口接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將位移信息通過通信接口返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

硬件接口電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元由磁敏角度感應(yīng)器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。

 
圖2：數(shù)據(jù)處理單元

通過分析圖2，磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將拉線位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對接收到的磁敏角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。因此，為了能夠快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數(shù)據(jù)處理單元。輸入、輸出控制模塊負(fù)責(zé)各種對外接口的處理，如通過通信接口接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令，向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果，以便能夠?qū)⑽⑻幚砥鲉卧軌驁?zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將采集結(jié)果通過接口安全可靠地發(fā)送到應(yīng)用設(shè)備，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。

磁敏角度接收接口

MLX90316是一種線性霍爾芯片，采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片，該芯片可以用來測量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0～360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉、安裝簡便。

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經(jīng)過放大處理后，經(jīng)過14位微分型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16位DSP處理之后的數(shù)字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。

由于串行通信的輸出信號直接來自于MLX90316的內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。在本設(shè)計(jì)中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖3所示。在圖3中，MLX90316的SPI三根線與ARM LPC2136的SPl0口連接。SPI(SerialProtocol InterIace)總線接口是一種同步串行外設(shè)接口。這是一個(gè)4根信號線的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號線分別是：時(shí)鐘線(SCK)、數(shù)據(jù)輸入線(MISO)、數(shù)據(jù)輸出線(MOSI)和從設(shè)備使能線(SS)。

 
圖3：硬件接口電路圖

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RS 485通信接口電路設(shè)計(jì)

RS 485總線以其結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高。

在基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器中我們設(shè)計(jì)了一路RS 485信號輸出，RS 485接口芯片采用MAX3485，用于與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行位移數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)交換。為了確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

可控電流輸出接口

數(shù)據(jù)處理單元具備一路可控4～20 mA的電流輸出，用于現(xiàn)場指示儀表的驅(qū)動。具體的連接電路如圖4所示。其中PWM2連接ARM的PWM2引腳，PWM信號用于控制光耦的導(dǎo)通與截止，反相器主要用于波形的整定，根據(jù)磁敏角度和位移關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出PWM的占空比，從而達(dá)到電流大小調(diào)節(jié)的目的。

 
圖4：電流輸出接口電路

軟件設(shè)計(jì)

在LPC2136中嵌入了μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。

μC／OS-Ⅱ是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。

軟件編程主要包含3個(gè)模塊：PWM控制電流輸出模塊、RS 485通信模塊、MLX90316的SPI通信模塊，編程流程如圖5所示。PWM控制電流輸出模塊主要通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電流的大小。RS 485通信模塊主要用來接收上層系統(tǒng)的指令并根據(jù)指令將數(shù)據(jù)回傳。MLX90316的SPI通信模塊主要用于磁敏角度的讀取，SPI的通訊過程為：主控端先輸出1個(gè)0xAA以及1個(gè)0xFF作為通信起始信號，然后接著輸出8個(gè)0xFF，而從端會同時(shí)輸出2個(gè)0xFF、4個(gè)字節(jié)的角度信號以及4個(gè)0xFF，從而完成一次數(shù)據(jù)通訊。

 
圖5：編程流程圖

結(jié)語

利用MLX90316構(gòu)建位置傳感器需要使用磁鐵，在傳感位置安裝活動的機(jī)械部件(通常連接在軸的末端)。只要水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用。磁鐵的大小和材料并不重要；在機(jī)械、磁場和熱容限之內(nèi)，水平磁通量必須在20～70 mT(例如，(45±25)mT)范圍以內(nèi)。

在氣隙問題上，如果距離IC表面的實(shí)際氣隙大于7．5 mm，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環(huán)形磁鐵時(shí)可以繞在軸上。也可以使用特，殊的磁鐵設(shè)計(jì)，獲得旋轉(zhuǎn)位置傳感器正常的傳輸特性。

在“基于FPGA技術(shù)的堤壩位移智能檢測系統(tǒng)”中，將基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器用于堤壩根石位移采集裝置。監(jiān)測的堤壩一共為7條，每條大壩有5個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)，因此，利用RS 485總線將這35個(gè)監(jiān)測點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該傳感器克服傳統(tǒng)拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點(diǎn)，提高了測量精度。