基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器的設計與應用

通過(guò)分析圖2，磁敏角度感應器選用MLX90316，它將拉線(xiàn)位移所導致的磁鐵磁場(chǎng)轉動(dòng)的角度轉換為磁敏角度。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據進(jìn)行處理，完成磁敏角度數據的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉換的角度，所以通過(guò)建立數學(xué)模型，結合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線(xiàn)的位移。因此，為了能夠快速地實(shí)現數據的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數據處理單元。輸入、輸出控制模塊負責各種對外接口的處理，如通過(guò)通信接口接收來(lái)自應用系統的命令，向應用系統返回采集的位移結果，以便能夠將微處理器單元能夠執行應用系統的命令并將采集結果通過(guò)接口安全可靠地發(fā)送到應用設備，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。
2．1 磁敏角度接收接口
MLX90316是一種線(xiàn)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(lái)測量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0～360°的旋轉位置值，通過(guò)多種模式輸出準確度很高的線(xiàn)性絕對位置信號，并且成本低廉、安裝簡(jiǎn)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(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14位微分型A／D轉換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過(guò)16位DSP處理之后的數字信號分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轉換為模擬量輸出；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出；數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(lái)自于MLX90316的內部DSP輸出，SPI輸出模式更穩定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。在本設計中，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(xiàn)與ARM LPC2136的SPl0口連接。SPI(SerialProtocol InterIace)總線(xiàn)接口是一種同步串行外設接口。這是一個(gè)4根信號線(xiàn)的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號線(xiàn)分別是：時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)、數據輸入線(xiàn)(MISO)、數據輸出線(xiàn)(MOSI)和從設備使能線(xiàn)(SS)。

2．2 RS 485通信接口電路設計
RS 485總線(xiàn)以其結構簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統中得到了廣泛應用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現通信，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過(guò)線(xiàn)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(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn)，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線(xiàn)收發(fā)器靈敏度很高。
在基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器中我們設計了一路RS 485信號輸出，RS 485接口芯片采用MAX3485，用于與應用系統進(jìn)行位移數據數據交換。為了確保數據通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。
2．3 可控電流輸出接口
數據處理單元具備一路可控4～20 mA的電流輸出，用于現場(chǎng)指示儀表的驅動(dòng)。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通與截止，反相器主要用于波形的整定，根據磁敏角度和位移關(guān)系，建立數學(xué)模型，計算出PWM的占空比，從而達到電流大小調節的目的。