基于單片機和TDC的磁尺數字化技術(shù)研究

本文介紹一種利用89C51單片機及TDC-GP1芯片對現有的磁致伸縮傳感器系統進(jìn)行數字化改造，開(kāi)發(fā)出的新型磁致伸縮線(xiàn)性位移(液位)傳感器。

1結構及工作原理

該數字化磁尺由不導磁的不銹鋼(探測桿)，磁致伸縮線(xiàn)(波導絲)、可移動(dòng)的浮球(磁環(huán))和電子測量裝置等部分組成。波導絲被安裝在不銹鋼管內，經(jīng)擠壓和熱處理后仍保持電磁特性，磁環(huán)在不銹鋼管外側可自由滑動(dòng)。電路單元集成在傳感器頭部的套管內。

電子測量裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖(即start脈沖)并沿波導絲傳播，產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)。在探測桿外配置的活動(dòng)磁環(huán)上同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當電流磁場(chǎng)與磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，兩磁場(chǎng)矢量疊加，形成螺旋磁場(chǎng)，產(chǎn)生瞬時(shí)扭力，使波導線(xiàn)扭動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)“扭曲”脈沖，或稱(chēng)“返回”脈沖。這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導絲傳回，在電子裝置的線(xiàn)圈兩端產(chǎn)生感應脈沖(即stop脈沖)，通過(guò)測量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測位移量。由于磁尺輸出的電流脈沖信號是一個(gè)絕對位置的輸出量，而不是比例放大信號，所以不存在漂移，因此，出廠(chǎng)前標定后不需要像其他傳感器一樣定期重新標定和維護。

新型數字化磁尺上可以進(jìn)行多磁環(huán)測量。由電子測量裝置探測到多個(gè)終止脈沖信號，分別計算出它們與起始脈沖的時(shí)間差，由此計算出的位移值可同時(shí)在上位機的圖形界面上顯示。另外，數字化磁尺上還裝有溫度傳感器，也由傳感器頭部的電子檢測裝置控制，可隨時(shí)檢測環(huán)境溫度。其工作原理圖見(jiàn)圖1。

2數字化改造的硬件設計

2.1電子測量系統組成

新型電子測量系統基于AT89C51和TDCGP1，采用TDCGP1直接采集start和stop兩個(gè)脈沖信號，將這兩個(gè)脈沖信號的時(shí)間間隔直接轉換成數字信號傳給AT89C51，由AT89C51對其進(jìn)行處理，計算出精確的位移值，最后將數據送液晶顯示屏或PC機。

電子測量系統結構如圖2所示，主要由CPU控制及通訊電路、脈沖發(fā)生及接收電路、脈沖時(shí)間測量電路組成。電路板內置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接，使新型數字化磁尺更加穩定可靠。

2.2CPU控制及通訊電路

其作用為：向各個(gè)測量電路發(fā)出測量液位(位移)或者溫度的命令；接收測量脈沖時(shí)間電路的測量數據，并完成數據濾波；精確計算液位值(位移值)；將測量結果送通訊電路。

系統中采用ATMEL公司8位微處理計算機芯片AT89C51作為主控CPU，主頻11.0592MHz，片內還有4KB的EEPROM和128KB的 RAM，所以無(wú)需擴展程序存儲器和數據存儲器就可以實(shí)現系統功能，簡(jiǎn)化了電路設計，且使系統的可靠性提高，功能更強大。在4個(gè)I/O口中，P0、P2口的 P2.0～P2.3作為12位數據口，P1、P3口各引腳用于管理其他各芯片的控制線(xiàn)或信號線(xiàn)。利用MAX707芯片的看門(mén)狗電路在出現干擾時(shí)使計算機自動(dòng)復位。

MAX489/491作為通訊芯片可與上位機直接通訊，也可送顯示儀表直接顯示。

2.3脈沖發(fā)生及接收電路

作用：發(fā)送波導脈沖，并接收扭曲脈沖。它包括波導電流脈沖發(fā)生器，應變脈沖轉換器。信號整形后送脈沖時(shí)間測量電路。

2.4脈沖時(shí)間測量電路

采用德國acam公司的TDCGP1芯片作為脈沖時(shí)間測量電路的核心芯片。TDC-GP1是一種通用的兩通道時(shí)間-數字信號的轉換器。它有8個(gè)控制寄存器，通過(guò)編程可實(shí)現TDC-GP1的多種操作模式：普通模式，擴展模式，分辨率調節模式。

工作在普通模式時(shí)，TDCGP1的兩個(gè)通道都是由start脈沖的邊沿觸發(fā)的，每個(gè)獨立的通道可以檢測到四個(gè)采樣值，這些采樣值與start脈沖的時(shí)間被存儲到各個(gè)通道的采樣寄存器中。在start信號和第一個(gè)stop信號之間，有一個(gè)3ns空載的時(shí)間，在這個(gè)范圍內，開(kāi)始的stop信號被忽略，所以start信號和第一個(gè)stop信號之間的最小值應為3ns(即t1＞3ns)。在同一個(gè)通道的stop信號之間，也有15ns的空載時(shí)間(即t2＞15ns)，所以太靠近的stop信號也會(huì )被忽略。而在兩個(gè)不同通道的stop信號之間則沒(méi)有最小時(shí)間的限制。所有的stop信號在start信號之后都不能超過(guò)7.6μs的最大值(即t4＜7.6μs)。其工作模式如圖3所示。

工作在擴展模式時(shí)，可以測量更大的時(shí)間間隔。在這個(gè)模式中，測量的start信號和接下來(lái)的一個(gè)參考時(shí)鐘信號的正跳沿之間的時(shí)間設定為FC1，出現第一個(gè)正跳沿后計時(shí)器被觸發(fā)，TDC記錄下經(jīng)過(guò)的時(shí)鐘周期數；當有一個(gè)stop信號被檢測到時(shí)，開(kāi)始新一輪的計時(shí)。stop信號和接下來(lái)的一個(gè)參考時(shí)鐘信號的正跳沿之間的測量的時(shí)間為FC2。在stop信號之后將測量一個(gè)校準時(shí)鐘周期(Cal2-Cal1)，它用于與(FC1-FC2)比較得出一個(gè)小于半周期時(shí)間的值，最后加上預先測量得到的幾個(gè)完整的周期時(shí)間即算出start信號與stop信號時(shí)間間隔，時(shí)間計算式如式(1)。其后的stop信號也同樣處理。

式中，period為時(shí)鐘信號的周期時(shí)間；CC為預先測量的時(shí)鐘周期數。