基于單片機和FPGA的位移測量裝置的設計

摘要：基于電感式傳感器測量磁芯位移的原理，以單片機和FPGA為控制中心，由DDS產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)差分放大，并經(jīng)過(guò)差動(dòng)變壓器的差分耦合，對兩路輸出信號放大整流后，采集數據，對所得的數據進(jìn)行處理，實(shí)現了磁芯位移的精確測量。本裝置可測量的位移范圍為-20～20 mm，絕對誤差不大于0．5 mm，C點(diǎn)的波形無(wú)失真，A、B點(diǎn)輸出的直流波形無(wú)波動(dòng)，滿(mǎn)足測量范圍從-10～10 mm，絕對誤差不大于2 mm，并且采用直流電機驅動(dòng)磁棒移動(dòng)，控制磁棒達到設定位移，位移絕對誤差不大于0．5 mm。采用液晶顯示和按鍵，實(shí)現了人機交互。此外還采取各種抗干擾措施，來(lái)提高系統工作的穩定性。
關(guān)鍵詞：DDS；差動(dòng)變壓器；有效值檢波；位移

位移傳感器廣泛應用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過(guò)程檢測、物理測量和自動(dòng)控制等。由于其測量精度不高，往往滿(mǎn)足不了社會(huì )需求，也限制了傳感器的應用。因此，這里設計了一套基于單片機和FPGA的位移測量裝置，能夠實(shí)現較高的精度測量，同時(shí)也能夠達到較高的線(xiàn)性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現較高精度的測量，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 整體設計方案及實(shí)現框圖
系統整體實(shí)現框圖如圖1所示，由信號產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號處理部分、數據采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動(dòng)變壓器，差動(dòng)變壓器輸出的信號經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAXl97采樣，采樣得到的數據經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測得的位移量。



2 理論分析與計算
2．1 DDS信號產(chǎn)生理論分析
在系統時(shí)鐘頻率和相位累加器位數一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設M為所設計的相位累加器的位數，N為頻率控制字，則DDS系統輸出信號的頻率為

實(shí)驗中，激勵信號的頻率是100 kHz，采用的時(shí)鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數是29位。然后經(jīng)過(guò)D／A轉換器，輸出的信號經(jīng)一個(gè)截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩定、連續平滑的波形。