摘要：系統(tǒng)采用十六位單片機作為核心控制器件，實現(xiàn)磁棒小范圍位移的精確測量。本設(shè)計首先采用DDs芯片AD985l得到一個頻率為100kHz的正弦信號，并且采用THS4503芯片進(jìn)行差分輸出，驅(qū)動線性可變差動變壓器的原邊；差動變壓器兩個副邊的輸出信號分別經(jīng)過INll8芯片放大后，進(jìn)行半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，實現(xiàn)磁棒位移信號的實時采集。對兩路直流信號分別進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并送入單片機分析處理，最后將計算結(jié)果用LCD顯示。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計簡潔，性能穩(wěn)定，有較強的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：位移；測量；單片機；磁棒；全差分放大器
l 設(shè)計要求
1．1 任務(wù)
設(shè)計并制作一臺位移測量裝置，其原理示意圖如圖1所示(虛線框內(nèi)部分可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn))。
1．2 要求
(1)制作正弦信號激勵電路，技術(shù)指標(biāo)如下：
①頻率：100kHz；
②驅(qū)動線性可變差動變壓器時輸出波形無明顯失真。
(2)設(shè)計、制作差動信號測量電路，包括線性可變差動變壓器，放大、整流、濾波等電路，數(shù)據(jù)處理和顯示等單元。在圖1中的A、B兩點分別輸出直流電壓信號VA、VB。
(3)用模擬或數(shù)字方法計算根據(jù)d值計算、顯示實際位移量。
(4)測量的位移范圍為一20mm～+20mm，測量誤差的絕對值不大于2mm。
(5)設(shè)計一個閉環(huán)控制電路，要求用直流電機驅(qū)動磁棒移動，控制磁棒達(dá)到設(shè)定位移，位移誤差的絕對值不大于2mm。
2 方案論證
根據(jù)題目要求和本系統(tǒng)的設(shè)計思想，系統(tǒng)主要包括激勵信號模塊，機械傳動模塊，信號處理模塊，顯示模塊和鍵盤模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。
方案一：激勵信號模塊采用高精度，高頻率，低輸出電阻，驅(qū)動能力強的函數(shù)發(fā)生器芯片MAX038產(chǎn)生一個固定的100kHz頻率；機械傳動模塊采用直條齒輪來驅(qū)動磁棒移動，首先要求電機齒輪與直條齒輪的齒相匹配，將直條齒輪與磁鐵連接，通過電機的圓形齒輪來帶動直條齒輪左右移動，也即是帶動磁棒在套簡內(nèi)左右移動；信號處理模塊首先通過OP37對差動變壓器副邊的信號進(jìn)行放大，在經(jīng)過半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，在送入單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，通過AD轉(zhuǎn)換后A、B兩點的電壓就可算出d的值，從而得到位移與d的關(guān)系式，在通過數(shù)碼管顯示，同時可以通過鍵盤設(shè)定允許范圍內(nèi)的任意值，并準(zhǔn)確運行到指定的地點。
方案二：激勵信號模塊采用DDS芯片AD9851，該芯片性能穩(wěn)定，工作可靠，能產(chǎn)生100kHz穩(wěn)定的頻率；機械傳動模塊采用直流電機控制螺栓實現(xiàn)鐵淦氧磁棒精確定位，電機每轉(zhuǎn)動一圈，能產(chǎn)生一個固定的位移量，而且通過單片機控制可以讓直流電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的圈數(shù)，以便達(dá)到設(shè)計要求；信號處理模塊首先通過TI公司的儀表放大器INAll8實現(xiàn)小信號的放大，在經(jīng)過半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，在通過16位8通道AD轉(zhuǎn)換器ADS8344進(jìn)行處理，通過AD轉(zhuǎn)換后A、B兩點的電壓就可算出d的值，從而得到位移與d的關(guān)系式，在通過液晶進(jìn)行顯示，同時可以通過鍵盤設(shè)定允許范圍內(nèi)的任意值，并準(zhǔn)確運行到指定的地點。綜合以上兩種方案，我們采用方案二。
3 軟硬件設(shè)計
3．1 硬件設(shè)計
本系統(tǒng)主要由DDS模塊、寬帶低失真全差分放大模塊，線性可變差動變壓器的能量耦合模塊、放大整流濾波模塊以及4×4鍵盤和128×64LCD模塊構(gòu)成的人機界面組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：
(1)激勵電路模塊
激勵電路部分通過單片機給AD985l送控制字經(jīng)低通濾波器濾除諧波分量及雜散信號后得到較純的100kHz正弦波信號。產(chǎn)生的信號通過差分電路形成激勵信號，采用THS4503來實現(xiàn)。
(2)測量電路模塊
線性可變動變壓器的磁棒選用的是鐵淦氧磁棒，線圈用0．13mm的漆包線繞制在塑料管制作的骨架上，再通過一個直徑大一點的絕緣塑料管將磁棒與線圈包含起來。整個模塊固定于一塊木板上；差分輸出的信號經(jīng)線性可變差動變壓器的Ll通過磁棒耦合到L2、L3，再由單片機控制電機的正反轉(zhuǎn)來推動磁棒上下移動，使L2、L3兩路信號的電壓相對于中心點(兩路信號的電壓幅值相等相位相反處)時的幅值產(chǎn)生相應(yīng)的偏差。由于得到的電壓差值的幅值很小，所以需要采用高精度的儀表放大器INA118放大后再對信號進(jìn)行處理。經(jīng)過半波整流將交流轉(zhuǎn)化成直流。整流之后，主要存在工頻干擾，采用n形濾波電路將諧波濾去；電機驅(qū)動磁鐵部分采用電機齒輪與螺桿齒輪相匹配原則，利用單片機控制電機的正反轉(zhuǎn)來驅(qū)使螺帽實現(xiàn)上下移動。磁棒與螺桿齒輪通過絕緣材料包含，通過磁棒在線圈中移動時磁通量的變化來控制耦合能量的大小，從而也就控制了輸出電壓的幅值。在具體測量前，先在絕緣板上標(biāo)出一個零點，標(biāo)零點必須在滿足L2、L3兩端的對地電壓幅值相等相位相反結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格對稱的情況下進(jìn)行。
(3)數(shù)據(jù)處理模塊
經(jīng)過INAll8放大、半波整流以及電子濾波后的兩路電壓經(jīng)過ADS8344芯片進(jìn)行AD采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲于單片機中，首先通過軟件實現(xiàn)d值的運算，然后再根據(jù)實際測量值計算此位移量。整個計算過程完全采用軟件實現(xiàn)。
(4)顯示模塊
顯示部分采用LCD顯示，LCD能動態(tài)顯示漢字以及字符，并且顯示范圍大，能很好的實現(xiàn)人機交互界面。
3．2 軟件設(shè)計
該系統(tǒng)中通過軟件控制的部分有正弦波信號產(chǎn)生以及數(shù)據(jù)處理模塊，首先通過單片機采用串行方式給AD985l送40位控制字以便產(chǎn)生題目所要求的穩(wěn)定的100kHz的正弦信號。數(shù)據(jù)處理部分也完全采用軟件實現(xiàn)，首先對兩路電壓分別采樣，通過單片機控制ADS8344來采集VA、VB的電壓值，將轉(zhuǎn)換到的數(shù)字量傳回給單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于AD采樣的幅值范圍有限，所以我們可以通過放大來調(diào)整其電壓值，以便我們能采集到相應(yīng)的幅值。程序流程圖如圖4所示：
4 測試
4．1 調(diào)試與測試使用的儀器
游標(biāo)卡尺、DS1062C型數(shù)字示波器、DT930FD型數(shù)字萬用表、HHl641型函數(shù)信號發(fā)生器。
4．2 測試方法
4．2．1 模塊測試
為了提高調(diào)試效率，我們采用的首先將硬件系統(tǒng)的各模塊分開進(jìn)行測試，待調(diào)通后再進(jìn)行整機調(diào)試。
4．2．2 系統(tǒng)整體調(diào)試
將硬件模塊和相應(yīng)的軟件進(jìn)行系統(tǒng)整機測試。依據(jù)設(shè)計要求，分別對輸出頻率、輸出電壓峰峰值、磁棒上下移動的最大和最小位移進(jìn)行測試。
測試磁棒上下移動的最大和最小位移時，對電機的轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行調(diào)整，使磁棒移動的最大和最小位移能夠滿足題目的要求。
4.3 測試結(jié)果分析
本系統(tǒng)實現(xiàn)了精確步進(jìn)位移量與電壓測量的功能，用電機驅(qū)動螺桿，可以通過鍵盤輸入更改轉(zhuǎn)動圈數(shù)以便達(dá)到一定的位移偏量。但是在更高精度方面還存在一定程度的局限性，特別是在濾波部分可以繼續(xù)完善，還可以在電路實時測量中添加語音播報，以便更好的實現(xiàn)人機互動。測試結(jié)果如結(jié)果測試表所示。
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