基于當(dāng)前國(guó)產(chǎn)磁致伸縮材料的前提,結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,并且針對(duì)本課題前期完成的大量基礎(chǔ)試驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的影響磁致伸縮液位傳感器測(cè)量精度的因素,提出了采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提高測(cè)量精度的設(shè)計(jì)思路及方法。提高了國(guó)內(nèi)磁致伸縮液位傳感器測(cè)量精度,以滿足多種工業(yè)液位參數(shù)的測(cè)量要求,結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方法相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法測(cè)量精度有了較大的提高。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易結(jié)算中液位是應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)重要參數(shù)。測(cè)量方法很多,利用磁致伸縮原理進(jìn)行液位測(cè)量是其中的一種方法,這種方法具有寬量程,高精度,多液位等特點(diǎn),結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,提出了基于TI 公司TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器的全采樣加數(shù)字信號(hào)處理的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明,這種設(shè)計(jì)方法可以部分彌補(bǔ)磁致伸縮材料的不足,提高測(cè)量精度。
1 測(cè)量原理
磁致伸縮液位傳感器測(cè)量原理可結(jié)合圖1 說(shuō)明,工作時(shí),檢測(cè)頭中的電子裝置首先在磁致伸縮波導(dǎo)絲上施加一個(gè)激勵(lì)電脈沖信號(hào),根據(jù)電磁場(chǎng)理論,此電脈沖伴隨一個(gè)環(huán)型磁場(chǎng),以光速沿磁致伸縮波導(dǎo)絲向下傳遞。當(dāng)該環(huán)形磁場(chǎng)遇到浮子中磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)時(shí),將與之進(jìn)行矢量疊加,形成一個(gè)螺旋形的磁場(chǎng)。根據(jù)磁致伸縮原理,當(dāng)磁致伸縮材料所處的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),磁致伸縮材料本身的物理尺寸也會(huì)跟著發(fā)生變化,即磁致伸縮效應(yīng)。因此,當(dāng)合成磁場(chǎng)發(fā)生變化,形成螺旋形磁場(chǎng)時(shí),磁致伸縮波導(dǎo)絲會(huì)產(chǎn)生沿螺旋形磁場(chǎng)的伸縮變形,導(dǎo)致波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭曲形變,從而激發(fā)扭轉(zhuǎn)波,該扭轉(zhuǎn)波沿波導(dǎo)絲以超聲波的形式向兩端傳播,向頂部傳播的超聲波將傳到傳感器檢測(cè)頭中的逆磁致伸縮效應(yīng)換能器中,向底端傳播的超聲波對(duì)液位測(cè)量并不起作用。記下發(fā)送激勵(lì)脈沖的時(shí)間和接收到回波的時(shí)間,并計(jì)算其時(shí)間差t ,在根據(jù)超聲波的傳播速度v ,可計(jì)算出檢測(cè)頭與液面之間的距離L0 = vt ,而傳感器的總長(zhǎng)L1已知,即可得出液面高度L = L1 - L0 。最終,我們將時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)化為液位的測(cè)量。
2 硬件設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的磁致伸縮液位傳感器系統(tǒng)中采用的硬件濾波電路,其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參數(shù)調(diào)整不易和系統(tǒng)性能易受環(huán)境影響,容易引起電子噪聲等缺點(diǎn)。在本系統(tǒng)中用數(shù)字濾波的方法來(lái)代替 ,采用的是全采樣法,即DSP 發(fā)送激勵(lì)脈沖的同時(shí),開(kāi)始啟動(dòng)AD采樣,直到所設(shè)置的全量程數(shù)據(jù)采集完畢,然后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,查找特征值進(jìn)而求取液位。因此,相比傳統(tǒng)的檢測(cè)電路,大大節(jié)約了系統(tǒng)的硬件數(shù)量,避免了太多硬件電路所造成的電子干擾。下面介紹基于DSP 的磁致伸縮液位傳感器系統(tǒng)的電路原理。本系統(tǒng)的硬件主要構(gòu)成:1) 激勵(lì)脈沖電路; 2) 放大電路; 3) TMS320F2812 信號(hào)處理電路; 4) 串口通信電路; 5) 液晶顯示電路等部分組成。
2. 1 激勵(lì)脈沖控制電路
激勵(lì)脈沖控制電路的產(chǎn)生設(shè)計(jì),輸入引腳GXQD 連接DSP 的I/ O 引腳GPIOB0 。在DSP 的程序控制下,使得DSP 的I/ O 引腳GPIOB0變高,則連接的GXQD 為高電平,這時(shí)Q1 導(dǎo)通,則場(chǎng)效應(yīng)管Q2 的柵極G2 變成低電平,場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通。電容C1 通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Q2 激勵(lì)波導(dǎo)絲GX 瞬間產(chǎn)生電流。一般情況下,波導(dǎo)絲的電阻在8 Ω 左右,而電壓為12 V ,這樣激勵(lì)脈沖可在傳感器兩端激發(fā)1. 5 Α 左右的脈沖電流。在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中,綜合考慮了電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可能存在的諸多干擾,整個(gè)電路在ORCAD 軟件上模擬調(diào)試,所選用參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,運(yùn)行結(jié)果較理想。
2. 2 輸出電流信號(hào)放大電路
當(dāng)有激勵(lì)脈沖時(shí),波導(dǎo)絲在受到變化磁場(chǎng)作用的地方產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波,扭轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)絲傳播到檢測(cè)線圈時(shí),就會(huì)在線圈兩端產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào),因?yàn)樵撔盘?hào)的幅值太小,需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大,放大電路。波導(dǎo)絲一端接入J 2 的引腳1 ,波導(dǎo)絲的另一端通過(guò)J2 的引腳2 接地,而J 2 的引腳3 、4 為檢測(cè)線圈上的輸出信號(hào),該輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路,可以得到放大1 000 倍的輸出信號(hào)FDXH。其中,電容C5 主要是濾除檢測(cè)線圈上拾回來(lái)的高頻雜波,而電容C7 主要是電源平滑濾波。
2. 3 TMS320F2812 信號(hào)處理電路
經(jīng)過(guò)放大電路后的輸出信號(hào)FDXH 由于其靜態(tài)工作點(diǎn)在2. 5 V 左右,與TMS320F2812 的要求不匹配。這里通過(guò)電容C1 隔直,然后再通過(guò)電阻R1 和R3 分壓,使得其靜態(tài)工作點(diǎn)在1. 6 V 左右,滿足要求。然后連接到TMS320F2812 的AD 輸入引腳AD2CINA0 ,供信號(hào)采集。在TMS320F2812 中AD 輸入
口共有16 路,這里只取一路進(jìn)行采集信號(hào)處理。
2. 4 串行通信接口
串行通信接口SCI 是一種雙線的異步串口,一般看作是UART。TMS320F2812 的SCI 和以往的DSP 的SCI 相比具有兩個(gè)特點(diǎn):一是傳送、接收都具有獨(dú)立的FIFO ;二是波特率可自動(dòng)檢測(cè)。通過(guò)該接口可將測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)蕉蝺x表或計(jì)算機(jī)等。
2. 5 液晶顯示電路
為了把處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示器輸出,本系統(tǒng)選用MG212232 液晶顯示器。液晶顯示電路的工作原理為: 由TMS320F2812 通過(guò)A12 口觸發(fā)74LVC4245 電平轉(zhuǎn)換,然后通過(guò)A02A7 口向液晶顯示器的數(shù)據(jù)線DB 口輸出顯示數(shù)據(jù)和控制指令,通過(guò)A82A11口向液晶顯示器輸出對(duì)端口A0 、R/ W、E2 、E1 的控制字。液晶顯示器的端口A0 、R/ W、E2 、E1 信號(hào)分別為寄存器選擇信號(hào)、讀/ 寫選擇信號(hào)、從工作方式IC 使能信號(hào)及主工作方式IC 使能信號(hào)。
3 TMS320F2812 的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部用C 語(yǔ)言編寫,結(jié)構(gòu)性很好。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的,整個(gè)軟件系統(tǒng)包括幾個(gè)子模塊:初始化模塊、看門狗模塊、定時(shí)器模塊、采集程序模塊、FIR 濾波程序模塊、液位測(cè)量模塊、串口通信模塊和液晶顯示模塊。由于篇幅所限軟件部分不能詳細(xì)介紹。
4 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)可靠,電路參數(shù)選擇合適,運(yùn)行安全穩(wěn)定。同時(shí)表明全采樣法輔以數(shù)字濾波可以部分彌補(bǔ)磁致伸縮材料的不足,提高測(cè)量精度。
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