磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)化為時間量, 通過測量時間量來測量位移, 具有非接觸測量、精度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn), 已在國外的石油、化工、制藥等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用, 而國內(nèi)還正處在自主研發(fā)的階段。
一般而言, 由磁致伸縮傳感器構(gòu)成的位移測量系統(tǒng)包括大電流脈沖激發(fā)、磁致波信號檢測濾波及放大、峰值檢波、時間量測量、位移計算與輸出等部分。其中,高分辨力時間量檢測是磁致伸縮位移傳感器實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測量的關(guān)鍵技術(shù)之一。而隨著半導(dǎo)體制作工藝的發(fā)展和計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn), D SP 芯片以其強(qiáng)大的功能、更快的速度、更小的體積和功耗、更低的價格等優(yōu)勢給作者帶來了更多的應(yīng)用思路。這里就是利用T I 公司的TM S320L F2407 D SP 實(shí)現(xiàn)高分辨力時間量檢測和位移結(jié)果計算與輸出。
1 系統(tǒng)組成原理及硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
系統(tǒng)硬件由: (1) 大電流激勵; (2) 磁致波提取與調(diào)理; (3) 時間量測量; (4) 顯示與接口等部分組成, 如圖1所示。其中, 1、2 部分已實(shí)現(xiàn)[ 1 ] , 它們的輸出經(jīng)限幅成 313V 后, 輸入D SP 以實(shí)現(xiàn)時間量測量、結(jié)果顯示、按鍵輸入、通信接口等功能。
1.2 測量方案概述
周期脈沖電流發(fā)生器產(chǎn)生 1kH z 大電流脈沖輸入波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生環(huán)繞磁場, 該磁場以光速傳播到位置磁鐵處和其垂直磁場作用, 因磁致伸縮效應(yīng)在該處產(chǎn)生磁致扭轉(zhuǎn)波, 并以恒定速度 (v= 2800ms) 傳回, 經(jīng)拾取、調(diào)理、限幅成為與D SP 芯片匹配的高低電平, 稱其為待測信號。該信號的周期 T = 1m s, V H = 313V , V L = 0, 每周期內(nèi)有 2 個脈沖, 其中脈沖①為激勵信號, 脈沖②為磁致波信號, 它隨圖 1 中位置磁鐵移動而變化。
將待測信號輸入給D SP 的捕獲單元CA P1, 并設(shè)置: CA P1 的跳變檢測方式為上升下降雙邊沿檢測, 時基采用通用定時器T 1, 而T 1 采用內(nèi)部CPU 時鐘, 不分頻, 計數(shù)方式為連續(xù)增加, 周期置為0xFFFF。D SP外部輸入時鐘頻率為10M H z, 采用4 倍頻, 即CPU CL K頻率為40M H z。為了測量tx , 連續(xù)捕獲待測信號的各邊沿時刻, 就可以得到 t1H、t1L、t2H , 從而根據(jù)式 (1) 可計算得 tx , 再根據(jù)
l= tx×v (2)其中: v= 2800ms, 可計算得位移量, 然后輸出到LCD上顯示, 并用于通信。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)程序采用D SP C 語言[ 2 ]編寫, 仿真器采用IM 2 CD 2407, 編譯調(diào)試軟件采用 T I 公司的集成開發(fā)環(huán)境( IDE)Code Compo ser Studio 2 (CCS θC2000) [ 4～ 5 ]。
2.1 TM S320L F2407 D SP 芯片簡介
D SP 芯片作為系統(tǒng)的核心部件, 采用高性價比的TM S320L F2407, 它是由 T I 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能 16 位定點(diǎn)D SP 控制器, 25ns 指令周期(40M H z) , 主要特點(diǎn)有: 高達(dá) 32k 字的 FLA SH 程序存儲器, 高達(dá)215k 字RAM (其中 554 字為雙口RAM ) , 兩個事件管理器 模 塊, 看 門 狗 定 時 器 (WDT ) , 10 位 ADC, CAN 210B 接口, 串行通信接口 (SC I) , 16 位的串行外設(shè)接口 (SP I) , 基于鎖相環(huán) (PLL ) 的時鐘發(fā)生器, 5 個外部中斷, 3 種低功耗電源模式以及JTA G 接口等。
214 系統(tǒng)硬件設(shè)計
電源部分, 由 T PS733 完成 5V 到D SP 電源 313V的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)晶振, 采用外部的 4 引腳 10M H z 集成晶振, 經(jīng)D SP 內(nèi)部4 倍頻。按鍵從 IO PB5 (P in18)、IO PB6 ( P in14)、IO PB7 ( P in37) 輸入。待測信號從 CA P1(P in83) 輸入。顯示部分, 采用16 引腳的自帶顯示控制器 的字符型 LCD R T 1602C, 通過兩片 SN 74CBT 2 3245A 與D SP 進(jìn)行電平匹配連接。串行通信, 采用符合R S232 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX232, 并在與D SP 之間加了T I 公司提供的典型電平匹配電路。通信部分也可根據(jù)需要改成CAN 總線接口。整個TM S320L F2407 外圍電路連接。
2.2位移量的計算
為了從捕獲到的數(shù)據(jù)中計算出 tx , 先將每一個捕獲值減去前一個捕獲值(模0xFFFF) , 得每兩個相鄰電平跳變之間的時間間隔, 然后根據(jù)待測信號(圖2) 的特點(diǎn)——t2L 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它兩個相鄰電平跳變之間的時間間隔 t1H、t1L、t2H , 取閾值為 500Λm1025Λm = 20000,尋找大于該值 (015m s) 的個數(shù)據(jù)就認(rèn)為是 t2L , 從而其后的數(shù)據(jù)就被同步。根據(jù)式(1) 就可連續(xù)計算得到16 個 tx , 再取平均, 并根據(jù)式 就可計算得到位移量l。
2.3 主要寄存器的定義
SCSR 1= 0x00FD; PLL ×4 模式SCSR 2= (3SCSR 20x000B) & 0x000F;
W SGR = 0x0040;
T 1PR = 0xFFFF; T 1 周期
T 1CON = 0x1000; T 1 連續(xù)增計數(shù), 1 倍CPU 2 CL K 計數(shù)
CA PCONA = 0x22C0; CA P1 為檢測雙邊沿,選T 1 為時基
PBDA TD IR = 0x0000; 配置 IO PB 口為輸入
以下為串口通信設(shè)置:
SC ICCR = 0x0007; 1 個停止位, 不使能奇偶校驗(yàn), 空閑線多處理器模式, 8 位字符
SC ICTL 1= 0x13; 禁止接收錯誤中斷, 無選定的發(fā)送特征, 禁止休眠, 使能SC I 接收和發(fā)送
SC ICTL 1= 0x33; 使SC I 脫離復(fù)位狀態(tài)SC ICTL 2= 0x03; 使能SC I 接收和發(fā)送中斷
SC IPR I= 0x60; SC I 接收中斷、發(fā)送中斷均為低優(yōu)先級
SC IHBAUD = 0x01; 設(shè)置波特率= 9600bp s SC ILBAUD= 0x04; SYSCL K= 20M H z
IM R = 0x0018; 允許 IN T 4, IN T 5
2.4 按鍵掃描與通信接口
按鍵檢測采用逐鍵掃描方式, 分別用一個變量記錄當(dāng)前按鍵的狀態(tài), 經(jīng)過去抖動延時后再次檢測按鍵狀態(tài)以判斷是否為一次有效的按鍵, 其中去抖延時時間為一個系統(tǒng)循環(huán)周期。通信接口部分采用空閑線多處理器模式。
其中, IN T 5 為通信中斷, 用于完成串行通信功能 (也可用于實(shí)現(xiàn)CAN 通信)。中斷IN T 4 為捕獲中斷, 當(dāng)CA P1 輸入引腳出現(xiàn)跳變時請求中斷。在捕獲中斷服務(wù)子程序中完成以下工作: 讀取并保存當(dāng)前捕獲值CA P1F IFO , 并判斷是否已連續(xù)捕獲到個數(shù)的跳變, 若個數(shù)足夠就執(zhí)行一次位移數(shù)值計算, 并將計算結(jié)果在LCD 上輸出, 同時用于串行通信。系統(tǒng)中采用的連續(xù)捕獲次數(shù)為70, 總時間為1715m s。
3、結(jié)論
系統(tǒng)利用 TM 320L F2407 D SP 的捕獲功能, 很好地 實(shí) 現(xiàn) 了 待 測 信 號 的 雙 邊 沿 時 間 檢 測。 采 用40M H zCPU 時鐘計數(shù), 測量精度可到70Λm。系統(tǒng)充分利用D SP 的自身資源, 外圍器件少, 電路相對簡單; 利用字符型液晶輸出信息(如出錯信息, 操作提示等) , 用戶界面好; 具有良好的通信功能。
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