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1
位移测量装置
摘要:本文基于 TI 公司的单片机 MSP430F149,设计了一款位移测量装置,该
系统主要由激励电路、线性可变差动变压器电路、放大整流滤波电路和数据采集
及处理电路四大部分组成。基于性价比的考虑,所有电路均采用 TI 公司的芯片
设计。经测试,系统各项性能指标都达到并超过了设计要求,工作稳定,用户界
面友好。
关键字:MSP430F149;差动变压器;位移测量;数据处理
Abstract: Based on TI's MSP430F149 micro-controller, the title designed a
displacement measuring device that the system is mainly inspired by the circuit of the
linear variable differential transformer, rectifier&filter circuit and data acquisition
and processing circuit. Based on cost considerations, all the circuits use TI's chips to
design it. After test, the system performance targets are reached and some exceeds the
design requirements.
Keywords: MSP430F149; Differential Transformer; Displacement Measurement;
Data Processing
1 方案设计
1.1 理论分析
根据题目要求,本系统设计目标主要包括四大部分:激励电路、线性可变差
动变压器电路、放大整流滤波电路和数据采集及处理电路。如图 1 所示。
图
1
位移测量装置
2
上述位移测量装置的工作原理是:激励电路产生正弦波信号经放大电路放
大,差分输出运放变成两路相位相差π的正弦信号,驱动差动变压器初级线圈。
差动变压器的次级线圈感应出感生电压,电压的大小与变压器中磁棒的位置以及
初级激励信号大小有关,当激励信号大小不变时次级输出信号幅值大小取决于磁
棒的位置。在一定长度范围内,磁棒位于变压器中央时,次级两端输出信号幅值
大小相等;当磁棒移向某一边时,次级的该端的电感 L 就变大,位移量
L
∆
变大。
对于螺绕环,其电感量为:
slnL
2
00
µ
= (1-1-1)
当插入磁棒后,电感量为:
所以,
(
)
lklsnLLL
r
∆=∆−=−=∆
2
001
1
µµ
,即电感变化量
L
∆
与磁棒位移量 l
∆
成正比。故有:
(1-1-3)
,
解得 。即位移量 l
∆
与 d 成正比。
所以电感变化量输出信号幅值就变大,另一端变小,反之亦然。将差动变压
器次级输出信号进行放大整流滤波得到平滑的两组直流电压,该直流电压就反映
了磁棒在线圈中的移动距离。通过算法
其中
A
V
、
B
V
为整流滤波后的两组直流电压, d 值就精确反映了磁棒的移动
距离。
1.2 TI 器件选型及介绍
TI(美国德州仪器公司)在模拟及数字领域有着性能优越、品种丰富的器件
种类,尤其是在模拟器件和微处理器领域推出了一系列高性能,超低功耗,可靠
的运算放大器和微处理器。
本系统控制较为复杂,拟采用 320x240LCD 显示系统信息,3x4 矩阵键盘输
入,DDS 产生激励信号,因此需要占用大量的单片机 IO 资源,要求单片机运算
速度很快,及时处理 A/D 采样得到的数据。综合考虑,本系统控制核心采用
(
)
(
)
lsnslnllsnlsnL
rr
∆−+=∆−+∆=
2
0
2
0
2
0
2
01
1
µµµµµµ
dk
VV
VVL
L
BA
BA
•=
+
−
•=∆
2
0
=+
=+
∆−
=
∆+
=
0
0
00
00
'
'
UUU
LLL
L
LL
U
U
L
LL
U
U
BA
B
A
BA
BA
VV
VV
d
+
−
=
(1-1-2)
(1-1-4)
3
MSP430F149 单片机。MSP430Fxxx 系列是德州仪器公司新开发的一类具有 16
位总线的带 FLASH 的单片机,其性价比和集成度很高。它采用 16 位的总线,
外设和内存统一编址,寻址范围可达 64K,还可以外扩展存储器。具有统一的中
断管理,具有丰富的片上外围模块资源。片内有精密硬件乘法器、两个 16 位定
时器、一个 14 路的 12 位的模数转换器、一个看门狗、6 路 P 口、两路 USART
通信端口、一路 SPI 通信端口、一个比较器、一个 DCO 内部振荡器和两个外部
时钟,支持 8M 的时钟,有 PWM 工作模式。由于为 FLASH 型,则可以在线对
单片机进行调试和下载,且 JTAG 口直接和 FET(FLASH EMULATION TOOL)相
连,不需另外的仿真工具,方便实用,而且具有超低功耗。
图
2 MSP430F149
引脚图
本在激励电路中,由于要驱动线圈低阻负载,需要选择驱动能力强的单端输
入到差分输出的转换电路,因此采用 TI 的 THS4503 全差分输出放大器。THS4503
其带宽可达 370MHz,转换速率 2800 V/µs,宽电源供电范围(5 V,±5 V,12V,
15V),线性度好,增强 AC 性能并具有较好的散热能力。
图
3 THS4503
引脚图
为了去除采样时激励信号的干扰,必须保证在一个激励周期内采样 5 个点,
即采样速率 0.5MSPS,为了进一步提高精度,应选具有 1MSPS 的 A/D 转换芯片。
本系统选用 TI 公司的 A/D 转换芯片 ADS7886。ADS7886 是 12 位串行接口,
1MSPS 速率采样,微功耗 SAR 型 A/D 转换器。具有 20MHz 串行接口速率,电
路简单,无须任何外围器件,6 脚 SOT23 超小封装。
4
图
4 ADS7886
引脚图
1.3 设计方案论证
方案一:系统激励部分正弦波产生电路采用传统的函数发生芯片产生,经放
大送入差分运放、变压、整流滤波后,根据两路电压改变得到位移值。该方案产
生正弦波具有低相位噪声等优点,但传统的函数发生芯片电路结构复杂、分立元
件较多,不利于实际制作,故不采用此方案。
方案二:正弦波产生使用 DDS 方案,而整流滤波电路采用真有效值检测芯
片。真有效值检测可以将交流电压很好的转换成其有效值大小的直流电平,利于
后级电压采样。但由于真有效值检测芯片(如 AD637)价格昂贵,电路成本高
昂,故不采用此方案。
方案三:正弦波产生采用直接数字式频率合成器(DDS),后级电路与方案
一相同。DDS 方案电路简单,仅用一块芯片就可以实现,而且可以产生较宽频
率范围的正弦波且失真度小。采用普通的二极管整流滤波电路。为使后级 A/D
采样电路稳定采样,增强了整流滤波电路的滤波特性,并加一级电压跟随器进行
隔离缓冲,以达到较高精度。
通过以上分析,选择方案三。正弦波使用 DDS 芯片产生,经放大差分后输
入可变差动变压器初级,次级生成两路交流电压,经过放大整流滤波后得到直流
电压,经 A/D 转换后送入单片机,单片机通过线性拟合计算即可得到位移量。
2 系统实现
2.1 硬件设计
2.1.1 系统原理框图
图
5
系统原理框图
5
2.1.2 接口设计
激励电路使用单片机控制 AD9851 产生 100kHz 的正弦波,与 430 单片机接
口电路如图 6 所示。AD9851 输出正弦波峰峰值为 500mV 左右,加一级放大,
使输出峰峰值为 1V 左右,送入差分运放 THS4503。
图
6 DDS
与单片机接口电路
为了使差分运放稳定工作,将 THS4503 的放大倍数设置为 1,并根据其典
型应用电路配置反馈电阻。THS4503 与前级、后级接口电路如图 7 所示。
图
7 THS4503
与前级、后级接口电路
为了增强对感性负载的驱动能力,从 THS4503 出来的两路差分信号经过两
片 AD811 进行放大,驱动差动变压器前级线圈。从差动变压器次级出来的交流
信号同样经过 AD811 进行一次放大,以达到足够大的幅值送给整流二极管进行
整流,再经过两级电容滤波,得到平滑的直流电压。由于经过整流器出来的两路
电压信号一路为正,一路为负,而 A/D 转换器只能采样正电压,于是在输出负
电压之后采用由通用运放 LF353 构成的一级反相器进行反相,另一路加一级电
压跟随器进行阻抗匹配。同时为了消除数字电路对模拟电路的干扰,数字地和模
拟地分开,之间用磁珠相连进行处理,达到了较好的抗干扰效果。设计的电路如
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