磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮效應將位移量轉化為時間量, 通過測量時間量來測量位移, 具有非接觸測量、精度高、重復性好、穩定可靠、環境適應性強等特點, 已在國外的石油、化工、制藥等行業得到了廣泛應用, 而國內還正處在自主研發的階段。
一般而言, 由磁致伸縮傳感器構成的位移測量系統包括大電流脈沖激發、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現高準確度測量的關鍵技術之一。而隨著半導體制作工藝的發展和計算機體系結構等方面的改進, D SP 芯片以其強大的功能、更快的速度、更小的體積和功耗、更低的價格等優勢給作者帶來了更多的應用思路。這里就是利用T I 公司的TM S320L F2407 D SP 實現高分辨力時間量檢測和位移結果計算與輸出。
1 系統組成原理及硬件設計
1.1 系統的硬件構成
系統硬件由: (1) 大電流激勵; (2) 磁致波提取與調理; (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 部分已實現[ 1 ] , 它們的輸出經限幅成 313V 后, 輸入D SP 以實現時間量測量、結果顯示、按鍵輸入、通信接口等功能。
1.2 測量方案概述
周期脈沖電流發生器產生 1kH z 大電流脈沖輸入波導鋼絲產生環繞磁場, 該磁場以光速傳播到位置磁鐵處和其垂直磁場作用, 因磁致伸縮效應在該處產生磁致扭轉波, 并以恒定速度 (v= 2800ms) 傳回, 經拾取、調理、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 采用內部CPU 時鐘, 不分頻, 計數方式為連續增加, 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 , 連續捕獲待測信號的各邊沿時刻, 就可以得到 t1H、t1L、t2H , 從而根據式 (1) 可計算得 tx , 再根據
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 系統軟件設計
系統程序采用D SP C 語言[ 2 ]編寫, 仿真器采用IM 2 CD 2407, 編譯調試軟件采用 T I 公司的集成開發環境( IDE)Code Compo ser Studio 2 (CCS θC2000) [ 4～ 5 ]。
2.1 TM S320L F2407 D SP 芯片簡介
D SP 芯片作為系統的核心部件, 采用高性價比的TM S320L F2407, 它是由 T I 公司生產的低功耗、高性能 16 位定點D SP 控制器, 25ns 指令周期(40M H z) , 主要特點有: 高達 32k 字的 FLA SH 程序存儲器, 高達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 位的串行外設接口 (SP I) , 基于鎖相環 (PLL ) 的時鐘發生器, 5 個外部中斷, 3 種低功耗電源模式以及JTA G 接口等。
214 系統硬件設計
電源部分, 由 T PS733 完成 5V 到D SP 電源 313V的轉換。系統晶振, 采用外部的 4 引腳 10M H z 集成晶振, 經D SP 內部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 進行電平匹配連接。串行通信, 采用符合R S232 標準的驅動芯片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
為了從捕獲到的數據中計算出 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, 然后根據待測信號(圖2) 的特點——t2L 值遠遠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) 的個數據就認為是 t2L , 從而其后的數據就被同步。根據式(1) 就可連續計算得到16 個 tx , 再取平均, 并根據式 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 連續增計數, 1 倍CPU 2 CL K 計數
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
以下為串口通信設置:
SC ICCR = 0x0007; 1 個停止位, 不使能奇偶校驗, 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, 無選定的發送特征, 禁止休眠, 使能SC I 接收和發送
SC ICTL 1= 0x33; 使SC I 脫離復位狀態SC ICTL 2= 0x03; 使能SC I 接收和發送中斷
SC IPR I= 0x60; SC I 接收中斷、發送中斷均為低優先級
SC IHBAUD = 0x01; 設置波特率= 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前按鍵的狀態, 經過去抖動延時后再次檢測按鍵狀態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循環周期。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 (也可用于實現CAN 通信)。中斷IN T 4 為捕獲中斷, 當CA P1 輸入引腳出現跳變時請求中斷。在捕獲中斷服務子程序中完成以下工作: 讀取并保存當前捕獲值CA P1F IFO , 并判斷是否已連續捕獲到個數的跳變, 若個數足夠就執行一次位移數值計算, 并將計算結果在LCD 上輸出, 同時用于串行通信。系統中采用的連續捕獲次數為70, 總時間為1715m s。
3、結論
系統利用 TM 320L F2407 D SP 的捕獲功能, 很好地 實 現 了 待 測 信 號 的 雙 邊 沿 時 間 檢 測。 采 用40M H zCPU 時鐘計數, 測量精度可到70Λm。系統充分利用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。
