0、引言

磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器是一種利用磁致伸縮原理來(lái)測(cè)量物體超長(zhǎng)行程絕對(duì)位移的高精度位置傳感器，它不但可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的直線(xiàn)位移，還可給出運(yùn)動(dòng)物體的位移速度模擬信號(hào)，方便的多種輸出方式可滿(mǎn)足各種測(cè)量、控制和檢測(cè)的要求。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，如何對(duì)傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化以及數(shù)據(jù)采集處理是值得研究的領(lǐng)域。近年來(lái)，磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器，無(wú)論在精度上和性能上都有了很大提高，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以借助微機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，通過(guò)可靠硬件電路和軟件設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到信號(hào)數(shù)字化和數(shù)據(jù)高速準(zhǔn)確采集處理的目的。

1、磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器工作原理

磁致伸縮位移傳感器原理圖

磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示。磁致伸縮線(xiàn)被安裝在不銹鋼管內(nèi)，磁環(huán)在不銹鋼管外側(cè)可自由滑動(dòng)，電子裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖（起始脈沖）并沿波導(dǎo)線(xiàn)傳播，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與活動(dòng)磁環(huán)固有的磁場(chǎng)矢量疊加，形成螺旋磁場(chǎng)，產(chǎn)生瞬時(shí)扭力，使波導(dǎo)線(xiàn)扭動(dòng)并產(chǎn)生張力脈沖（波導(dǎo)脈沖），這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)傳回，在線(xiàn)圈（轉(zhuǎn)換器）兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖（終止脈沖），通過(guò)測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測(cè)位移量，如下圖所示。因?yàn)閺埩γ}沖在波導(dǎo)管上的速度恒定，用測(cè)得的時(shí)間差乘以此速度，得出磁環(huán)的位置。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)不斷的，每當(dāng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，新的位置就會(huì)被感測(cè)出來(lái)。

磁致伸縮位移傳感器信號(hào)原理示意圖

1.1、位置計(jì)算

位置/mm=時(shí)差/s×傳感器的傳送速度/mm·s-1一零點(diǎn)位置/mm

1.2、更新時(shí)間及頻率響應(yīng)

傳感器的更新時(shí)間對(duì)伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。由于磁鐵距離傳感器的電子零件越遠(yuǎn)，波導(dǎo)脈沖傳播所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，所以傳感器的更新時(shí)間與距離成正比。傳感器的最長(zhǎng)更新時(shí)間可估算如下：

更新時(shí)間=（量程十零點(diǎn)位置）/傳感器傳送速度

等價(jià)頻率響應(yīng)=1/更新時(shí)間

1.3、性能參數(shù)

某進(jìn)口磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器產(chǎn)品性能參數(shù)：

最大分辨率：0.002%Fs；遲滯誤差：優(yōu)于0.002%Fs；工作溫度：測(cè)桿-40℃~+85℃，電子部件-20℃~+80℃；非線(xiàn)性（士%Fs）：優(yōu)于0.05.（300mm以下最大誤差150μm）；量程范圍（mm）：0-150～0-5000.

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)下位機(jī)選用內(nèi)藏4k字節(jié)，快擦寫(xiě)EEP-ROM的8位單片機(jī)AT89C51.該芯片可改寫(xiě)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)調(diào)試提供了極大的方便。

傳感器數(shù)字采集系統(tǒng)硬件原理

2.1、信號(hào)調(diào)節(jié)電路

將所設(shè)計(jì)電路板與傳感器裝配在一起，這樣有利于系統(tǒng)的小型化，但卻使系統(tǒng)電路板處于不利的工作環(huán)境之中，如工作期間會(huì)產(chǎn)生噪聲和溫度升高等，為了使傳感器產(chǎn)生的4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求的標(biāo)電信號(hào)，電流信號(hào)放大電路采用了OP07型運(yùn)算放大器（放大倍數(shù)為2.7.輸出電壓為0～10V），由于其噪聲峰一峰值僅為0.3μV，且具有失調(diào)電壓低，輸入阻抗高，溫漂系數(shù)小等特點(diǎn)，較好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

2.2、A／D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)采用美國(guó)AD公司的AD574芯片，此芯片是一種高集成度、低價(jià)格的逐次比較式12位A/D，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)三態(tài)緩沖器輸出，可直接與8位或16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)微處理器接口，芯片內(nèi)部帶基準(zhǔn)電源和時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，采用了單極性輸入，輸入信號(hào)幅度為0～+10V，傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路后加于AD574的13腳。AD574工作一般分兩個(gè)過(guò)程，首先是轉(zhuǎn)換過(guò)程，當(dāng)CE=1，CS=0，R/C=0時(shí)，啟動(dòng)AD574開(kāi)始轉(zhuǎn)換，此時(shí)當(dāng)A?=0時(shí)，就進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換；其次是讀取12位并行轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)CE=1，CS=0.R/C=1時(shí)，可一次讀出轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)。

2.3、單片機(jī)系統(tǒng)

AT89C51是美國(guó)ATMEL公司推出一種低功耗、高性能的CMOS控制器，下位機(jī)AT89C51的4個(gè)I/O口中，Po、P?口的P?o～P?作為12位數(shù)據(jù)口，P?、P?口各引腳用于管理其它各芯片的控制與聯(lián)絡(luò)信號(hào)線(xiàn)。它與Intel公司的8031完全兼容，而且還擁有4KB的EEPROM和128KB的RAM，在本系統(tǒng)中無(wú)須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，且使系統(tǒng)的可靠性得到了很大的提高。

2.4、串行通信電路

在以單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，通常采用RS-232接口就可完成PC機(jī)與AT-89C51單片機(jī)之間的通信，但由于RS-232所傳送的距離不超過(guò)30m，考慮到傳感器控制單片機(jī)系統(tǒng)需要遠(yuǎn)離PC操作機(jī)，所以，使用專(zhuān)用的接口將RS-232協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-422協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。

3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括AT89C51單片機(jī)的C語(yǔ)言編程和上位機(jī)PC機(jī)在Windows98下用Vi-sualC++6.0編程兩部分，我們將主要討論Win-dows98環(huán)境下的軟件設(shè)計(jì)，在VisualC++6.0提供的文檔與視圖分離技術(shù)和串行通信控件MSComm的基礎(chǔ)上，采用切分窗口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存放與顯示操作的分離，運(yùn)用多媒體定時(shí)器和多線(xiàn)程技術(shù)來(lái)采集數(shù)據(jù)，并利用自定義消息和事件來(lái)協(xié)調(diào)程序的同步。

3.1、用多媒體定時(shí)器實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

多媒體定時(shí)器可以通過(guò)函數(shù)TimeBeginPeriod（）設(shè)置最小定時(shí)精度，即按所需定時(shí)精度要求來(lái)設(shè)置硬件定時(shí)器8253的計(jì)數(shù)初值，使計(jì)數(shù)器的精度提高，而且它不依賴(lài)于Windows的消息處理機(jī)制，而是相當(dāng)于采用了一個(gè)多線(xiàn)程，即由函數(shù)Time-SetEvent產(chǎn)生的一個(gè)獨(dú)立線(xiàn)程，在一定的中斷周期到達(dá)后，直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而不必等到應(yīng)用程序的消息為空，保證了定時(shí)器的實(shí)時(shí)響應(yīng)。我們使用Windows系統(tǒng)向我們提供的兩個(gè)可實(shí)現(xiàn)多媒體定時(shí)器的API函數(shù)：TimerSetEvent（）和TimeKillEvent（），并定義了用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)事件的回調(diào)函數(shù)：VoidCALLBACKTimeFunc（），可以完成毫秒級(jí)精度的計(jì)時(shí)和控制。

3.2、數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)傳感器的原始工作波形的分析，觀(guān)察到采樣時(shí)有周期性尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象，并且考慮到數(shù)據(jù)處理時(shí)系統(tǒng)滯后時(shí)間常數(shù)相對(duì)較大，而采樣周期較短，采用防脈沖干擾平均值法與加權(quán)平均濾波法組合的復(fù)合濾波程序。首先對(duì)采集到的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉最大值和最小值；然后對(duì)剩下的n-2個(gè)數(shù)據(jù)（按原采樣順序）進(jìn)行加權(quán)平均濾波，具體算法是對(duì)n-2個(gè)采樣值分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加和，加權(quán)系數(shù)取先小后大，以突出后若干采樣的效果，加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的趨勢(shì)的辨識(shí)。各個(gè)加權(quán)系數(shù)均小于1.且相加為1.這樣，加權(quán)運(yùn)算之后的累加和就是有效采樣值。在具體編程中，為方便計(jì)算，取各加權(quán)系數(shù)均為整數(shù)，且和為256.加權(quán)后除以256即為所得。本算法中取n=8.6個(gè)加權(quán)系數(shù)按線(xiàn)性遞增變化，采用此濾波方法后，效果良好。

3.3、使用多線(xiàn)程技術(shù)編程

對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，顯示處理與采集很可能會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生沖突，影響程序的正常運(yùn)行，接受數(shù)據(jù)也會(huì)出錯(cuò)。因此，在程序中使用了多線(xiàn)程技術(shù)，并創(chuàng)建了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的輔助線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，需要采集數(shù)據(jù)時(shí)創(chuàng)建該線(xiàn)程，并在此線(xiàn)程中啟動(dòng)多媒體定時(shí)器，在采集結(jié)束或退出程序時(shí)，刪除定時(shí)器，退出該輔助線(xiàn)程。此外，由于輔助線(xiàn)程沒(méi)有自己的消息循環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)輔助線(xiàn)程與主線(xiàn)程之間的通話(huà)，我們利用Windows的消息機(jī)制，定義了兩個(gè)自定義消息WM_USER+100（用于數(shù)據(jù)處理和顯示）和WM_USER+101（用于串口通信時(shí)發(fā)送握手信號(hào)）。當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后通過(guò)PostMessage（）函數(shù)向主線(xiàn)程發(fā)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。在編程過(guò)程中，我們的輔助線(xiàn)程必須謹(jǐn)慎地保持與主線(xiàn)程的互操作的同步，我們使用MFC提供的類(lèi)CEvent（從Csyn-cObject派生），調(diào)用Cevent：：SetEvent設(shè)置適當(dāng)?shù)氖录?lái)同步輔助線(xiàn)程和主線(xiàn)程。主要源程序如下：

void CSensorView：：OnInitialUpdate（）//初始

化串口

{

CFormView：：OnInitialUpdate（）；

……

m_Comport。SetCommPort（1）；//select COM2

m_Comport。SetInputMode（1）；// 設(shè)置 輸入方式為二進(jìn)制方式

m_Comport。SetSettings（"9600.n，8.1"）；//設(shè)置波特率等參數(shù)

m_Comport。SetRThreshold（1）；//當(dāng) com 接收 buffer 中有>=1個(gè)字符時(shí)引發(fā)一個(gè)關(guān)于 接受數(shù)據(jù)的 Oncomm 事件

……

}

void CSensorView：：OnButtontrans（）

{

/ / - - - - - - - - - - - - - 為 發(fā)送按鈕添加鼠標(biāo)單擊消息處理函數(shù)

AfxBeginThread（ThreadProc，GetSafe-Hwnd（））；//啟動(dòng)輔助線(xiàn)程

…

Transmitt（）；//發(fā)送握手信號(hào)函數(shù)，當(dāng)下位機(jī)收到信號(hào)確認(rèn)后將發(fā)送數(shù)據(jù)，引發(fā)Oncomm事件，接收采集數(shù)據(jù)

}

//在輔助線(xiàn)程中啟動(dòng)多媒體定時(shí)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

UINT ThreadProc（LPVOID pParam）

{

：：WaitForSingleObject（m_eventTrans，INFI-NITE）；

ATimerID=timeSetEvent（20.0.ATimer- Func，（DWORD）this，TIME_ONESHOT）；

timeKillEvent（ATimerID）；

：：PostMessage（hWnd，PR_MESSAGE，0. 0）；//執(zhí)行自定義消息函數(shù) ProcessData（）

return 0；//結(jié)束輔助線(xiàn)程

}

void CALLBACK ATimerFunc （UINT，UINT，DWORD User，DWORD，DWORD）//定時(shí)器回調(diào)函數(shù)

{

HWND hWnd=（（CSensorView'）（User））一 >GetSafeHwnd（）；

：：PostMessage（hWnd，TR_MESSAGE，0. 0）；//執(zhí)行自定義消息函數(shù)

}

void CSensorView：：ProcessData（）//數(shù)據(jù)處理函數(shù)，包括濾波和平滑

{

……

CSensorDoc'pDoc=GetDocument（）；

……

pDoc->UpdateAllViews（this）；

}

//在 Display中動(dòng)態(tài)顯示

void Display：：OnUpdate（CView'pSender， LPARAM IHint，CObject'pHint）

{

extern CEvent m_eventTrans；

……

CSensorDoc'pDoc=（CSensorDoc'）GetDoc-ument（）；

CDC'pDC=GetDC（）；

……

ReleaseDC（pDC）；

m_eventTrans。SetEvent（）；

}

4、試驗(yàn)

磁致伸縮傳感器信號(hào)原始波形

根據(jù)所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研制了試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了性能測(cè)試。通過(guò)示波器觀(guān)測(cè)，得到了磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器原始工作波形圖，如上圖所示。8位7段LED顯示器顯示最大電壓跳變范圍約在士10LSB（相當(dāng)于±12mV）。在性能測(cè)試中，分別對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的傳感器信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與處理。靜態(tài)試驗(yàn)中圖形顯示為一條直線(xiàn)，8位7段LED顯示器顯示數(shù)字碼跳變穩(wěn)定在士LSB，數(shù)字處理效果良好，完全滿(mǎn)足精度要求；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，通過(guò)以不同的速度滑動(dòng)傳感器磁環(huán)獲得不同規(guī)律的信號(hào)，得到不同的動(dòng)態(tài)工作曲線(xiàn)，如下圖所示為其中一條曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度滿(mǎn)足10Hz頻率磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器的響應(yīng)速度。

電壓一單位時(shí)間動(dòng)態(tài)工作曲線(xiàn)

5、結(jié)束語(yǔ)

磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)數(shù)字濾波，接收的數(shù)據(jù)跳變?cè)谑縇SB范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足精度要求；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度滿(mǎn)足磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器響應(yīng)速度。試驗(yàn)樣機(jī)工作性能良好，且此系統(tǒng)對(duì)其它傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集也具有極好的參考價(jià)值。

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審核編輯 黃宇