USB接口的多功能容柵傳感器測量系統(tǒng)

摘要：根據(jù)容柵傳感器的原理與帶USB模塊的C8051F321單片機，設(shè)計了一套基于USB接口的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)最大數(shù)跟蹤、最小數(shù)跟蹤、示值保持和清零等功能，通過USB接口與上位機交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中采用LM393芯片將傳感器信號電平轉(zhuǎn)換為CMOS電平，采用光耦隔離技術(shù)等增強系統(tǒng)的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：容柵傳感器；電平轉(zhuǎn)換；C8051F321

引言
容柵測量器具有測量可靠、體積小、功耗低、功能多等特點。隨著測量技術(shù)向精密化、高速化、多功能化發(fā)展，具有多種優(yōu)良特性的容柵傳感器應(yīng)用得越來越廣泛。由于容柵傳感器數(shù)據(jù)的傳輸多采用RS232／RS485總線方式，而USB總線方式方便、高效，并有取代串口通信方式的趨勢，因此設(shè)計一款帶USB接口的容柵傳感器測量系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值。

1 容柵傳感器測量原理
容柵傳感器的工作原理是根據(jù)平板電容理論而來。一般容柵傳感器的結(jié)構(gòu)包括動?xùn)虐搴投虐?。動?xùn)虐灏l(fā)射極和接收極，定柵板包含反射極。反射極分別和發(fā)射極、接收極形成平板電容器。通過在發(fā)射極上施加n相激勵信號，反射極將此信號反射到接收極，隨著動?xùn)虐宓囊苿?，接收極的感應(yīng)信號的幅度變化不大，而相位變化與位移量成一定函數(shù)關(guān)系：
θ(x)=arctan[(1-2x／w)／(1+√2)] (1)
其中，x為位移量，w為小發(fā)射極寬度。當(dāng)位移發(fā)生一個w寬度變化時，接收極產(chǎn)生360°／n的相差。設(shè)激勵信號的周期為T，則有：
T=N·β (2)
式中：β為最小計時單位，N為常數(shù)。而每周期代表位移量為L(本系統(tǒng)為0．508 mm)，在每周期中β代表一個小相位，則一個周期被分解為N個小相位，每個小相位代表位移量即最小分辨率：
△l=L／N (3)
本系統(tǒng)N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對于最大測量速度Vmax，因為在一個周期內(nèi)最多能分辨N個相位，所以有：
Vmax=L／T (4)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 C8051F321芯片介紹
C8051F321片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)，采用交叉開關(guān)實現(xiàn)I／O端口的靈活配置，自帶USB2．0收發(fā)器、控制處理器和內(nèi)部上拉電阻，可在全速(12MHz)或低速(1.5MHz)下運行，支持8個靈活通用的USB端點，內(nèi)置1K的USB專用緩沖寄存器。
2．2 傳感器信號處理模塊設(shè)計
容柵傳感器接口為B531，信號線有4根：電源線(1．5 V)、地線(0 V)、時鐘線(CK)、串行數(shù)據(jù)線(DATA)，并且通過控制CK、DATA信號線的電平可以實現(xiàn)容柵傳感器的不同功能比，如最大值跟蹤、最小值跟蹤、數(shù)據(jù)保持和清零等。
由于容柵傳感器內(nèi)部的專用控制芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作電壓為5 V，要進行數(shù)據(jù)交換則必須進行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換原理圖如圖1所示。電路中采用LM393芯片轉(zhuǎn)換電壓，LM393芯片實質(zhì)上為2個比較器，比較電壓為容柵傳感器工作電壓的一半左右，設(shè)為0．6V。通過比較電壓0．6V與CK和DATA信號線電平比較，即可將CK、DATA信號線的電壓轉(zhuǎn)換為0V或者5V。

2．3 硬件抗干擾電路設(shè)計
由于系統(tǒng)經(jīng)常工作在工業(yè)現(xiàn)場等領(lǐng)域，各種電磁干擾很常見，為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，采用光耦隔離技術(shù)將傳感器和單片機隔離。光耦隔離原理圖如圖2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦，輸出引腳OUT1和OUT2經(jīng)過上拉電阻處理后，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機處理。