基于單片機和TDC的磁尺數(shù)字化技術(shù)研究

本文介紹一種利用89C51單片機及TDC-GP1芯片對現(xiàn)有的磁致伸縮傳感器系統(tǒng)進行數(shù)字化改造，開發(fā)出的新型磁致伸縮線性位移(液位)傳感器。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

該數(shù)字化磁尺由不導(dǎo)磁的不銹鋼(探測桿)，磁致伸縮線(波導(dǎo)絲)、可移動的浮球(磁環(huán))和電子測量裝置等部分組成。波導(dǎo)絲被安裝在不銹鋼管內(nèi)，經(jīng)擠壓和熱處理后仍保持電磁特性，磁環(huán)在不銹鋼管外側(cè)可自由滑動。電路單元集成在傳感器頭部的套管內(nèi)。

電子測量裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖(即start脈沖)并沿波導(dǎo)絲傳播，產(chǎn)生一個環(huán)形的磁場。在探測桿外配置的活動磁環(huán)上同時產(chǎn)生一個磁場。當(dāng)電流磁場與磁環(huán)磁場相遇時，兩磁場矢量疊加，形成螺旋磁場，產(chǎn)生瞬時扭力，使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生一個“扭曲”脈沖，或稱“返回”脈沖。這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回，在電子裝置的線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖(即stop脈沖)，通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測位移量。由于磁尺輸出的電流脈沖信號是一個絕對位置的輸出量，而不是比例放大信號，所以不存在漂移，因此，出廠前標(biāo)定后不需要像其他傳感器一樣定期重新標(biāo)定和維護。

新型數(shù)字化磁尺上可以進行多磁環(huán)測量。由電子測量裝置探測到多個終止脈沖信號，分別計算出它們與起始脈沖的時間差，由此計算出的位移值可同時在上位機的圖形界面上顯示。另外，數(shù)字化磁尺上還裝有溫度傳感器，也由傳感器頭部的電子檢測裝置控制，可隨時檢測環(huán)境溫度。其工作原理圖見圖1。

2數(shù)字化改造的硬件設(shè)計

2.1電子測量系統(tǒng)組成

新型電子測量系統(tǒng)基于AT89C51和TDCGP1，采用TDCGP1直接采集start和stop兩個脈沖信號，將這兩個脈沖信號的時間間隔直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給AT89C51，由AT89C51對其進行處理，計算出精確的位移值，最后將數(shù)據(jù)送液晶顯示屏或PC機。

電子測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由CPU控制及通訊電路、脈沖發(fā)生及接收電路、脈沖時間測量電路組成。電路板內(nèi)置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接，使新型數(shù)字化磁尺更加穩(wěn)定可靠。

2.2CPU控制及通訊電路

其作用為：向各個測量電路發(fā)出測量液位(位移)或者溫度的命令；接收測量脈沖時間電路的測量數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)濾波；精確計算液位值(位移值)；將測量結(jié)果送通訊電路。

系統(tǒng)中采用ATMEL公司8位微處理計算機芯片AT89C51作為主控CPU，主頻11.0592MHz，片內(nèi)還有4KB的EEPROM和128KB的 RAM，所以無需擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器就可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能，簡化了電路設(shè)計，且使系統(tǒng)的可靠性提高，功能更強大。在4個I/O口中，P0、P2口的 P2.0～P2.3作為12位數(shù)據(jù)口，P1、P3口各引腳用于管理其他各芯片的控制線或信號線。利用MAX707芯片的看門狗電路在出現(xiàn)干擾時使計算機自動復(fù)位。

MAX489/491作為通訊芯片可與上位機直接通訊，也可送顯示儀表直接顯示。

2.3脈沖發(fā)生及接收電路

作用：發(fā)送波導(dǎo)脈沖，并接收扭曲脈沖。它包括波導(dǎo)電流脈沖發(fā)生器，應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器。信號整形后送脈沖時間測量電路。

2.4脈沖時間測量電路

采用德國acam公司的TDCGP1芯片作為脈沖時間測量電路的核心芯片。TDC-GP1是一種通用的兩通道時間-數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器。它有8個控制寄存器，通過編程可實現(xiàn)TDC-GP1的多種操作模式：普通模式，擴展模式，分辨率調(diào)節(jié)模式。

工作在普通模式時，TDCGP1的兩個通道都是由start脈沖的邊沿觸發(fā)的，每個獨立的通道可以檢測到四個采樣值，這些采樣值與start脈沖的時間被存儲到各個通道的采樣寄存器中。在start信號和第一個stop信號之間，有一個3ns空載的時間，在這個范圍內(nèi)，開始的stop信號被忽略，所以start信號和第一個stop信號之間的最小值應(yīng)為3ns(即t1＞3ns)。在同一個通道的stop信號之間，也有15ns的空載時間(即t2＞15ns)，所以太靠近的stop信號也會被忽略。而在兩個不同通道的stop信號之間則沒有最小時間的限制。所有的stop信號在start信號之后都不能超過7.6μs的最大值(即t4＜7.6μs)。其工作模式如圖3所示。

工作在擴展模式時，可以測量更大的時間間隔。在這個模式中，測量的start信號和接下來的一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設(shè)定為FC1，出現(xiàn)第一個正跳沿后計時器被觸發(fā)，TDC記錄下經(jīng)過的時鐘周期數(shù)；當(dāng)有一個stop信號被檢測到時，開始新一輪的計時。stop信號和接下來的一個參考時鐘信號的正跳沿之間的測量的時間為FC2。在stop信號之后將測量一個校準時鐘周期(Cal2-Cal1)，它用于與(FC1-FC2)比較得出一個小于半周期時間的值，最后加上預(yù)先測量得到的幾個完整的周期時間即算出start信號與stop信號時間間隔，時間計算式如式(1)。其后的stop信號也同樣處理。

式中，period為時鐘信號的周期時間；CC為預(yù)先測量的時鐘周期數(shù)。