基于FPGA和單片機(jī)的位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

　　位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測(cè)、物理測(cè)量和自動(dòng)控制等。由于其測(cè)量精度不高，往往滿足不了社會(huì)需求，也**了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)和FPGA的位移測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測(cè)量，同時(shí)也能夠達(dá)到較高的線性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1 整體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖

　　系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，由信號(hào)產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號(hào)處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動(dòng)變壓器，差動(dòng)變壓器輸出的信號(hào)經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAXl97采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測(cè)得的位移量。

　　2 理論分析與計(jì)算
　　2．1 DDS信號(hào)產(chǎn)生理論分析

　　在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設(shè)M為所設(shè)計(jì)的相位累加器的位數(shù)，N為頻率控制字，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為

　　實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)信號(hào)的頻率是100 kHz，采用的時(shí)鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數(shù)是29位。然后經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器，輸出的信號(hào)經(jīng)一個(gè)截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩(wěn)定、連續(xù)平滑的波形。

　　2．2 數(shù)據(jù)處理方法分析

　　差動(dòng)變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動(dòng)而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級(jí)線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動(dòng)變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標(biāo)卡尺測(cè)量若干組位移值，測(cè)量的組數(shù)根據(jù)測(cè)量范圍以及測(cè)量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線法處理得到精確的位移值。采用查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。

　　3 單元模塊電路設(shè)計(jì)
　　3．1 線性可變差動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮以下兩方面因素：1)能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì)超出線圈之外；2)差動(dòng)變壓器靈敏度。當(dāng)按匝數(shù)增加時(shí)，可使靈敏度S增加，但按匝數(shù)的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線發(fā)熱的散熱情況及磁飽和等因素的約束。

　　綜合以上分析，線圈分為上、中、下3段式，長(zhǎng)度各為2 cm，中間部分線圈為初級(jí)線圈，上下兩部分為次級(jí)線圈。初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比均為1：1，與之配套的磁棒長(zhǎng)度也為2 cm。此線圈在線性移動(dòng)范圍內(nèi)效果較好，但是當(dāng)移動(dòng)到邊緣部分時(shí)由于磁力線分散，測(cè)得非線性的數(shù)據(jù)，但通過校準(zhǔn)后仍能達(dá)到很高的精度。

　　3．2 差分放大電路

選用THS4503來做差分放大電路。由于激勵(lì)信號(hào)的頻率固定為100 kHz，故在差分放大器的反饋電阻上加上電容，達(dá)到濾波與避免自激的效果。從低通濾波器輸出的信號(hào)需經(jīng)過差分放大器放大后輸出一對(duì)差分信號(hào)為變壓器的初級(jí)線圈提供電壓。電源采用±5 V雙電源供電，THS4 503的2個(gè)輸出端經(jīng)2個(gè)阻值為12 Ω的隔離電阻與變壓器的初級(jí)線圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

3．3 檢波電路

圖4為檢波電路。差動(dòng)變壓器將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，測(cè)量信號(hào)幅值或有效值再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可得到相應(yīng)的位移值。對(duì)于有效值的檢測(cè)，選用真有效值測(cè)量芯片AD637實(shí)現(xiàn)。平均電容C1設(shè)定平均時(shí)間常數(shù)，并決定低頻準(zhǔn)確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時(shí)間。信號(hào)經(jīng)放大后輸入到AD637進(jìn)行有效值檢波，兩電位器分別進(jìn)行調(diào)零和調(diào)幅，以使AD637的輸出更準(zhǔn)確。