位移测量装置的设计与实现

摘要：系统采用十六位单片机作为核心控制器件，实现磁棒小范围位移的精确测量。本设计首先采用DDs芯片AD985l得到一个频率为100kHz的正弦信号，并且采用THS4503芯片进行差分输出，驱动线性可变差动变压器的原边；差动变压器两个副边的输出信号分别经过INll8芯片放大后，进行半波整流、电子滤波，得到稳定的直流电压，实现磁棒位移信号的实时采集。对两路直流信号分别进行A／D转换，并送入单片机分析处理，最后将计算结果用LCD显示。整个系统结构合理，设计简洁，性能稳定，有较强的抗干扰能力。
关键词：位移；测量；单片机；磁棒；全差分放大器

l 设计要求
1．1 任务
    设计并制作一台位移测量装置，其原理示意图如图1所示(虚线框内部分可以用硬件实现，也可以用软件实现)。

1．2 要求
    (1)制作正弦信号激励电路，技术指标如下：
    ①频率：100kHz；
    ②驱动线性可变差动变压器时输出波形无明显失真。
    (2)设计、制作差动信号测量电路，包括线性可变差动变压器，放大、整流、滤波等电路，数据处理和显示等单元。在图1中的A、B两点分别输出直流电压信号VA、VB。
    (3)用模拟或数字方法计算根据d值计算、显示实际位移量。
    (4)测量的位移范围为一20mm～+20mm，测量误差的绝对值不大于2mm。
    (5)设计一个闭环控制电路，要求用直流电机驱动磁棒移动，控制磁棒达到设定位移，位移误差的绝对值不大于2mm。

2 方案论证
    根据题目要求和本系统的设计思想，系统主要包括激励信号模块，机械传动模块，信号处理模块，显示模块和键盘模块，系统总体框图如图2所示。

    方案一：激励信号模块采用高精度，高频率，低输出电阻，驱动能力强的函数发生器芯片MAX038产生一个固定的100kHz频率；机械传动模块采用直条齿轮来驱动磁棒移动，首先要求电机齿轮与直条齿轮的齿相匹配，将直条齿轮与磁铁连接，通过电机的圆形齿轮来带动直条齿轮左右移动，也即是带动磁棒在套简内左右移动；信号处理模块首先通过OP37对差动变压器副边的信号进行放大，在经过半波整流、电子滤波，得到稳定的直流电压，在送入单片机内部的AD转换器进行处理，通过AD转换后A、B两点的电压就可算出d的值，从而得到位移与d的关系式，在通过数码管显示，同时可以通过键盘设定允许范围内的任意值，并准确运行到指定的地点。
    方案二：激励信号模块采用DDS芯片AD9851，该芯片性能稳定，工作可靠，能产生100kHz稳定的频率；机械传动模块采用直流电机控制螺栓实现铁淦氧磁棒精确定位，电机每转动一圈，能产生一个固定的位移量，而且通过单片机控制可以让直流电机转动相应的圈数，以便达到设计要求；信号处理模块首先通过TI公司的仪表放大器INAll8实现小信号的放大，在经过半波整流、电子滤波，得到稳定的直流电压，在通过16位8通道AD转换器ADS8344进行处理，通过AD转换后A、B两点的电压就可算出d的值，从而得到位移与d的关系式，在通过液晶进行显示，同时可以通过键盘设定允许范围内的任意值，并准确运行到指定的地点。综合以上两种方案，我们采用方案二。

3 软硬件设计
3．1 硬件设计
    本系统主要由DDS模块、宽带低失真全差分放大模块，线性可变差动变压器的能量耦合模块、放大整流滤波模块以及4×4键盘和128×64LCD模块构成的人机界面组成。系统结构框图如图3所示：

    (1)激励电路模块
    激励电路部分通过单片机给AD985l送控制字经低通滤波器滤除谐波分量及杂散信号后得到较纯的100kHz正弦波信号。产生的信号通过差分电路形成激励信号，采用THS4503来实现。
    (2)测量电路模块
    线性可变动变压器的磁棒选用的是铁淦氧磁棒，线圈用0．13mm的漆包线绕制在塑料管制作的骨架上，再通过一个直径大一点的绝缘塑料管将磁棒与线圈包含起来。整个模块固定于一块木板上；差分输出的信号经线性可变差动变压器的Ll通过磁棒耦合到L2、L3，再由单片机控制电机的正反转来推动磁棒上下移动，使L2、L3两路信号的电压相对于中心点(两路信号的电压幅值相等相位相反处)时的幅值产生相应的偏差。由于得到的电压差值的幅值很小，所以需要采用高精度的仪表放大器INA118放大后再对信号进行处理。经过半波整流将交流转化成直流。整流之后，主要存在工频干扰，采用n形滤波电路将谐波滤去；电机驱动磁铁部分采用电机齿轮与螺杆齿轮相匹配原则，利用单片机控制电机的正反转来驱使螺帽实现上下移动。磁棒与螺杆齿轮通过绝缘材料包含，通过磁棒在线圈中移动时磁通量的变化来控制耦合能量的大小，从而也就控制了输出电压的幅值。在具体测量前，先在绝缘板上标出一个零点，标零点必须在满足L2、L3两端的对地电压幅值相等相位相反结构上严格对称的情况下进行。
    (3)数据处理模块
    经过INAll8放大、半波整流以及电子滤波后的两路电压经过ADS8344芯片进行AD采样后转换为数字量存储于单片机中，首先通过软件实现d值的运算，然后再根据实际测量值计算此位移量。整个计算过程完全采用软件实现。
    (4)显示模块
    显示部分采用LCD显示，LCD能动态显示汉字以及字符，并且显示范围大，能很好的实现人机交互界面。
3．2 软件设计
    该系统中通过软件控制的部分有正弦波信号产生以及数据处理模块，首先通过单片机采用串行方式给AD985l送40位控制字以便产生题目所要求的稳定的100kHz的正弦信号。数据处理部分也完全采用软件实现，首先对两路电压分别采样，通过单片机控制ADS8344来采集VA、VB的电压值，将转换到的数字量传回给单片机进行数据处理。由于AD采样的幅值范围有限，所以我们可以通过放大来调整其电压值，以便我们能采集到相应的幅值。程序流程图如图4所示：

4 测试
4．1 调试与测试使用的仪器
    游标卡尺、DS1062C型数字示波器、DT930FD型数字万用表、HHl641型函数信号发生器。

4．2 测试方法
4．2．1 模块测试
    为了提高调试效率，我们采用的首先将硬件系统的各模块分开进行测试，待调通后再进行整机调试。
4．2．2 系统整体调试
    将硬件模块和相应的软件进行系统整机测试。依据设计要求，分别对输出频率、输出电压峰峰值、磁棒上下移动的最大和最小位移进行测试。

    测试磁棒上下移动的最大和最小位移时，对电机的转动角度进行调整，使磁棒移动的最大和最小位移能够满足题目的要求。

4.3  测试结果分析

    本系统实现了精确步进位移量与电压测量的功能，用电机驱动螺杆，可以通过键盘输入更改转动圈数以便达到一定的位移偏量。但是在更高精度方面还存在一定程度的局限性，特别是在滤波部分可以继续完善，还可以在电路实时测量中添加语音播报，以便更好的实现人机互动。测试结果如结果测试表所示。