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基于SSI的磁致伸縮位移傳感器測量系統的設計

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-03-18 13:44

  

       磁致伸縮位移傳感器(Magnetostrictive Posi-ion Sensor)是利用兩個不同磁場相交時產生的應變脈沖信號被檢測到的時間來計算出磁場相交點的準確位置,具有高精度、高響應、低遲滯、高可靠性、非接觸、壽命長、穩定性高、安裝方便等優點,無須重新標定,無須定期維護,因而被廣泛應用于機器人、自動化技術、探測與開發技術、試驗機與試驗技術等精確測量領域。
       本文介紹一種基于SSI接口的磁致伸縮位移傳感器,并結合EDA技術設計了一種位移測量系統,能夠實現多路SSI信號輸出,并可以通過PCI總線傳輸接口實現與上位機的通信。磁致伸縮傳感器采用非接觸測量運動物體的直線位移,具有電壓輸出、電流輸出、SSI和現場總線等多種輸出方式。為了滿足高精度測量和可靠性傳輸,本文采用具有很高抗干擾性的SSI同步串行接口(Synchronous Serial Interface)輸出方式,可以遠距離傳送數據以同步方式進行交換。隨著EDA 技術的發展,用基于現場可編程門陣列FPGA的數字采集系統對傳感器進行控制,為實現數字化傳感器的控制提供了一種新的有效方法。
1、SSI通信原理
       SSI通信協議是一種同步串行接口協議,通信中只涉及兩條信號線,即同步時鐘信號和數據信號,數據可以通過24/25/26位編碼模式串行傳輸到控制系統中。SSI接口的磁致伸縮傳感器采用差分同步時鐘信號C+、C-和差分數據信號 D+、D-。通過差分傳輸方式可以有效地提高信號的抗干擾能
力,增加了系統控制的可靠性。由于SSI接口的設備傳輸速率比較高,而單片機和 DSP等很難實現高速信號的采集,而且一般的工控機也不具有SSI接口,所以采用FPGA進行測量系統設計,通過其內部豐富的邏輯資源實現數據的采集。
       SSI信號傳輸時序中MSB為最高位,LSB為最低位,Tm為單穩態觸發時間,Tp為兩個數據傳輸間隔時間。
2、測量系統總體設計
       本文采用FPGA實現SSI接口磁致伸縮位移傳感器的測量,并結合差分轉換、光耦隔離和 PCI總線數據傳輸構成基于FPGA數據采集系統。通過上位機軟件自動控制,監控傳感器產生的位移信號,并可以進行后續分析處理。
磁致伸縮位移傳感器
2.1系統實現
       基于FPGA 的PCI總線控制卡主要包括4個部分:差分轉換單元、光耦隔離單元、FPGA中央控制單元和PCI總線傳輸單元。
(1)差分轉換單元
       由于SSI時鐘信號輸入端和數據信號輸出端為差分信號,需要采用差分驅動器和差分接收器進行差分轉換。對于單路SSI接口,可以采用同時具有接收和發送功能的TI公司的SN75179進行轉換;對于多路SSI接口,可以在設計中采用多個4路差動驅動器SN75173和4路差動接收器SN75174進行轉換。
(2)光耦隔離單元
      為了保證SSI信號的高速可靠傳輸,設計中采用對輸入和輸出電信號有良好隔離作用的高速光耦合器6N137,通過光耦隔離可以得到干擾小、穩定性強的數據信號,并將其傳輸到FPGA。
(3)FPGA中央控制單元
       FPGA中央控制器設計了一個閉環的控制系統,實現SSI的同步數據采集和PCI總線傳輸。首先上位機給定初始信號和SSI數據開始采集信號,FPGA產生一個時鐘脈沖信號,SSI磁致伸縮傳感器在FPGA發出時鐘脈沖信號的控制下,開始一位位發送串行數據到FPGA控制器,FPGA通過串并轉換將SSI的數據信號轉換成可供PCI總線接收的并行數據,通過PCI接口傳輸到上位機,進行后續處理。
(4)PCI總線傳輸單元
       為滿足PCI總線接口規范,選用了PCI9052專用接口芯片,它支持位移測量控制卡的即插即用和自動配置等功能,并提供 DMA 數據傳輸方式。通過上位機發送采集命令,接收FPGA中央控制單元傳輸數據,傳輸到上位機。
2.2SSI的時序設計
       根據SSI通信協議,接收和發送信號的雙方在時鐘脈沖信號的控制下,從最高有效位開始同步傳輸數據。接收過程如下:FPGA控制器根據時鐘信號的第一個下降沿,單穩態電路被激活,SSI數據信號開始準備傳輸;當第一個時鐘上升沿到來時,第一位數據開始傳輸,隨即時鐘信號處于下降沿,單穩態電路再次被激活;接著,FPGA通過時鐘信號對串行數據進行一位位地接收,并將串行數據轉化成并行數據;時鐘信號末端,控制器獲得最低有效位數據,時鐘脈沖信號停止,經過單穩態時間(Tm)數據信號轉向高電平,數據傳輸停止,單穩態電路不被激活;
FPGA控制器接收完一個完整的數據字后,進入到空閑時間,等待下一個數據傳輸周期。串行數據轉化完并行數據后鎖存,等待上位機讀取。
       CLK為系統時鐘,CLOCK為SSI的輸入時鐘,DIN為SSI的數據輸出,out為串并轉換移位寄存 器數據,DOUT為 轉換 完成的數 據 鎖 存 器,READ為鎖存器控制信號。當CLOCK時鐘信號開始工作,FPGA控制器開始讀取SSI數據信號,并進行串并轉換。當 READ信號有效,上位機通過PCI總線讀取SSI數據信號,分析證明整個系統下載到FPGA后運行良好。
3、結束語
       本文根據磁致伸縮傳感器的工作原理和SSI通信協議,設計了一種基于FPGA的SSI磁致伸縮傳感器位移測量系統,實現了SSI的位移信號的采集。通過FPGA綜合管理和時序設計,并經過PCI總線傳輸SSI信號到上位機進行后續處理。仿真結果證明系統有良好的穩定性和傳輸可靠性。通過單路
SSI的設計,可以擴展為多路SSI位移控制,實現大型試驗機或者設備的位移測量,具有廣泛的應用性。


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