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基于PIC單片機的數字式磁致伸縮位移傳感器的開發

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-04-01 14:22

  

       磁致伸縮位移/液位傳感器以其長距離測量、高精度、環境適應性強、穩定性好、安裝方便,在油庫、鍋爐、油田、煉油廠、化工、水利等領域逐漸取代了傳統的傳感器%已成為測量行業中的佼佼者。目前此類位移傳感器大多是把位移測量轉換成時間測量,再把時間轉換為成比例的電信號作為輸出,這一方法存在不足之處,例如一根測桿只能對一個液位進行測量,測量精度受到模擬測量電路的限制,測量的模擬電信號不能遠距離傳輸及功耗大等。
       以下介紹的數字式磁尺對原磁致伸縮位移傳感器的時間信號直接進行測量,采用適當濾波算法處理測量結果以提高精度,實現多點測量,所得測量值通過串行總線可實現遠距離傳輸,增添單片機以后實現了智能化人機接口!可以方便接入工業網! 采用PIC單片機及其他低功耗芯片,優化電路結構,使系統功耗大大降低,為本類型傳感器開發奠定基礎。
2.數字化磁尺的結構及工作原理
       該數字尺由不導磁的不銹鋼管、探測桿、磁致伸縮線、波導絲、可移動的浮球、磁環、和電子裝置等部分組成, 波導絲安裝在不銹鋼管內保持電磁特性。磁環在不銹鋼管外側可自由滑動,電路裝置集成在傳感器頭部的套管內。
       當用于液位測量時,磁環被封在浮球內,浮球套在探測桿上可沿探測桿隨液位的變化而上下移動,電子裝置產生一脈沖,即start脈沖,經過功率放大,送入波導絲,在波導絲周圍產生一個環形的磁場,在探測桿外配有的活動磁環同時產生一個磁場,且磁場方向與波導絲中電流產生的磁場方向垂直,當電流  磁場與磁環磁場相遇時,兩磁場交互作用,形成螺旋磁場,產生瞬時扭力,使波導絲扭動并產生一個(扭曲)脈沖,或稱(返回)脈沖,這個脈沖以音速沿波導絲傳回,在電子裝置的線圈兩端產生感應脈沖,即STOP脈沖),脈沖在波導絲中傳輸時間和磁環的位置成比例, 因此通過測量start脈沖與stop脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測位移量。聲音在波導絲中的傳輸速度大約為2830m/s,要得到5μm的分辨率,對時間測量的精度就要達到1.8ns,故要求參考時鐘達到GHz的范圍。
3.系統硬件設計
3.1系統結構框圖及人機界面
       系統硬件部分主要有+前端輸入信號整形及緩沖電路 ,TDC-GP1,PIC16C63,AT24C01,DS18B20,顯示電路,電源電路,時鐘電路,通信電路。
       系統允許對 1 個液位,1 個溫度點同時進行測量,不同場合對液位個數和溫度點數的需求不同,廠家可以通過上位機進行參數設定,系統的液位測量和溫度測量獨立進行,一種測量發生故障不會影響另一種的正常測量,1個溫度點任何一路發生故障,就會傳給上位機一個默認值,用戶可以據此在線更換新的溫度傳感器,系統能夠自動找到并啟用它,用戶每次開機可以通過上位機給下位機下達命令,對通信、TDC-GP1,PIC16C63,AT24C01,DS18B20進行自檢,自檢失敗會給上位機返回警告信號,系統具有掉電保護功能,當掉電時,參數的設定值可以保存在AT24C01中,每個磁尺都有一個唯一的地址,地址有上位機設定,這樣可以用多達256個該類磁尺組建一個測控網絡,采用RS-485串行總線進行通信。系統對測量數據進行異或校驗,避免由于傳輸而造成的數據錯誤。
磁致伸縮位移/液位傳感器
3.2微處理電路
       系統采用美國Microchip公司的PIC16C63A單片機作為下位機,有可編程編碼(加密)能保護功能。PIC16C63A微控制器采用寬字單周期指令、哈佛雙總線和RISC結構,其數據吞吐率最高可達6MIPS,數據輸入線允許有25mA的倒灌電流,可以直接驅動LED。片內有可直接尋址的4k字程序存貯器、192個八位數據寄存器、3個I/O口、2個八位和1個十六位的定時器/計數器、2個捕捉/比較/脈寬調制(CCP)部件、同步串行口(SPP)部件、串行通信接口(SCI)部件??蛇x擇振蕩器類型:RC型,XT型,HS型和LP型,從而運行用戶在4種從直流到20MHz頻率范圍選擇一種振蕩器形式讓芯片執行指令,以優化系統功耗。具有多種復位功能:上電復位功能POR,上電延時定時器PWRT,振蕩器起振定時器OST,帶有片內振蕩器的監視定時器WDT。有省電的休眠(SLEEP)方式!有多級中斷功能,可編程ID標志碼,在線串行編程。
3.3時間測量電路
        時間測量電路采用德國ACAM公司生產的高精度時間測量芯片TDC-GP1(Time to Digital Con-verter-General Purpose)。TDC-GP1提供了八位數據總線和四位地址總線接口,操作時序符合通用微處理器的總線操作時序,使得TDC-GP1很方便作為一個微處理器的簡單外圍電路,用于操作TDC-GP1的12個八位控制寄存器、2個八位狀態寄存器和8個十六位結果寄存器.另外,TDC-GP1還提供了4個接口用于測量電阻、電容或者電感,其擁有16位的精度和2萬次/s的測量速度;
        它有兩種工作模式:兩路通道、250s-1分辨率的小量程工作模式;一路通道、125s-1分辨率大量程工作模式??梢酝ㄟ^設置片內12個控制寄存器改變工作狀態.
        工作在小量程模式時,TDC的兩個通道都由start脈沖的邊沿觸發,每個獨立的通道可以檢測到4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1個stop信號之間,不能少于3ns的時間間隔。在同一個通道的stop信號之間,必須有15ns的時間間隔;所有stop信號在start信號之后都不能超過7.6μs的最大值。
       工作在大量程模式時,start信號和接下來的第1個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設定為FC1,出現第1個正跳沿后計時器被觸發,TDC記錄下經過的時鐘周期數CC,直至第1個stop信號被檢測到,第1個stop脈沖和接下來的第1個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設定為FC2,接著開始新一輪的計數。時間值可由時間計算式算出。在這種模式下,start信號和stop信號之間,兩個不同的stop信號之間至少要大于2個時鐘周期,所有的stop信號之間不應超過2倍的時鐘周期,所以最大的測量范圍不超過,20ms。
       該芯片具有高分辨率、低功耗、測量范圍廣、多點測量、體積小等優點,成為傳感器和處理器之間方便的橋梁,大大減輕了處理器的工作壓力,本系統最多可配3個磁環,另加start脈沖的回波共4個stop脈沖,只要利用PIC16C63A單片機對TDC-GP1的控制寄存器進行設定,使其工作在大量程模式 ,TDC-GP1就自動進行測量并把結果轉化為十六進制數作為輸出。
3.4掉電保護電路
       考慮到在掉電的情況下需要保存該磁尺地址、磁環數、溫度點數、波特率、DS18B20的代碼等一些參數,本系統選用AT24C01作為掉電保護裝置。
3.5溫度測量電路
     為得到所測液體以及周圍環境的溫度,在原有模擬磁尺的基礎上增加了溫度測量電路,所用器件是美國 DALLAS公司生產的DS18B20。
3.6顯示電路、通信電路、電源電路
    測量現場數據顯示電路采用八位串行輸入液晶顯示模塊,微處理器通過串行接口同步輸入液位值,用戶可在線觀察液位的變化。上位機和下位機之間用RS485串行標準進行通信,采用ADM483E芯片。系統采用LM2575開關電源,效率高,輸出電流可達到 1 A。
3.7信號前置處理電路
     采用帶施密特觸發器邏輯門、比較器及濾波電路對模擬板提供的脈沖信號進行隔離、緩沖、整形及濾波,不僅去掉了毛刺,改善了波形的上升沿及下降沿, 而且提高了模擬信號負載能力,提高了TDC的測量精度。
4.軟件系統設計
上位機軟件采用Visual C++6.0,下位機軟件用PIC16C63A的匯編語言實現。
下位機通過串行口與上位機進行通信,下位機的通信模塊,包括串行口的初始化和中斷服務程序。
上位機命令格式: 8位地址碼+8位命令碼+8位參數值+8位異或校驗碼.
下位機命令格式:8位地址碼+測量值+8位異或校驗碼.
5、信號處理
       為磁環在某靜態位置的情況下,用數字示波器對原始STOP信號和START信號進行多次采樣。
       磁環靜止不動,不同次的采樣中stop信號和start信號之間的時間差有波動,最大波動范圍可達μm級,按超聲波在波導絲中的傳輸速度2830m/s計算,磁尺本身就有mm級誤差。本系統對多種濾波算法進行了仿真,選用防脈沖干擾平均值法,結果精度提高到全量程的,基于PIC16C63單片機有限的運算能力和存貯空間的限制,下位機信號處理
       為磁環在某靜態位置的情況下,把在靜態情況下每次采集的4組數據累加起來,然后減去最大和最小的一組,除以 所得平均值作為測量結果。
6.結束語
       在調試中遇到并解決了一些問題,PIC單片機的程序存儲空間分兩頁,當程序足夠大并同時占用兩頁時,往往出現程序“飛”的情況。對此,本系統采取了以下辦法:當用goto和call命令訪問另一頁時,設置platch寄存器的第4位,并且在程序中打開“看門狗”。
 


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