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USB接口的多功能容栅传感器测量系统

时间:2014-03-09浏览:责任编辑:四川拓图测绘仪器

根据容栅传感器的原理与带USB模块的C8051F321单片机,设计了一套基于USB接口的测量系统。该系统能实现最大数跟踪、最小数跟踪、示值保持和清零等功能,通过USB接口与上位机交换数据。系统中采用LM393芯片将传感器信号电平转换为CMOS电平,采用光耦隔离技术等增强系统的抗干扰能力。由于容栅传感器数据的传输多采用RS232/RS485总线方式,而USB总线方式方便、高效,并有取代串口通信方式的趋势,因此设计一款带USB接口的容栅传感器测量系统具有实际应用价值。

1、容栅传感器测量原理

容栅传感器的工作原理是根据平板电容理论而来。一般容栅传感器的结构包括动栅板和定栅板。动栅板包含发射极和接收极,定栅板包含反射极。反射极分别和发射极、接收极形成平板电容器。通过在发射极上施加n相激励信号,反射极将此信号反射到接收极,随着动栅板的移动,接收极的感应信号的幅度变化不大,而相位变化与位移量成一定函数关系:

θ(x)=arctan[(1-2x/w)/(1+√2)] (1)

其中,x为位移量,w为小发射极宽度。当位移发生一个w宽度变化时,接收极产生360°/n的相差。设激励信号的周期为T,则有:

T=N·β (2)

式中:β为最小计时单位,N为常数。而每周期代表位移量为L(本系统为0.508 mm),在每周期中β代表一个小相位,则一个周期被分解为N个小相位,每个小相位代表位移量即最小分辨率:

△l=L/N (3)

本系统N为512,即最小分辨率约为0.001 mm。对于最大测量速度Vmax,因为在一个周期内最多能分辨N个相位,所以有:

Vmax=L/T (4)

2 、系统硬件设计

2.1 C8051F321芯片介绍

C8051F321片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设,采用交叉开关实现I/O端口的灵活配置,自带USB2.0收发器、控制处理器和内部上拉电阻,可在全速(12MHz)或低速(1.5MHz)下运行,支持8个灵活通用的USB端点,内置1K的USB专用缓冲寄存器。

2.2 传感器信号处理模块设计

容栅传感器接口为B531,信号线有4根:电源线(1.5 V)、地线(0 V)、时钟线(CK)、串行数据线(DATA),并且通过控制CK、DATA信号线的电平可以实现容栅传感器的不同功能比,如最大值跟踪、最小值跟踪、数据保持和清零等。

由于容栅传感器内部的专用控制芯片输出的信号电压为1.5 V,而后续数据采集系统工作电压为5 V,要进行数据交换则必须进行电平转换,电平转换原理图如图1所示。电路中采用LM393芯片转换电压,LM393芯片实质上为2个比较器,比较电压为容栅传感器工作电压的一半左右,设为0.6V。通过比较电压0.6V与CK和DATA信号线电平比较,即可将CK、DATA信号线的电压转换为0V或者5V。

2.3 硬件抗干扰电路设计

  由于系统经常工作在工业现场等领域,各种电磁干扰很常见,为了使系统能稳定工作,采用光耦隔离技术将传感器和单片机隔离。光耦隔离原理图如图2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦,输出引脚OUT1和OUT2经过上拉电阻处理后,将CK2和DATA2信号传输给C8051F321单片机处理。

信息标题:USB接口的多功能容栅传感器测量系统

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