摘要：系統(tǒng)采用十六位單片機(jī)作為核心控制器件，實(shí)現(xiàn)磁棒小范圍位移的精確測(cè)量。本設(shè)計(jì)首先采用DDs芯片AD985l得到一個(gè)頻率為100kHz的正弦信號(hào)，并且采用THS4503芯片進(jìn)行差分輸出，驅(qū)動(dòng)線性可變差動(dòng)變壓器的原邊；差動(dòng)變壓器兩個(gè)副邊的輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)INll8芯片放大后，進(jìn)行半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，實(shí)現(xiàn)磁棒位移信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。對(duì)兩路直流信號(hào)分別進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并送入單片機(jī)分析處理，最后將計(jì)算結(jié)果用LCD顯示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，性能穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：位移；測(cè)量；單片機(jī)；磁棒；全差分放大器

l 設(shè)計(jì)要求
1．1 任務(wù)
    設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)位移測(cè)量裝置，其原理示意圖如圖1所示(虛線框內(nèi)部分可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn))。

1．2 要求
    (1)制作正弦信號(hào)激勵(lì)電路，技術(shù)指標(biāo)如下：
    ①頻率：100kHz；
    ②驅(qū)動(dòng)線性可變差動(dòng)變壓器時(shí)輸出波形無(wú)明顯失真。
    (2)設(shè)計(jì)、制作差動(dòng)信號(hào)測(cè)量電路，包括線性可變差動(dòng)變壓器，放大、整流、濾波等電路，數(shù)據(jù)處理和顯示等單元。在圖1中的A、B兩點(diǎn)分別輸出直流電壓信號(hào)VA、VB。
    (3)用模擬或數(shù)字方法計(jì)算根據(jù)d值計(jì)算、顯示實(shí)際位移量。
    (4)測(cè)量的位移范圍為一20mm～+20mm，測(cè)量誤差的絕對(duì)值不大于2mm。
    (5)設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制電路，要求用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁棒移動(dòng)，控制磁棒達(dá)到設(shè)定位移，位移誤差的絕對(duì)值不大于2mm。

2 方案論證
    根據(jù)題目要求和本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要包括激勵(lì)信號(hào)模塊，機(jī)械傳動(dòng)模塊，信號(hào)處理模塊，顯示模塊和鍵盤模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

    方案一：激勵(lì)信號(hào)模塊采用高精度，高頻率，低輸出電阻，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的函數(shù)發(fā)生器芯片MAX038產(chǎn)生一個(gè)固定的100kHz頻率；機(jī)械傳動(dòng)模塊采用直條齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)磁棒移動(dòng)，首先要求電機(jī)齒輪與直條齒輪的齒相匹配，將直條齒輪與磁鐵連接，通過(guò)電機(jī)的圓形齒輪來(lái)帶動(dòng)直條齒輪左右移動(dòng)，也即是帶動(dòng)磁棒在套簡(jiǎn)內(nèi)左右移動(dòng)；信號(hào)處理模塊首先通過(guò)OP37對(duì)差動(dòng)變壓器副邊的信號(hào)進(jìn)行放大，在經(jīng)過(guò)半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，在送入單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后A、B兩點(diǎn)的電壓就可算出d的值，從而得到位移與d的關(guān)系式，在通過(guò)數(shù)碼管顯示，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤設(shè)定允許范圍內(nèi)的任意值，并準(zhǔn)確運(yùn)行到指定的地點(diǎn)。
    方案二：激勵(lì)信號(hào)模塊采用DDS芯片AD9851，該芯片性能穩(wěn)定，工作可靠，能產(chǎn)生100kHz穩(wěn)定的頻率；機(jī)械傳動(dòng)模塊采用直流電機(jī)控制螺栓實(shí)現(xiàn)鐵淦氧磁棒精確定位，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，能產(chǎn)生一個(gè)固定的位移量，而且通過(guò)單片機(jī)控制可以讓直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的圈數(shù)，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求；信號(hào)處理模塊首先通過(guò)TI公司的儀表放大器INAll8實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的放大，在經(jīng)過(guò)半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，在通過(guò)16位8通道AD轉(zhuǎn)換器ADS8344進(jìn)行處理，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后A、B兩點(diǎn)的電壓就可算出d的值，從而得到位移與d的關(guān)系式，在通過(guò)液晶進(jìn)行顯示，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤設(shè)定允許范圍內(nèi)的任意值，并準(zhǔn)確運(yùn)行到指定的地點(diǎn)。綜合以上兩種方案，我們采用方案二。

3 軟硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要由DDS模塊、寬帶低失真全差分放大模塊，線性可變差動(dòng)變壓器的能量耦合模塊、放大整流濾波模塊以及4×4鍵盤和128×64LCD模塊構(gòu)成的人機(jī)界面組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

    (1)激勵(lì)電路模塊
    激勵(lì)電路部分通過(guò)單片機(jī)給AD985l送控制字經(jīng)低通濾波器濾除諧波分量及雜散信號(hào)后得到較純的100kHz正弦波信號(hào)。產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)差分電路形成激勵(lì)信號(hào)，采用THS4503來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    (2)測(cè)量電路模塊
    線性可變動(dòng)變壓器的磁棒選用的是鐵淦氧磁棒，線圈用0．13mm的漆包線繞制在塑料管制作的骨架上，再通過(guò)一個(gè)直徑大一點(diǎn)的絕緣塑料管將磁棒與線圈包含起來(lái)。整個(gè)模塊固定于一塊木板上；差分輸出的信號(hào)經(jīng)線性可變差動(dòng)變壓器的Ll通過(guò)磁棒耦合到L2、L3，再由單片機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)推動(dòng)磁棒上下移動(dòng)，使L2、L3兩路信號(hào)的電壓相對(duì)于中心點(diǎn)(兩路信號(hào)的電壓幅值相等相位相反處)時(shí)的幅值產(chǎn)生相應(yīng)的偏差。由于得到的電壓差值的幅值很小，所以需要采用高精度的儀表放大器INA118放大后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)半波整流將交流轉(zhuǎn)化成直流。整流之后，主要存在工頻干擾，采用n形濾波電路將諧波濾去；電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁鐵部分采用電機(jī)齒輪與螺桿齒輪相匹配原則，利用單片機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)使螺帽實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。磁棒與螺桿齒輪通過(guò)絕緣材料包含，通過(guò)磁棒在線圈中移動(dòng)時(shí)磁通量的變化來(lái)控制耦合能量的大小，從而也就控制了輸出電壓的幅值。在具體測(cè)量前，先在絕緣板上標(biāo)出一個(gè)零點(diǎn)，標(biāo)零點(diǎn)必須在滿足L2、L3兩端的對(duì)地電壓幅值相等相位相反結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格對(duì)稱的情況下進(jìn)行。
    (3)數(shù)據(jù)處理模塊
    經(jīng)過(guò)INAll8放大、半波整流以及電子濾波后的兩路電壓經(jīng)過(guò)ADS8344芯片進(jìn)行AD采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲(chǔ)于單片機(jī)中，首先通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)d值的運(yùn)算，然后再根據(jù)實(shí)際測(cè)量值計(jì)算此位移量。整個(gè)計(jì)算過(guò)程完全采用軟件實(shí)現(xiàn)。
    (4)顯示模塊
    顯示部分采用LCD顯示，LCD能動(dòng)態(tài)顯示漢字以及字符，并且顯示范圍大，能很好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)中通過(guò)軟件控制的部分有正弦波信號(hào)產(chǎn)生以及數(shù)據(jù)處理模塊，首先通過(guò)單片機(jī)采用串行方式給AD985l送40位控制字以便產(chǎn)生題目所要求的穩(wěn)定的100kHz的正弦信號(hào)。數(shù)據(jù)處理部分也完全采用軟件實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)兩路電壓分別采樣，通過(guò)單片機(jī)控制ADS8344來(lái)采集VA、VB的電壓值，將轉(zhuǎn)換到的數(shù)字量傳回給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于AD采樣的幅值范圍有限，所以我們可以通過(guò)放大來(lái)調(diào)整其電壓值，以便我們能采集到相應(yīng)的幅值。程序流程圖如圖4所示：

4 測(cè)試
4．1 調(diào)試與測(cè)試使用的儀器
    游標(biāo)卡尺、DS1062C型數(shù)字示波器、DT930FD型數(shù)字萬(wàn)用表、HHl641型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

4．2 測(cè)試方法
4．2．1 模塊測(cè)試
    為了提高調(diào)試效率，我們采用的首先將硬件系統(tǒng)的各模塊分開(kāi)進(jìn)行測(cè)試，待調(diào)通后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。
4．2．2 系統(tǒng)整體調(diào)試
    將硬件模塊和相應(yīng)的軟件進(jìn)行系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，分別對(duì)輸出頻率、輸出電壓峰峰值、磁棒上下移動(dòng)的最大和最小位移進(jìn)行測(cè)試。

    測(cè)試磁棒上下移動(dòng)的最大和最小位移時(shí)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行調(diào)整，使磁棒移動(dòng)的最大和最小位移能夠滿足題目的要求。

4.3  測(cè)試結(jié)果分析

    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精確步進(jìn)位移量與電壓測(cè)量的功能，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿，可以通過(guò)鍵盤輸入更改轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)以便達(dá)到一定的位移偏量。但是在更高精度方面還存在一定程度的局限性，特別是在濾波部分可以繼續(xù)完善，還可以在電路實(shí)時(shí)測(cè)量中添加語(yǔ)音播報(bào)，以便更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。測(cè)試結(jié)果如結(jié)果測(cè)試表所示。