中心議題：

• 拉線(xiàn)式位移傳感器的總體設計分析
• 拉線(xiàn)式位移傳感器系統的硬件設計
• 拉線(xiàn)式位移傳感器系統的軟件設計

解決方案：

• 磁敏角度感應器選用MLX90316
• 采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器

引言
　　
傳統的拉線(xiàn)式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機械位移轉換成與之成線(xiàn)性或任意函數關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線(xiàn)電位器和圓形電位器都可分別用作直線(xiàn)位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉換為電壓輸出。傳統的拉線(xiàn)式位移傳感器由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統中用作位移反饋元件的時(shí)，則過(guò)大的階躍電壓會(huì )引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導致測量精度的下降。它的優(yōu)點(diǎn)是：結構簡(jiǎn)單，輸出信號大，使用方便，價(jià)格低廉。

基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器以磁場(chǎng)為傳輸載體，將位移變換轉換為磁場(chǎng)角度位移，同時(shí)，通過(guò)通信接口將位移信號返回給應用系統。

1 總體設計
　　
基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器的功能是將拉線(xiàn)的機械位移換成可以計量、記錄或傳送的電信號，主要由自動(dòng)回復彈簧、輪轂、磁鐵以及數據處理單元等部分構成，結構如圖1所示。

由圖1可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統的拉線(xiàn)式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器以磁場(chǎng)為媒介，將機械位移變化轉化為磁場(chǎng)角度變化，一方面解決傳統拉線(xiàn)位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統高頻特性，從而確保位移檢測精度。數據處理運算器，用于對接收到的磁敏角度信號通過(guò)數學(xué)模型運算為拉線(xiàn)的位移信號。通信接口，通過(guò)通信接口與應用系統的設備進(jìn)行通信，接收來(lái)自應用系統設備的命令并將采集到的位移信號反饋給應用系統。從而提高了數據采集精度、穩定性和可靠性，降低了位移傳感器的應用門(mén)檻。

各個(gè)部件功能描述如下：

(1)拉線(xiàn)的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當拉線(xiàn)產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動(dòng)輪轂的轉動(dòng)，輪轂的轉動(dòng)造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉動(dòng)，從而磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線(xiàn)運動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，自動(dòng)回復彈簧確保拉線(xiàn)具備一定的張力，確保拉線(xiàn)的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。

(2)磁敏角度感應器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來(lái)感應磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過(guò)建立數學(xué)模型，將磁敏角度運算為拉線(xiàn)的位移。

(3)通訊接口，微處理器通過(guò)通信接口接收來(lái)自應用系統的命令并將位移信息通過(guò)通信接口返回給應用系統。

2 硬件接口電路設計

數據處理單元由磁敏角度感應器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。
 

通過(guò)分析圖2，磁敏角度感應器選用MLX90316，它將拉線(xiàn)位移所導致的磁鐵磁場(chǎng)轉動(dòng)的角度轉換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對接收到的磁敏角度數據進(jìn)行處理，完成磁敏角度數據的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉換的角度，所以通過(guò)建立數學(xué)模型，結合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線(xiàn)的位移。因此，為了能夠快速地實(shí)現數據的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數據處理單元。輸入、輸出控制模塊負責各種對外接口的處理，如通過(guò)通信接口接收來(lái)自應用系統的命令，向應用系統返回采集的位移結果，以便能夠將微處理器單元能夠執行應用系統的命令并將采集結果通過(guò)接口安全可靠地發(fā)送到應用設備，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。[page]

2．1 磁敏角度接收接口　
　
MLX90316是一種線(xiàn)性霍爾芯片，采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片，該芯片可以用來(lái)測量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0～360°的旋轉位置值，通過(guò)多種模式輸出準確度很高的線(xiàn)性絕對位置信號，并且成本低廉、安裝簡(jiǎn)便。

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14位微分型A／D轉換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過(guò)16位DSP處理之后的數字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉換為模擬量輸出；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出；數字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。

由于串行通信的輸出信號直接來(lái)自于MLX90316的內部DSP輸出，SPI輸出模式更穩定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。在本設計中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖3所示。在圖3中，MLX90316的SPI三根線(xiàn)與ARM LPC2136的SPl0口連接。SPI(SerialProtocol InterIace)總線(xiàn)接口是一種同步串行外設接口。這是一個(gè)4根信號線(xiàn)的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號線(xiàn)分別是：時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)、數據輸入線(xiàn)(MISO)、數據輸出線(xiàn)(MOSI)和從設備使能線(xiàn)(SS)。

2．2 RS 485通信接口電路設計

RS 485總線(xiàn)以其結構簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統中得到了廣泛應用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現通信，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn)，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線(xiàn)收發(fā)器靈敏度很高。

在基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器中我們設計了一路RS 485信號輸出，RS 485接口芯片采用MAX3485，用于與應用系統進(jìn)行位移數據數據交換。為了確保數據通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

2．3 可控電流輸出接口
　　
數據處理單元具備一路可控4～20 mA的電流輸出，用于現場(chǎng)指示儀表的驅動(dòng)。具體的連接電路如圖4所示。其中PWM2連接ARM的PWM2引腳，PWM信號用于控制光耦的導通與截止，反相器主要用于波形的整定，根據磁敏角度和位移關(guān)系，建立數學(xué)模型，計算出PWM的占空比，從而達到電流大小調節的目的。

　　
3 軟件設計
　　
在LPC2136中嵌入了μC／OS-Ⅱ操作系統。

μC／OS-Ⅱ是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息隊列)和內存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實(shí)現準時(shí)而且無(wú)誤執行，使實(shí)時(shí)應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過(guò)程大為減化。

軟件編程主要包含3個(gè)模塊：PWM控制電流輸出模塊、RS 485通信模塊、MLX90316的SPI通信模塊，編程流程如圖5所示。PWM控制電流輸出模塊主要通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)調節電流的大小。RS 485通信模塊主要用來(lái)接收上層系統的指令并根據指令將數據回傳。MLX90316的SPI通信模塊主要用于磁敏角度的讀取，SPI的通訊過(guò)程為：主控端先輸出1個(gè)0xAA以及1個(gè)0xFF作為通信起始信號，然后接著(zhù)輸出8個(gè)0xFF，而從端會(huì )同時(shí)輸出2個(gè)0xFF、4個(gè)字節的角度信號以及4個(gè)0xFF，從而完成一次數據通訊。

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4 結語(yǔ)

利用MLX90316構建位置傳感器需要使用磁鐵，在傳感位置安裝活動(dòng)的機械部件(通常連接在軸的末端)。只要水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用。磁鐵的大小和材料并不重要；在機械、磁場(chǎng)和熱容限之內，水平磁通量必須在20～70 mT(例如，(45±25)mT)范圍以?xún)取?br />
在氣隙問(wèn)題上，如果距離IC表面的實(shí)際氣隙大于7．5 mm，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤(pán)形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環(huán)形磁鐵時(shí)可以繞在軸上。也可以使用特，殊的磁鐵設計，獲得旋轉位置傳感器正常的傳輸特性。

在“基于FPGA技術(shù)的堤壩位移智能檢測系統”中，將基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器用于堤壩根石位移采集裝置。監測的堤壩一共為7條，每條大壩有5個(gè)關(guān)鍵監測點(diǎn)，因此，利用RS 485總線(xiàn)將這35個(gè)監測點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò )。從試驗結果可以看出，該傳感器克服傳統拉線(xiàn)式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點(diǎn)，提高了測量精度。