基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 年 月 日題 目：基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓 名： （簽名） 指導(dǎo)教師： （簽名） 摘 要本文介紹了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)，針對(duì)制動(dòng)器使用過程中摩擦材料需憑經(jīng)驗(yàn)定期更換，無法準(zhǔn)確判斷其失效程度的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的磨損量可以進(jìn)行測(cè)量的硬件和軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)現(xiàn)了摩擦材料位移量(磨損量)在線檢測(cè)及存貯，當(dāng)位移超出范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)1。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集智能檢測(cè)系統(tǒng)的研制成功，將解決長(zhǎng)期以來依據(jù)經(jīng)驗(yàn)更換摩擦材料的問題，為制動(dòng)器更換摩擦材料提供了一個(gè)比較科學(xué)的依據(jù)，有效地減少不必要的人

2、力和材料的浪費(fèi)，降低了安全隱患，提高了機(jī)器運(yùn)行的可靠性，具有十分重要應(yīng)用價(jià)值2。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；磨損；數(shù)據(jù)采集Subject:Design of Data acquisition system based on single chipAbstract This article describes has based on single tablets machine of data acquisition system of work principle and structure , for brake using process in the friction material requi

3、red with experience regularly replaced , cannot accurate judgment its failure degree of status , design the amount of wear and tear on brakes braking can measure of hardware and software systems, the system using displacement sensor for detection , by single tablets machine for data processing and a

4、nalysis , implementation has friction material displacement volume wear volume online detection and the storage ,when the displacement goes out of scope , issued alarm signal . Intelligent detection system of SCM data acquisition is successful, will solve the problem of friction materials has long b

5、een based on experience to be replaced, for the replacement of brake friction material providing a more scientific basis, effectively reducing the unnecessary waste of manpower and materials, reduces security risks, improve the reliability of the machine running, is of great value. Keywords : SCM ;

6、wear; data acquisition目 錄1 緒論11.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的分類11.2 數(shù)據(jù)采集21.3 信息提取31.4 本文的主要工作42 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理62.1 系統(tǒng)構(gòu)架和工作原理62.2 基本要求62.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史與發(fā)展73 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 單片機(jī)的選擇103.2 位移傳感器的選擇144 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)164.1 位移的檢測(cè)方法164.2 如何實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量184.3 位移線性化的分段依據(jù)205 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)225.1 A/D轉(zhuǎn)換的子程序225.2 參數(shù)在SPI_EEPROM中存放的地址設(shè)置235.3 通訊協(xié)

7、議245.3.1 什么是通訊協(xié)議245.3.2 數(shù)據(jù)幀格式245.3.3命令及返回格式255.4各命令的編程295.3 位移傳感器的數(shù)據(jù)線性化336 結(jié)論37致謝38參考文獻(xiàn)39381 緒論 數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問題。它是對(duì)傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理, 以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及,數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù),廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控位移、溫度和壓力等場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),作為

8、測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分,數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)3。1.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的分類 工業(yè)上使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大致可分為四類4: (1)基于通用微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 這種系統(tǒng)主要功能是將采集來的信號(hào)通過外部的采樣和A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過接口電路送入微機(jī)進(jìn)行處理，然后再顯示處理的結(jié)果或者經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出。它主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1 系統(tǒng)較強(qiáng)的軟、硬件支持。通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有的軟、硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)工作。2 具有自主開發(fā)能力。3 系統(tǒng)的軟硬件的應(yīng)用/配置比較小，系統(tǒng)的成本較高，但二次開發(fā)時(shí)，軟硬件能較好的擴(kuò)展。4 在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的可靠性差，對(duì)放置的環(huán)境要求較高。程序在R

9、AM中運(yùn)行時(shí)，易受外界干擾破壞。 (2)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 它是由單片機(jī)及其一些外圍芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：1 系統(tǒng)不具備自主開發(fā)能力。因此，系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)必須借助開發(fā)工具。2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的要求為原則，因此系統(tǒng)的軟硬件應(yīng)用充分，配置比接近于1，具有最佳的性價(jià)比；系統(tǒng)的軟件一般都具有應(yīng)用程序。3 系統(tǒng)的可靠性好，使用方便、簡(jiǎn)單。應(yīng)用程序在ROM中運(yùn)行不會(huì)因外界的干擾而遭到破壞，而且上電后系統(tǒng)立即進(jìn)入用戶狀態(tài)。 (3)基于DSP數(shù)字信號(hào)微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DSP數(shù)字信號(hào)微處理器從理論上就是一種單片機(jī)的形式，DSP數(shù)字信號(hào)微處理器與

10、通用微處理器相比，除了它們的機(jī)構(gòu)不同以外，其基本差別是：DSP數(shù)字信號(hào)微處理器有能力響應(yīng)和處理采樣模擬信號(hào)得到的數(shù)據(jù)流。常用的數(shù)字信號(hào)處理芯片有兩種類型，一種是專用DSP芯片，另一種是通用DSP芯片?；贒SP數(shù)字信號(hào)微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：精度高、可靠性高、靈活性好、容易集成、分時(shí)復(fù)用等，但同時(shí)其價(jià)格不菲。 (4)基于混合型計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng) 這是-種近年來隨著8位單片機(jī)出現(xiàn)而在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。它是由通用計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)總線相連而成。單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的部分是專為數(shù)據(jù)采集等功能的要求而配置的。主機(jī)則承擔(dān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話、大容量的計(jì)算、打印、記

11、錄、圖形顯示等任務(wù)?；旌闲陀?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： 1 通常具有自開發(fā)能力。2 系統(tǒng)配置靈活，易構(gòu)成各種大中型測(cè)控系統(tǒng)。3 主機(jī)可遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)而構(gòu)成各種局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。4 充分利用主機(jī)資源，但不會(huì)占有主機(jī)的全部CPU時(shí)間。1.2 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的采集是以單片機(jī)為核心控制器件，結(jié)合外圍電路所構(gòu)成。基本組成如圖1.1所示：輸出通道單片機(jī)輸入通道 圖1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成采集系統(tǒng)器件主要包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、I/O接口電路等。由單片機(jī)作為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程可分為以下幾個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被單片機(jī)所識(shí)別的信號(hào)并輸入給單片機(jī)；數(shù)據(jù)處理是由單片機(jī)執(zhí)行以測(cè)試為目的的算

12、法程序后，得到與被測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)量值或形成相應(yīng)的決策與判斷；數(shù)據(jù)輸出是將處理結(jié)果送給輸出設(shè)備，進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存等操作。主機(jī)一個(gè)采集系統(tǒng)的構(gòu)成，根據(jù)所測(cè)信號(hào)的特征而定。一定要滿足系統(tǒng)的性能要求。本文被采集的信號(hào)（位移）只有一個(gè)，所以采用單通道數(shù)據(jù)采集，如圖1.2所示：I/O模/數(shù)(A/D)采樣/保持（S/H）傳感器（S） 模擬 信號(hào) 圖1.2 單通道數(shù)據(jù)采集框圖1.3 信息提取 信息的提取一般采用傳感器件來完成。傳輸信息的載體是信號(hào)，為了便于對(duì)被測(cè)信息進(jìn)行后續(xù)處理，通常是將被測(cè)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，也就是把被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或其它電路參數(shù)等電信號(hào)輸出。 一般來講信號(hào)的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)與傳輸需要中間轉(zhuǎn)換裝

13、置來完成，通常是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于傳輸、功率足夠大，并具有一定驅(qū)動(dòng)功能的電流或電壓。 信號(hào)的顯示和記錄是用顯示器、指示器和記錄儀來完成。信號(hào)的處理和分析可以用數(shù)據(jù)分析儀、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)來完成，找出被測(cè)信息的變化特征及變化規(guī)律，為研究和鑒定工作提供有效的依據(jù)，也可以為系統(tǒng)的控制提供反饋信號(hào)。 總的來講，檢測(cè)技術(shù)具有如下三種功能 (1)過程中參數(shù)測(cè)量功能； (2)過程中參數(shù)監(jiān)測(cè)控制功能；(3)測(cè)量數(shù)據(jù)分析判斷功能；傳感器是作為一種把輸入的非電量(物理量、化學(xué)量、生物量等)信息轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)輸出的器件或裝置，其構(gòu)成核心是把非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件。這種轉(zhuǎn)換功能，對(duì)物性型傳感器可一次完成，實(shí)

14、現(xiàn)“被測(cè)非電量一有用電量”的直接轉(zhuǎn)換；而結(jié)構(gòu)型傳感器必須通過前置敏感元件預(yù)轉(zhuǎn)換后才能完成，即實(shí)現(xiàn)“被測(cè)非電量一有用非電量一用電量”的間接轉(zhuǎn)換。此時(shí)，傳感器就由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助元件組成。對(duì)于不同的檢測(cè)量，要根據(jù)被檢測(cè)量的特征及其在試驗(yàn)過程中的變化情況來選用符合實(shí)際情況的傳感器。本課題測(cè)試系統(tǒng)選用的傳感器是位移傳感器。 1.4 本文的主要工作制動(dòng)器的制動(dòng)是靠摩擦片和摩擦盤之間的摩擦力矩產(chǎn)生，摩擦片在工作中很容易磨損，而其中的摩擦片磨損程度檢測(cè)現(xiàn)在是靠人工來完成，通過后蓋上的測(cè)量孔對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行定期檢查。由于這種制動(dòng)器制動(dòng)力矩大，往往裝在重型設(shè)備上，這些設(shè)備的工作環(huán)境惡劣，使人工檢測(cè)不容易

15、進(jìn)行或容易產(chǎn)生誤差，無法真實(shí)反映出摩擦材料的磨損情況，更不能反映出由于摩擦熱而引起的破壞程度或潛在的熱疲勞程度。 對(duì)以上制動(dòng)器出現(xiàn)的問題，我們可以設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)由PDA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，解決了制動(dòng)器磨擦片磨損量實(shí)時(shí)測(cè)量問題，可以真實(shí)反映出摩擦材料的磨損情況。本文的具體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和位移檢測(cè)三大部分。(1)硬件部分硬件部分分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。整體硬件框圖如圖1.3所示。單片機(jī)上位機(jī)數(shù)字型號(hào)采集電路LED顯示通信芯片單通道A/D傳感器電路 圖1.3 整體硬件框圖數(shù)據(jù)采集部分可以對(duì)常見的模擬信號(hào)量，如溫度、位移、流量、速度等進(jìn)行采集。每一種信號(hào)量都能使用不同的傳感器。

16、擴(kuò)大了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，具有較強(qiáng)的通用性。(2)軟件部分 軟件部分分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)兩部分。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件使用Keil uVision4編寫。在功能上，滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本要求。界面簡(jiǎn)單，操作方便、容易。數(shù)據(jù)處理程序由A/D通道、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信四個(gè)部分組成。（3） 位移檢測(cè) 位移檢測(cè)是由于位移的改變而影響采集系統(tǒng)的輸出電壓的改變，我們可以通過輸出電壓的改變而得到位移的改變情況，由于所給磁場(chǎng)的強(qiáng)度不恒定，所以輸出電壓與被測(cè)位移不成線性關(guān)系，所以位移檢測(cè)的主要工作就是實(shí)現(xiàn)輸出電壓與被測(cè)位移的線性化。2 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理2

17、.1 系統(tǒng)構(gòu)架和工作原理系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)為PDA機(jī)或電腦，完成發(fā)送控制命令，接收下位機(jī)的反饋數(shù)據(jù)并顯示出來的功能。下位機(jī)是C8051F單片機(jī)和位移傳感器。它是系統(tǒng)的核心，完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，接受指令，數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。下圖為數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的原理圖，工作對(duì)象為位移的測(cè)量，通訊方式為串行接口。在下文中將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)中位移數(shù)據(jù)采集，并通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信部分功能的實(shí)現(xiàn)過程。如圖2.1所示： 電源 單片機(jī) 電腦 AD轉(zhuǎn)換器 傳感器 圖2.1 原理圖2.2 基本要求 （1）實(shí)時(shí)性強(qiáng)。系統(tǒng)的主要工作是對(duì)大量過程狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等。要

18、求在硬件上必須要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和優(yōu)先級(jí)中斷信息處理電路。 （2）可靠性高。它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)要求。應(yīng)選用高可靠性的嵌入式系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往是安裝在被控對(duì)象的實(shí)際工作環(huán)境中，所以不僅溫度、濕度變化大，而且灰塵多，腐蝕性強(qiáng)，為了確?？刂葡到y(tǒng)的高可靠性，要求嵌入式系統(tǒng)有防潮、防塵、抗震的能力。硬件采取冗余技術(shù)，隔離屏蔽技術(shù)等。在軟件設(shè)計(jì)上要可靠，利用容錯(cuò)技術(shù)，自診斷技術(shù)等，設(shè)置安全保護(hù)措施。 （3）通用性好，便于擴(kuò)充。一臺(tái)以嵌入式系統(tǒng)為核心的控制裝置，一般可以控多個(gè)設(shè)備和不同的過程參數(shù)。這就要求系統(tǒng)的通用性要盡可能的好，能靈活地進(jìn)行功能擴(kuò)充。如采用通用的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)。 （4）設(shè)計(jì)周期短、價(jià)

19、格便宜。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異，各種新技術(shù)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。在滿足精度、速度和其它性能的設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計(jì)周期和盡量用價(jià)格低的元器件6。2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史與發(fā)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代,1956年美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非熟練人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。 由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。 大約在60年代后期，國(guó)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，此階段的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)大多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)7

20、0年代中后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。 從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就使用的總線而言，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀器儀表和采集器，通用接口總線和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。例如：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ICE625

21、(GPIB)接口總線系統(tǒng)就是一個(gè)典型的代表。這類系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。 第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，例如：STD總線系統(tǒng)是這一類的典型代表。這種接口系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，把相應(yīng)的接口卡裝在專用的機(jī)箱內(nèi)，然后由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。第二類系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。這兩種系統(tǒng)中，如果采集測(cè)試任務(wù)改變，只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng)，或?qū)⑿驴ㄔ偬砑拥綄Ｓ玫臋C(jī)箱即可完成硬件平臺(tái)重建，顯然，這種系統(tǒng)比專用系統(tǒng)靈活得多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，使系統(tǒng)的成本降低、體積減小、功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力

22、大大加強(qiáng)。20世紀(jì)90年代至今，在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍事、 航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。目前有的DAS產(chǎn)品精度已高達(dá)16位，采集速度每秒達(dá)到幾十萬次以上。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)， 在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個(gè)新的系統(tǒng)。該階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、模塊化和即插即用方向發(fā)展，典型系統(tǒng)有VXI總線系統(tǒng),PCI、PXI總線系統(tǒng)

23、等,數(shù)據(jù)位已達(dá)到32位總線寬度，采樣頻率可以達(dá)到100MSPps。由于采用了高密度，屏蔽型，針孔式的連接器和卡式模塊，可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性，但其昂貴的價(jià)格是阻礙它在自動(dòng)化領(lǐng)域普及的一個(gè)重要因素。 但是，并行總線系統(tǒng)在軍事等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。 串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展，可靠性不斷提高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信，由于采用RS485、雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)工廠管理層局域網(wǎng)，車間層的局域網(wǎng)和底層的設(shè)備網(wǎng)已經(jīng)可以有效地連接在一起，可以有效地把多

24、臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控3。3 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基本原則是：1. 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠2. 及時(shí)準(zhǔn)確地顯示出系統(tǒng)當(dāng)狀況3. 具備較好的性價(jià)比根據(jù)以上原則，總體方案如圖3.1：參數(shù)及采集數(shù)據(jù)存電路單片機(jī)位移傳感器 報(bào)警電路調(diào)試及上位機(jī)電路電源 圖3.1 檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案圖3.1 單片機(jī)的選擇單片機(jī)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)著對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，單片機(jī)的選用原則是在滿足測(cè)試系統(tǒng)要求的條件下，需要具有一定的靈活性和擴(kuò)展功能。本系統(tǒng)選用8051系列單片機(jī)3。C8051F330/1系列器件使用Silicon Labs的專利CI

25、P-51 微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括 4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、一個(gè)具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、768字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)），真正10位200 Ksps的16通道單端/差分ADC，帶模擬多路器 ，10位電流輸出 DAC高精度可編程的 25MHz 內(nèi)部振蕩器，8KB可在系統(tǒng)編程的

26、FLASH存儲(chǔ)器，768字節(jié)片內(nèi) RAM硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口，4個(gè)通用的16位定時(shí)器，具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，片內(nèi)電壓比較器，17個(gè)端口I/O（容許5V輸入）。 主要特性6：（1） 高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，最高25MIPS執(zhí)行速度； （2）全速非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)，C2接口）； （3） 真正10位200ksps的16通道單端/差分ADC，帶模擬多路器； （4）1個(gè)10位電流型輸出DAC； （5） 高精度可編程的25MHz內(nèi)

27、部震蕩器； （6）8K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器； （7）768（512+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM； （8） 硬件實(shí)現(xiàn)的SPI，SMBus/I2C和1個(gè)UART串行接口； （9）4個(gè)通用的16位定時(shí)器； （10） 具有3個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列； （11） 片內(nèi)上電復(fù)位，看門狗定時(shí)器，1個(gè)電壓比較器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器； （12）17個(gè)I/O端口； （13） -4085度工業(yè)級(jí)溫度范圍； （14）2.7V3.6V工作電壓，20腳DIP或MLP封裝。 單片機(jī)電路圖如圖3.2，負(fù)責(zé)對(duì)位移檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警功能。 圖3.2 單片機(jī)電路圖C8051F

28、330的ADC0子系統(tǒng)集成了兩個(gè)16通道模擬多路選擇器（合稱AMUX0）和一個(gè)200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置（見圖3.3）。ADC0可以工作在單端方式或差分方式，可以配置為用于測(cè)量P0-P1、位移傳感器輸出或VDD(相對(duì)于P0-P1或GND)。只有當(dāng)ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1時(shí)ADC0子系統(tǒng)才能被使用。當(dāng)ADC0EN位為0時(shí)，ADC0子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式5。模擬多路選擇器（AMUX0）選擇ADC的正輸入和負(fù)輸入（見表3-1），P0-

29、P1、位移傳感器輸出和正電源（VDD）中的任何一個(gè)都可以被選擇為正輸入：P0-P1、VREF和GND中的任何一個(gè)都可以被選擇為負(fù)輸入。當(dāng)GND被選擇為負(fù)輸入時(shí)，ADC0工作在單端方式：在所有其他時(shí)間，ADC0工作在差分方式。ADC0的輸入通道由寄存器AMX0N選擇。轉(zhuǎn)換碼的格式在單端方式和差分方式下是不同的。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，寄存器ADC0H和ADC0L中保存ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)和低字節(jié)。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對(duì)ADC0H:ADC0L中的存儲(chǔ)方式可以是左對(duì)齊或右對(duì)齊，由AD0LJST位的設(shè)置決定。當(dāng)工作在單端方式時(shí)，轉(zhuǎn)換碼為10位無符號(hào)整數(shù)，所測(cè)量的輸入范圍為0-VREF*1023/1024.下面是

30、單端方式下數(shù)據(jù)左對(duì)齊和右對(duì)齊的例子。ADC0H和ADC0L寄存器中未使用的位被設(shè)置為0。 圖3.3 ADCO功能框圖表3-1模擬多路選擇器選擇ADC的正輸入和負(fù)輸入輸入電壓左對(duì)齊的ADC0H：ADC0L(AD0LJST=0)左對(duì)齊的ADC0H:ADC0L(AD0LJST=1)VREF*1023/10240X03FF0XFFC0VREF*512/10240X02000X8000VREF*256/10240X01000X400000X00000X0000 當(dāng)工作在差分方式時(shí)，所測(cè)量的輸入范圍為-VREF-VREF*511/512.下面是差分方式下數(shù)據(jù)左對(duì)齊和右對(duì)齊的例子(見表3-2)。對(duì)于右對(duì)齊數(shù)

31、據(jù)，ADC0H寄存器中未用的高位填充數(shù)據(jù)字的符號(hào)擴(kuò)展位。對(duì)于左對(duì)齊數(shù)據(jù)，ADC0L寄存器中未用的低位被清0。表3-2 差分方式下數(shù)據(jù)左對(duì)齊和右對(duì)齊輸入電壓左對(duì)齊的ADC0H：ADC0L(AD0LJST=0)左對(duì)齊的ADC0H:ADC0L(AD0LJST=1)VREF*511/5120X01FF0X7FC0VREF*256/5120X01000X400000X00000X0000-VREF*256/5120XFF000XC000-VREF0XFE000X8000 需要特別注意的是，被選擇為ADC0輸入的引腳被設(shè)置為模擬輸入，并且應(yīng)被數(shù)字交叉開關(guān)跳過。要將一個(gè)端口引腳配置為模擬輸入。應(yīng)將PnMDI

32、N(n=0.1)寄存器中對(duì)應(yīng)位置0。為了使交叉開關(guān)跳過一個(gè)端口引腳，應(yīng)將PnMDIN(n=0.1)寄存器中的對(duì)應(yīng)位置1。3.2 位移傳感器的選擇本課題選擇A1391線性霍爾效應(yīng)傳感器，其集成電路 (IC) 提供直接與所適用磁場(chǎng)成比例的電壓輸出。放大前，典型的霍爾效應(yīng) IC 的靈敏度（以1mV/G 為單位）與流經(jīng) IC 內(nèi)部霍爾效應(yīng)傳感器元件的電流直接成比例。在許多應(yīng)用中，要使霍爾效應(yīng)傳感器 IC 獲得充分的靈敏度水平，如果不消耗3mA以上的電流是很難實(shí)現(xiàn)的。A1391通過添加用戶可選擇的休眠方式將電流消耗減少至不超過 25A。這就使這些器件更適合于電池供電型應(yīng)用。最終用戶可以通過將邏輯電平信號(hào)

33、施加于SLEEP引腳來控制A1391的電流消耗。器件輸出在休眠模式中是無效的（高阻抗模式）。高阻抗輸出功能允許多個(gè)A1391霍爾效應(yīng)器件與單個(gè)交流至直流轉(zhuǎn)換器輸入相連接。（見圖3.4）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，器件的輸出電壓與 SUPPLY 引腳的電壓不成比例。盡管A1391中的電路具有低功率消耗，但高精度線性霍爾效應(yīng) IC 所要求的各項(xiàng)功能并未因此受到損害。每個(gè)器件都具有 BICMOS 單片電路，該電路集成了已經(jīng)改進(jìn)的溫度補(bǔ)償霍爾效應(yīng)電路，以降低霍爾元件、小型信號(hào)高增益放大器和專有動(dòng)態(tài)偏移取消電路所固有的靈敏度漂移。在下線時(shí)進(jìn)行的后封裝出廠編程可確保對(duì)器件靈敏度和偏移的精確控制。 這些器件采用 2.0

34、3.0mm, 0.75mm 標(biāo)準(zhǔn)高度微型引腳小型封裝 (MLP/DFN)。 圖3.4 位移傳感器電路1) 休眠方式中的高阻抗輸出 2) 兼容 2.5 至 3.5V 電源 3) 有源模式中10mW功率消耗 4) 微型 MLP 封裝 5) 溫度穩(wěn)定的靜止輸出電壓和靈敏度 6) 較寬的環(huán)境溫度范圍：20C 到 85C 7) ESD 保護(hù)超過 3kV 8) 高可靠性 9) 最后測(cè)試時(shí)預(yù)設(shè)靈敏度和偏移4 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的檢測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是：制動(dòng)器摩擦片磨損量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和超過所設(shè)置的磨損量時(shí)向PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本章根據(jù)現(xiàn)有的位移檢測(cè)方法來制定出一個(gè)合理的

35、智能檢測(cè)方案。4.1 位移的檢測(cè)方法位移測(cè)量根據(jù)不同的測(cè)量范圍、精度要求、測(cè)量條件、安裝方式等有多種測(cè)量技術(shù)。根據(jù)傳感器的變換原理，常用的位移測(cè)量傳感器類型有：電阻式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、霍爾元件、感應(yīng)同步器、光柵磁柵等。1. 利用電阻來測(cè)量的傳感器有電阻應(yīng)變式和電位器式。1 電阻應(yīng)變式位移傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。壓電式位移傳感器由于壓電元件的特性，它只適用于不斷變化的位移測(cè)量測(cè)量。應(yīng)變片式傳感器，用于由力或熱產(chǎn)生變形的測(cè)量。2 電位器式是位移傳感器利用移動(dòng)電位器觸點(diǎn)改變電阻值來測(cè)量位移，它可用于中、小位移測(cè)量，用于精度要求不高的場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)

36、是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。2. 利用電感的位移傳感器有自感式、互感式、電渦流式、感應(yīng)同步器。1 自感式位移傳感器是通過改變磁路磁阻使線圈自感變化，利用線圈自感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量與電量的轉(zhuǎn)換。其基本結(jié)構(gòu)含線圈、鐵芯、銜鐵三個(gè)部分。常用的有變氣隙型、變面積型和螺管插鐵型。電感式傳感器主要用于小位移量的測(cè)量，測(cè)量精度高，用于小偏差測(cè)量可達(dá)亞微米精度。傳感器輸出阻抗小，有較強(qiáng)的抗干擾能力。廣泛用于各種測(cè)量，包括加工中的測(cè)量，它可用于幾至幾百赫茲變化量的測(cè)量。2 互感式位移傳感器是通過改變互感來檢測(cè)，互感式傳感器亦稱變壓器式傳感器，它與電感式傳感器不同在于互感式傳感器是先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互的互感變化

37、，再經(jīng)變換成為電壓信號(hào)輸出。變壓器式傳感器以差動(dòng)形式為最常用，也稱差動(dòng)變壓器。變壓器式傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍與電感式傳感器大致相同，但高精度場(chǎng)合使用電感傳感器的情況較多。3 電渦流式傳感器是利用電渦流現(xiàn)象改變線圈自感、阻抗的原理，基本結(jié)構(gòu)包括變換器和探頭兩個(gè)部分。變換器由測(cè)量電路組成，探頭主要是由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成，一般放在端部。它主要用于尺寸和位移參數(shù)的測(cè)量，可用于不接觸，可達(dá)微米級(jí)的精度。4 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面繞組的互感隨位置不同而發(fā)生變化的原理來測(cè)量，感應(yīng)同步器主要用于大位移的測(cè)量，可測(cè)量長(zhǎng)達(dá)幾米的線位移，它的輸出阻抗低，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高。3. 磁電式傳感器

38、是通過磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。利用磁電效應(yīng)的位移傳感器有霍爾式、磁柵式和磁敏式。1 霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體霍爾元件的霍爾效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體通過與外磁場(chǎng)垂直的電流時(shí)，在導(dǎo)體的與磁場(chǎng)及電流方向均垂直的方向上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差與外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度及電流大小成正比，固定電流大小，電勢(shì)差與外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。利用一次線圈產(chǎn)生外磁場(chǎng)，那么電勢(shì)差與一次電流成正比，這就是霍爾傳感器的原理?；魻栐哂薪Y(jié)構(gòu)牢靠、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等污染或腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。2 磁柵式傳感器是利用磁頭和磁柵相對(duì)移動(dòng)，從而在磁頭上感應(yīng)出電

39、信號(hào)，此類傳感器屬于數(shù)字式傳感器，與另外一種數(shù)字式傳感器（感應(yīng)同步器）的特點(diǎn)及使用范圍相似，但精度略低于感應(yīng)同步器。磁柵式傳感器用于大位移與360度以內(nèi)角位移的測(cè)量。3 磁敏式傳感器是以固體中的磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)為基礎(chǔ)，因載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有磁電效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電勢(shì)，該類傳感器主要有磁阻傳感器、磁敏二極管、磁敏三級(jí)管等。4. 光電式傳感器有：一般形式、光纖式、光學(xué)編碼器式和光柵式。1 一般形式是通過改變光路的光通量，再利用各種光電器件的光電效應(yīng)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。2 光纖式傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳輸特性或材料的效應(yīng)或傳光，再用各種光電器件的光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3 光柵式傳

40、感器是利用光柵形成的莫爾條紋和位移之間的關(guān)系，再利用各種光電器件的光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它適用于大位移的測(cè)量，測(cè)量精度高。4 激光干涉?zhèn)鞲衅?、多普勒效?yīng)、衍射及光電電器件來測(cè)量，激光干涉?zhèn)鞲衅髦饕糜诖罅砍獭⒏呔鹊臏y(cè)量。5. 電容式傳感器有：電容式和容柵式。1 電容式傳感器是通過改變電容量來實(shí)現(xiàn)測(cè)量，電容式傳感器是將被測(cè)量非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。電容式傳感器主要用于小位移、尺寸偏差的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)不接觸測(cè)量，頻率響應(yīng)高，靈敏度高。它輸出阻抗高，傳感器電容值小，易受外界環(huán)境因素干擾，使用

41、時(shí)需采取妥善屏蔽措施，在采取可靠屏蔽措施條件時(shí)可達(dá)很高測(cè)量精度。2 容柵式傳感器是通過改變電容量或加以激勵(lì)電壓來產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的原理來測(cè)量，利用容柵可實(shí)現(xiàn)大位移測(cè)量。容柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，精度可達(dá)幾微米。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器，是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的一種磁敏式傳感器。它可以直接測(cè)量磁場(chǎng)和微位移量，應(yīng)用于電池測(cè)量、壓力、加速度、位移等方面的測(cè)量領(lǐng)域。目前霍爾傳感器已發(fā)展到集成電路的階段，越來越受人們的重視，在測(cè)量領(lǐng)域，可用于測(cè)量磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。在通訊領(lǐng)域，可用于放大器、振蕩器、相敏檢波、分頻已經(jīng)微波功率測(cè)量等。在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，可用于無刷直流電機(jī)、

42、速度傳感、位移傳感、自動(dòng)記數(shù)、接近開關(guān)、霍爾自整角機(jī)構(gòu)形成的伺服系統(tǒng)和自動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)等。根據(jù)不同的位移測(cè)量方法的特點(diǎn)，本課題是間接測(cè)量制動(dòng)器摩擦片的磨損量，所以選用霍爾式位移傳感器作為位移測(cè)量元件。4.2 如何實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量利用霍爾位移傳感器與磁鐵間距離的間隔而引起的電壓的變化，把位移的變化量轉(zhuǎn)化成電壓的變化量，從而實(shí)現(xiàn)電壓和位移間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。傳感器及磁鐵安裝布置如下：將傳感器固定，在將磁鐵在傳感器上移動(dòng)。用精密儀器來進(jìn)行位移的測(cè)量，分別測(cè)量出1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米、9毫米、10毫米的對(duì)應(yīng)位移下的數(shù)據(jù)，為后面的線性化做準(zhǔn)備。工作原理:霍爾傳感器的基本原

43、理是基于霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是指通過電流的導(dǎo)體在垂直于電流方向的磁場(chǎng)作用下，在導(dǎo)體的與電流及磁場(chǎng)均垂直的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差與電流大小及磁感應(yīng)強(qiáng)度均成正比。固定導(dǎo)體流過的電流，利用被測(cè)電流或電壓（實(shí)際是電壓信號(hào)產(chǎn)生的電流）信號(hào)通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，測(cè)量出固定電流導(dǎo)體垂直方向上的電動(dòng)勢(shì)，就可反應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，進(jìn)而得出通過線圈的電流或線圈兩端的電壓。技術(shù)方案:1) 使磁軛的長(zhǎng)度l，截面積S均隨位移量被測(cè)位移X的增加而增加；2) 使空氣隙長(zhǎng)度f 隨被測(cè)位移x的增加而非線性地增加；3) 獲得與被測(cè)位移x成線性關(guān)系的霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾式位移傳感器的輸出電壓U；4) 霍爾元件固定不動(dòng)，永

44、磁體鐵芯作為與被測(cè)位移量同步變化的移動(dòng)件沿z方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得被測(cè)位移量x。其優(yōu)點(diǎn)在于:1) 使磁軛的長(zhǎng)度l和磁軛的截面積S均隨位移量被測(cè)位移的增加而增加，并使得長(zhǎng)度l的磁軛的平均有效面積為一恒定值；2) 使空氣隙長(zhǎng)度f隨被測(cè)位移x的增加而非線性的增加，并滿足以下關(guān)系：磁軛的彎曲程度隨x的增加按1/2f的規(guī)律增加；3) 獲得與被測(cè)位移x成線性關(guān)系的霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾式位移傳感器的輸出電壓U，有利于推導(dǎo)出被測(cè)位移x與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和輸出電壓U的關(guān)系式；4) 霍爾元件固定不動(dòng)，永磁體鐵芯作為與被測(cè)位移量x同步變化的移動(dòng)件沿z方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得被測(cè)位移量x，使霍爾式傳感器能夠精確測(cè)量較大范

45、圍的直線位移，擴(kuò)大了霍爾式位移傳感器的應(yīng)用范圍。 4.3 位移線性化的分段依據(jù)由于霍爾位移傳感器的磁場(chǎng)強(qiáng)度不相同，所以輸出電壓U與被測(cè)位移x的關(guān)系非線性化，所以要使被測(cè)位移x與輸出電壓U成線性關(guān)系，我們可以將被測(cè)位移x分段，使其在較小的位移范圍之內(nèi)線性化，在較小的位移范圍內(nèi)，可以近似的看成在磁場(chǎng)強(qiáng)度相同而極性相反的兩個(gè)磁鐵氣隙中放置一個(gè)霍爾位移傳感器。當(dāng)元件的控制電流I恒定不變時(shí)，霍爾電勢(shì)（輸出電壓）與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿z方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)。則當(dāng)霍爾位移傳感器沿z方向移動(dòng)x時(shí)的變化為： dVH/dx=KH*I*(dB/dx)=Kl 式中K為位移傳感器輸出靈敏

46、度。l 將上式積分后得:VH =K*x，即U=K*x 分段后得到圖像圖4.6位移的線性化分段圖4.6 位移的線性化分段 橫坐標(biāo)x表示被測(cè)位移x，單位毫米（mm） 縱坐標(biāo)y表示輸出電壓U，單位伏特（mV）5 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)初始化、參數(shù)讀入程序、外圍器件初始化程序，A/D轉(zhuǎn)換程序、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、報(bào)警程序和上位機(jī)通信程序。其中單片機(jī)初始化程序只是實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的配置，所用A/D轉(zhuǎn)換口的配置和I/O口的配置。參數(shù)讀入程序是把位移傳感器線性化后的參數(shù)從SPI接口的FLASH中讀入到內(nèi)部的單片機(jī)中為計(jì)算所測(cè)位移做準(zhǔn)備。外圍器件初始化程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)SPI接口的FLASH進(jìn)行初始化。 A/D

47、轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)位移量的采集。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序是把當(dāng)前采集的位移存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)摩擦片磨損量超過所設(shè)定的值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)通信程序?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的通信協(xié)議和和執(zhí)行上位機(jī)的指令。5.1 A/D轉(zhuǎn)換C8051F330的內(nèi)部有一個(gè)10位SAR ADC和一個(gè)16通道差分輸入多路選擇器。該ADC工作在200ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正10位的線性度，INL和DNL為+1LSB。ADC系統(tǒng)包含一個(gè)可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的正輸入和負(fù)輸入。端口0-1作為ADC的輸入。另外，位移傳感器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。A/D轉(zhuǎn)換可以有6種啟動(dòng)方式：軟件命令、定時(shí)器0

48、溢出、定時(shí)器1溢出、定時(shí)器2溢出、定時(shí)器3溢出和外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號(hào)和周期性的定時(shí)器溢出信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。一次轉(zhuǎn)換完成可以產(chǎn)生中斷（如果被允許），或者用軟件查詢一個(gè)狀態(tài)位來判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)束后10位結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到ADC數(shù)據(jù)寄存器中。 窗口比較寄存器可被配置為當(dāng)ADC數(shù)據(jù)位于一個(gè)規(guī)定的范圍之內(nèi)或之外時(shí)向控制器申請(qǐng)中斷。ADC可以用后臺(tái)方式監(jiān)視一個(gè)關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的范圍之內(nèi)/外時(shí)才向控制器申請(qǐng)中斷。5.2 參數(shù)在SPI_EEPROM中存放的地址設(shè)置出廠設(shè)定值： 000到003當(dāng)前磨損值： 050到053各段分段值：l 第1段分段值： 100到10

49、1l 第2段分段值： 102到103l 第3段分段值： 104到105l 第4段分段值： 106到107l 第5段分段值： 108到109l 第6段分段值： 110到111l 第7段分段值： 112到113l 第8段分段值： 114到115l 第9段分段值： 116到117l 第10段分段值： 118到119l 第11段分段值： 120到121各段線性化系數(shù)存放地址：l 第1段線性化系數(shù)存放地址： 200到207l 第2段線性化系數(shù)存放地址： 208到215l 第3段線性化系數(shù)存放地址： 216到223l 第4段線性化系數(shù)存放地址： 224到231l 第5段線性化系數(shù)存放地址： 232到239

50、l 第6段線性化系數(shù)存放地址： 240到247l 第7段線性化系數(shù)存放地址： 248到255l 第8段線性化系數(shù)存放地址： 256到263l 第9段線性化系數(shù)存放地址： 264到271l 第10段線性化系數(shù)存放地址： 272到279測(cè)試模式值存放地址： 300最大允許磨損值存放地址： 350到353松閘最小釋放量： 400到4035.3 通訊協(xié)議 5.3.1 什么是通訊協(xié)議要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PDA之間的通信，光設(shè)計(jì)串口的程序是不夠的，還要保證有相同的通訊協(xié)議。本次設(shè)計(jì)所用的通訊協(xié)議是以CA為開頭的協(xié)議格式，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PDA之間的發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。 5.3.2 數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)幀是數(shù)據(jù)在傳輸中的一個(gè)

51、數(shù)據(jù)單元，為確保各終端能夠讀懂?dāng)?shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)，通信雙方必須使用同一種通訊協(xié)議，首先要定義一種相同的數(shù)據(jù)幀格式。表5-1為自定義CA協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式8幀頭標(biāo)識(shí)長(zhǎng)度域命令數(shù)據(jù)位校驗(yàn)碼1B2B1B2B1B數(shù)據(jù)幀格式說明6:a. 以“0xca”作為一幀的幀頭標(biāo)識(shí)，制定中未使用幀尾標(biāo)識(shí)；b. 每一個(gè)幀的長(zhǎng)度都將通過跟隨在幀頭標(biāo)識(shí)位后的幀長(zhǎng)域來決定；c. 操作碼為命令部分；d. 回復(fù)幀中要傳送的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)位，命令請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)位。幀結(jié)構(gòu)定義l 幀頭：即為定義的幀的起始標(biāo)識(shí)“0xca”，1字節(jié)長(zhǎng)度；l 長(zhǎng)度域：占2個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。低字節(jié)在前；l 命令：占1個(gè)字節(jié)；l 數(shù)據(jù)位：所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，共2個(gè)字節(jié)；l 校

52、驗(yàn)碼：確定是否是所要接受和發(fā)送的數(shù)據(jù)，過濾掉干擾信息，占1個(gè)字節(jié)。 5.3.3命令及返回格式具體命令的設(shè)置(注：長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)為低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。)格式如表5-2表5-2 命令設(shè)置格式命令頭長(zhǎng)度命令數(shù)據(jù)位校驗(yàn)碼0XCA0XXX0XXX0XXX0XXX 0XXXXX0A:讀采樣 0B:讀測(cè)量 0C:校驗(yàn)碼 0D:當(dāng)前磨損當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過255個(gè)字節(jié)時(shí)，只需取低位字節(jié)。校驗(yàn)值=數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié)+數(shù)據(jù)字節(jié)（當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過255個(gè)字節(jié)時(shí)，只需取低位字節(jié)。)例如命令：CA 05 00 0E 40 63 D7 0A 9797就是05+00+0E+40+63+D7+0A=0197的低位字節(jié)。(1)讀當(dāng)前采樣命令（有返回共2個(gè)字節(jié)）7表5-3 讀當(dāng)前采樣命令命令頭長(zhǎng)度命令數(shù)據(jù)位2個(gè)字節(jié)校驗(yàn)碼0XCA0X050X000X0A0XXX 0XXXXX命令：0XCA 0X05 0X00 0X0A 0XXX 0XXX 0XXX描述采樣命令的字段:表5-4 描述采樣命令字段字節(jié)描述值命令頭1固定值0XCA長(zhǎng)度2命令字節(jié)長(zhǎng)度低位: 0X01高位: 0X00命令1讀采樣0X0A數(shù)據(jù)位2具體值/校驗(yàn)碼1長(zhǎng)度、命令和數(shù)據(jù)位數(shù)值之和/返回?cái)?shù)據(jù)（這條命令是下位機(jī)回復(fù)上位機(jī)的數(shù)據(jù)）表5-5采樣