基于FPGA和單片機(jī)的位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

1、基于fpga和單片機(jī)的位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)位移廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測(cè)、物理測(cè)量和自動(dòng)控制等。因?yàn)槠錅y(cè)量精度不高，往往滿足不了社會(huì)需求，也限制了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計(jì)了一套基于和的位移測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測(cè)量，同時(shí)也能夠達(dá)到較高的線性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量，并具有一定的有用價(jià)值。1 整體設(shè)計(jì)計(jì)劃及實(shí)現(xiàn)框圖系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖1所示，由信號(hào)產(chǎn)生部分、差分放大部分、耦合部分、信號(hào)處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用dds技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)ths4503的差分放大之后送入差動(dòng)變壓器，差動(dòng)變壓器輸出的信號(hào)經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入m

2、axl97采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在上顯示測(cè)得的位移量。2 理論分析與計(jì)算21 dds信號(hào)產(chǎn)生理論分析在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)一定的狀況下，輸出波形頻率由頻率控制字打算。設(shè)m為所設(shè)計(jì)的相位累加器的位數(shù)，n為頻率控制字，則dds系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為：試驗(yàn)中，激勵(lì)信號(hào)的頻率是100 khz，采納的時(shí)鐘頻率是40 mhz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數(shù)是29位。然后經(jīng)過da轉(zhuǎn)換器，輸出的信號(hào)經(jīng)一個(gè)截止頻率是150 khz的有源低通輸出，得到穩(wěn)定、延續(xù)平滑的波形。22 數(shù)據(jù)處理辦法分析差動(dòng)變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動(dòng)而做相應(yīng)的變幻，使輸出的兩次級(jí)線圈的隨之發(fā)生變幻

3、，將位移的變幻轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變幻，整流后采集數(shù)據(jù)，并舉行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動(dòng)變壓器數(shù)據(jù)處理采納查表法：首先采納游標(biāo)卡尺測(cè)量若干組位移值，測(cè)量的組數(shù)按照測(cè)量范圍以及測(cè)量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，按照測(cè)得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采納分段折線法處理得到精確的位移值。采納查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。3 單元模塊設(shè)計(jì)31 線性可變差動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮以下兩方面因素：1) 能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì)超出線圈之外；2) 差動(dòng)變壓器敏捷度。當(dāng)按匝數(shù)增強(qiáng)時(shí)，可使敏捷度s增強(qiáng)，但按匝數(shù)的增強(qiáng)將受到線圈導(dǎo)線允許密度

4、、導(dǎo)線發(fā)熱的散熱烈況及磁飽和等因素的約束。綜合以上分析，線圈分為上、中、下3段式，長(zhǎng)度各為2 cm，中間部分線圈為初級(jí)線圈，上下兩部分為次級(jí)線圈。初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比均為1：1，與之配套的磁棒長(zhǎng)度也為2 cm。此線圈在線性移動(dòng)范圍內(nèi)效果較好，但是當(dāng)移動(dòng)到邊緣部分時(shí)因?yàn)榇帕€簇?fù)恚瑴y(cè)得非線性的數(shù)據(jù)，但通過校準(zhǔn)后仍能達(dá)到很高的精度。32 差分放大電路選用ths4503來做差分放大電路。因?yàn)榧?lì)信號(hào)的頻率固定為100 khz，故在差分的反饋上加上，達(dá)到濾波與避開自激的效果。從輸出的信號(hào)需經(jīng)過差分放大器放大后輸出一對(duì)差分信號(hào)為變壓器的初級(jí)線圈提供電壓。電源采納±5 v雙電源供電，ths4 5

5、03的2個(gè)輸出端經(jīng)2個(gè)阻值為12 的隔離電阻與變壓器的初級(jí)線圈的兩端相銜接。詳細(xì)3所示。33 檢波電路圖4為檢波電路。差動(dòng)變壓器將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，測(cè)量信號(hào)幅值或有效值再舉行數(shù)據(jù)處理，便可得到相應(yīng)的位移值。對(duì)于有效值的檢測(cè)，選用真有效值測(cè)量芯片ad637實(shí)現(xiàn)。平均電容c1設(shè)定平均時(shí)光常數(shù)，并打算低頻精確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時(shí)光。信號(hào)經(jīng)放大后輸入到ad637舉行有效值檢波，兩電位器分離舉行調(diào)零和調(diào)幅，以使ad637的輸出更精確。34 ad采樣電路鐵芯在移動(dòng)的過程中，輸出的電壓值變幻范圍較大，因此，接入程控放大器，先通過ad轉(zhuǎn)換器采樣，根據(jù)事先劃分的幅度帶對(duì)待處理信號(hào)舉行幅度定位，然后控制放

6、大器的檔位，以提高ad轉(zhuǎn)換器的采樣精度，從而減小測(cè)量誤差。maxl97采納的是內(nèi)部時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)源，幾乎不需要外圍電路，電路結(jié)構(gòu)容易，應(yīng)用便利。詳細(xì)電路圖5所示。35 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采納專用芯片l298hn作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)需要較大的電流，為了保證電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)單片機(jī)控制板的供電系統(tǒng)不至于產(chǎn)生影響而產(chǎn)生掉電現(xiàn)象，需要采納光電耦合器tlp521-2gb舉行電源隔離，同時(shí)應(yīng)注重需要對(duì)l298hn的供電電壓舉行去耦，以保證驅(qū)動(dòng)電路的工作穩(wěn)定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6所示。4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由單片機(jī)與fpga共同控制實(shí)現(xiàn)，fpga主要用于時(shí)序的控制以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片機(jī)則用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。程序采

7、納結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，軟件采納模塊化設(shè)計(jì)，主程序中調(diào)用各子程序，有特地的數(shù)據(jù)處理子程序、子程序、掃描鍵盤子程序等。除了數(shù)據(jù)運(yùn)算和顯示外，本系統(tǒng)還附加了自校正功能，即通過比較兩路信號(hào)的幅值控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，終于使鐵芯停在參考零的位置。圖7為程序流程。5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析51 用法儀器及型號(hào)pc機(jī)：intel奔騰d，主頻：25 g，內(nèi)存：1 g；偉福機(jī)：e51s；直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：sgl733sb3a；雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)：tekt-ronlx tds1002。52 測(cè)試內(nèi)容與結(jié)果在電路調(diào)試的過程中，針對(duì)各個(gè)模塊分離舉行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果效果不錯(cuò)，調(diào)試數(shù)據(jù)表格省略。舉行整機(jī)調(diào)試時(shí)，測(cè)量了a、b、c 3點(diǎn)的信號(hào)波形。其中c處的信號(hào)波形良好，無失真。a、b 2點(diǎn)的輸出的直流信號(hào)無紋波顫動(dòng)，而且數(shù)值精確。對(duì)于位移測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表l和表2所示。對(duì)該位移測(cè)量結(jié)果舉行分析，可以看出位移測(cè)量的精度較高，最大誤差是05 mm，測(cè)量范圍是-2020 mm，總體來說，囫圇系統(tǒng)的完成狀況較好。6 結(jié)束語該系統(tǒng)測(cè)量位移范圍擴(kuò)展到-2020 mm，實(shí)際測(cè)量到自制差動(dòng)變壓器的近似線性范圍約為-2424