磁致伸縮線性位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

1、磁致伸縮線性位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實現(xiàn)江克平,茅及愚,徐國華(華中科技大學(xué),湖北武漢430074T he Research and Implementation of Data Collect ion Syst em for M ag netostrictiveDisplacement TransducerJIANG Ke ping ,MAO Ji yu ,XU Guo hua(Huazho ng U niv ersity o f Science and T echno log y ,Wuhan 430074,China 摘要:介紹磁致伸縮線性位移傳感器的工作原理以及如何在Windo w

2、s 98環(huán)境下實現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)AT 89C51的串口通信,并通過單片機(jī)AT 89C51組成的硬件電路對磁致伸縮線性位移傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,同時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波與實時動態(tài)顯示.關(guān)鍵詞:磁致伸縮線性位移傳感器;數(shù)字濾波;Visual C +6.0;多媒體時鐘;多線程中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-2257(200302-0009-04Abstract :T he paper presents the o perating pr inciple of the KYCM L magneto strictive dis-placem ent tr ansducer

3、 and how to realize the serial co mmunicatio n betw een the PC computer and the AT 89C51single chip m icyo co,and to acquire the mag netostrictive displacement transducer inform a-tio n by the hardwar e circuit composed of the AT 89C51sing le chip micyoco,at the same tim e,w e process the info rmati

4、on by digital filtering and a real time dynamic display in the conditio n of M S Window s98.Keywords :mag netostrictive displacementtransducer ;digital filtering ;Visual C + 6.0;mul-ti m edia timer;multi threads收稿日期:2002-08-090引言磁致伸縮線性位移傳感器是一種利用磁致伸縮原理來測量物體超長行程絕對位移的高精度位置傳感器,它不但可以測量運動物體的直線位移,還可給出運動物體的

5、位移速度模擬信號,方便的多種輸出方式可滿足各種測量、控制和檢測的要求.對于用戶來說,如何對傳感器產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化以及數(shù)據(jù)采集處理是值得研究的領(lǐng)域.近年來,磁致伸縮線性位移傳感器,無論在精度上和性能上都有了很大提高,根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,可以借助微機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,通過可靠硬件電路和軟件設(shè)計來達(dá)到信號數(shù)字化和數(shù)據(jù)高速準(zhǔn)確采集處理的目的.1磁致伸縮線性位移傳感器工作原理磁致伸縮線性位移傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.磁致伸縮線被安裝在不銹鋼管內(nèi),磁環(huán)在不銹圖1磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖鋼管外側(cè)可自由滑動,電子裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖(起始脈沖并沿波導(dǎo)線傳播,產(chǎn)生的磁場與活動磁環(huán)固有

6、的磁場矢量疊加,形成螺旋磁場,產(chǎn)生瞬時扭力,使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生張力脈沖(波導(dǎo)脈沖,這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)傳回,在線圈(轉(zhuǎn)換器兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖(終止脈沖,通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測位移量,如圖2所示.因為張力脈沖在波導(dǎo)管上的速度恒定,用測得的時間差乘以此速度,得出磁環(huán)的位置.這個過程是連續(xù)不斷的,每當(dāng)磁環(huán)運動時,新的位置就會被感測出來.1.1位置計算位置/m m =時差/s ×傳感器的傳送速度/m ms -1-零點位置/mm 圖2磁致伸縮位移傳感器信號原理示意圖1.2更新時間及頻率響應(yīng)傳感器的更新時間對伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要.由于磁鐵距離傳感器的

7、電子零件越遠(yuǎn),波導(dǎo)脈沖傳播所需的時間就越長,所以傳感器的更新時間與距離成正比.傳感器的最長更新時間可估算如下:更新時間=(量程+零點位置/傳感器傳送速度等價頻率響應(yīng)=1/更新時間1.3性能參數(shù)康宇測控儀器儀表工程有限公司的磁致伸縮線性位移傳感器產(chǎn)品性能參數(shù):最大分辨率0.002%Fs;遲滯誤差優(yōu)于0.002%Fs;工作溫度測桿-40+85,電子部件-20+80;非線性(±%Fs 優(yōu)于0.05,300mm 以下最大誤差150 m ;量程范圍(mm 0-1500-5000.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1-2系統(tǒng)下位機(jī)選用內(nèi)藏4k 字節(jié),快擦寫EEP-ROM 的8位單片機(jī)AT 89C51,該芯

8、片可改寫,為系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)調(diào)試提供了極大的方便.KYCM L 磁致伸縮線性位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖3所示 .圖3傳感器數(shù)字采集系統(tǒng)硬件原理2.1信號調(diào)節(jié)電路將所設(shè)計電路板與傳感器裝配在一起,這樣有利于系統(tǒng)的小型化,但卻使系統(tǒng)電路板處于不利的工作環(huán)境之中,如工作期間會產(chǎn)生噪聲和溫度升高等,為了使傳感器產(chǎn)生的420mA 的電流信號轉(zhuǎn)換為滿足A /D 轉(zhuǎn)換器輸入要求的標(biāo)電信號,電流信號放大電路采用了OP07型運算放大器(放大倍數(shù)為2.7,輸出電壓為010V ,由于其噪聲峰峰值僅為0.3 V ,且具有失調(diào)電壓低,輸入阻抗高,溫漂系數(shù)小等特點,較好地滿足了設(shè)計要求.2.2A /D 轉(zhuǎn)換電

9、路系統(tǒng)采用美國AD 公司的AD 574芯片,此芯片是一種高集成度、低價格的逐次比較式12位A/D,轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)緩沖器輸出,可直接與8位或16位數(shù)據(jù)總線微處理器接口,芯片內(nèi)部帶基準(zhǔn)電源和時鐘,轉(zhuǎn)換時間為25 s ,采用了單極性輸入,輸入信號幅度為0+10V,傳感器信號經(jīng)信號放大電路后加于AD574的13腳.AD574工作一般分兩個過程,首先是轉(zhuǎn)換過程,當(dāng)CE =1,CS =0,R /C =0時,啟動AD574開始轉(zhuǎn)換,此時當(dāng)A 0=0時,就進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換;其次是讀取12位并行轉(zhuǎn)換結(jié)果,當(dāng)CE =1,CS =0,R /C =1時,可一次讀出轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù).2.3單片機(jī)系統(tǒng)AT 89C51是美

10、國ATM EL 公司推出一種低功耗、高性能的CM OS 控制器,下位機(jī)AT 89C 51的4個I /O 口中,P 0、P 2口的P 2.0P 3作為12位數(shù)據(jù)口,P 1、P 3口各引腳用于管理其它各芯片的控制與聯(lián)絡(luò)信號線.它與Intel 公司的8031完全兼容,而且還擁有4KB 的EEPROM 和128KB 的RAM ,在本系統(tǒng)中無須擴(kuò)展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器就可實現(xiàn)系統(tǒng)功能,簡化了電路設(shè)計,且使系統(tǒng)的可靠性得到了很大的提高.2.4串行通信電路在以單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中,通常采用RS232接口就可完成PC 機(jī)與AT89C51單片機(jī)之間的通信,但由于RS 232所傳送的距離不超過

11、30m ,考慮到傳感器控制單片機(jī)系統(tǒng)需要遠(yuǎn)離PC 操作機(jī),所以,使用專用的接口將RS 232協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS422協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括AT 89C51單片機(jī)的C 語言編程和上位機(jī)PC 機(jī)在W indo w s98下用Vi-sual C +6.0編程兩部分,我們將主要討論Win-dow s 98環(huán)境下的軟件設(shè)計,在Visual C +6.0提供的文檔與視圖分離技術(shù)和串行通信控件M SComm 的基礎(chǔ)上,采用切分窗口技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存放與顯示操作的分離,運用多媒體定時器和多線程技術(shù)來采集數(shù)據(jù),并利用自定義消息和事件來協(xié)調(diào)程序的同步.3.1用多媒體定時器實現(xiàn)高

12、精度實時數(shù)據(jù)采集3多媒體定時器可以通過函數(shù)T imeBeginPeriod (設(shè)置最小定時精度,即按所需定時精度要求來設(shè)置硬件定時器8253的計數(shù)初值,使計數(shù)器的精度提高,而且它不依賴于Window s的消息處理機(jī)制,而是相當(dāng)于采用了一個多線程,即由函數(shù)T ime-SetEvent產(chǎn)生的一個獨立線程,在一定的中斷周期到達(dá)后,直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,而不必等到應(yīng)用程序的消息為空,保證了定時器的實時響應(yīng).我們使用Window s系統(tǒng)向我們提供的兩個可實現(xiàn)多媒體定時器的API函數(shù):T im er SetEvent(和Tim eKillEvent(,并定義了用于實現(xiàn)定時事件的回調(diào)函數(shù):Void

13、CALLBACK TimeFunc(,可以完成毫秒級精度的計時和控制.3.2數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計通過對傳感器的原始工作波形的分析,觀察到采樣時有周期性尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象,并且考慮到數(shù)據(jù)處理時系統(tǒng)滯后時間常數(shù)相對較大,而采樣周期較短,采用防脈沖干擾平均值法與加權(quán)平均濾波法組合的復(fù)合濾波程序.首先對采集到的n個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,去掉最大值和最小值;然后對剩下的n-2個數(shù)據(jù)(按原采樣順序進(jìn)行加權(quán)平均濾波,具體算法是對n-2個采樣值分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加和,加權(quán)系數(shù)取先小后大,以突出后若干采樣的效果,加強(qiáng)系統(tǒng)對參數(shù)變化的趨勢的辨識.各個加權(quán)系數(shù)均小于1,且相加為1,這樣,加權(quán)運算之后的累加和就是有

14、效采樣值.在具體編程中,為方便計算,取各加權(quán)系數(shù)均為整數(shù),且和為256,加權(quán)后除以256即為所得.本算法中取n=8,6個加權(quán)系數(shù)按線性遞增變化,采用此濾波方法后,效果良好.3.3使用多線程技術(shù)編程4對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說,顯示處理與采集很可能會在時間上產(chǎn)生沖突,影響程序的正常運行,接受數(shù)據(jù)也會出錯.因此,在程序中使用了多線程技術(shù),并創(chuàng)建了一個專門的輔助線程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,需要采集數(shù)據(jù)時創(chuàng)建該線程,并在此線程中啟動多媒體定時器,在采集結(jié)束或退出程序時,刪除定時器,退出該輔助線程.此外,由于輔助線程沒有自己的消息循環(huán),為了實現(xiàn)輔助線程與主線程之間的通話,我們利用Window s的消息機(jī)制,定義了兩個

15、自定義消息WM U SER+100(用于數(shù)據(jù)處理和顯示和W M USER+101(用于串口通信時發(fā)送握手信號.當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后通過PostM essag e(函數(shù)向主線程發(fā)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示.在編程過程中,我們的輔助線程必須謹(jǐn)慎地保持與主線程的互操作的同步,我們使用M FC提供的類CEvent(從Csyn-cObject派生,調(diào)用CeventSetEv ent設(shè)置適當(dāng)?shù)氖录硗捷o助線程和主線程.主要源程序如下: v oid CSensor ViewOnInitialU pdate(/初始化串口CFormViewOnInitialU pdate(; m Comport.SetCommPort

16、(1;/select COM2m Comport.SetInputM ode(1;/設(shè)置輸入方式為二進(jìn)制方式m Co mpo rt.SetSetting s("9600,n,8, 1"/設(shè)置波特率等參數(shù)m Comport.SetRT hreshold(1;/當(dāng)com接收buffer中有>=1個字符時引發(fā)一個關(guān)于接受數(shù)據(jù)的Onco mm事件 v oid CSensorView:OnButto ntrans(/-為發(fā)送按鈕添加鼠標(biāo)單擊消息處理函數(shù)Afx BeginThread(ThreadPr oc,GetSafe-Hw nd(;/啟動輔助線程T ransmitt(;/發(fā)

17、送握手信號函數(shù),當(dāng)下位機(jī)收到信號確認(rèn)后將發(fā)送數(shù)據(jù),引發(fā)Oncom m事件,接收采集數(shù)據(jù)/在輔助線程中啟動多媒體定時器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集U INT ThreadProc(LPVOID pParamWaitForSingleObject(m eventT rans,INFI-NIT E;AT imerID=timeSetEvent(20,0,A Timer-Func,(DWORDthis,TIM E ONESHOT;tim eKillEv ent(AT im erID;PostMessage(hWnd,PR M ESSAGE,0, 0;/執(zhí)行自定義消息函數(shù)Pr ocessData(return0;/結(jié)束

18、輔助線程void CALLBACK ATimerFunc(U INT, UINT,DWORD User,DWORD,DWORD定時器回調(diào)函數(shù)HWND hWnd=(CSenso rView*(User->GetSafeHw nd(;PostMessage(hWnd,TR MESSAGE,0, 0;/執(zhí)行自定義消息函數(shù)void CSensorViewPro cessData(/數(shù)據(jù)處理函數(shù),包括濾波和平滑CSenso rDoc*pDoc=GetDocument(;pDoc->UpdateAllView s(this;/在Display中動態(tài)顯示void DisplayOnUpdate(

19、CView*pSender, LPARAM lHint,CObject*pHintextern CEvent m eventT rans;CSenso rDoc*pDoc=(CSensor Doc*GetDoc-um ent(;CDC*pDC=GetDC(;ReleaseDC(pDC;m eventTrans.SetEvent(;4試驗根據(jù)所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),研制了試驗樣機(jī),并進(jìn)行了性能測試.通過示波器觀測,得到了KY-CM L磁致伸縮線性位移傳感器原始工作波形圖,如圖4所示.8位7段LED顯示器顯示最大電壓跳變范圍約在±10LSB(相當(dāng)于±12mV. 在性能測圖4傳感器原始工