位移測量裝置的軟硬件設計和測試方法

設計要求

1．1 任務

設計并制作一臺位移測量裝置，其原理示意圖如圖1所示（虛線框內部分可以用硬件實現，也可以用軟件實現）。

位移測量裝置的軟硬件設計和測試方法

1．2 要求

（1）制作正弦信號激勵電路，技術指標如下：

①頻率：100kHz；

②驅動線性可變差動變壓器時輸出波形無明顯失真。

（2）設計、制作差動信號測量電路，包括線性可變差動變壓器，放大、整流、濾波等電路，數據處理和顯示等單元。在圖1中的A、B兩點分別輸出直流電壓信號VA、VB。

（3）用模擬或數字方法計算根據d值計算、顯示實際位移量。

（4）測量的位移范圍為一20mm～+20mm，測量誤差的絕對值不大于2mm。

（5）設計一個閉環控制電路，要求用直流電機驅動磁棒移動，控制磁棒達到設定位移，位移誤差的絕對值不大于2mm。

2 方案論證

根據題目要求和本系統的設計思想，系統主要包括激勵信號模塊，機械傳動模塊，信號處理模塊，顯示模塊和鍵盤模塊，系統總體框圖如圖2所示。

方案一：激勵信號模塊采用高精度，高頻率，低輸出電阻，驅動能力強的函數發生器芯片MAX038產生一個固定的100kHz頻率；機械傳動模塊采用直條齒輪來驅動磁棒移動，首先要求電機齒輪與直條齒輪的齒相匹配，將直條齒輪與磁鐵連接，通過電機的圓形齒輪來帶動直條齒輪左右移動，也即是帶動磁棒在套簡內左右移動；信號處理模塊首先通過OP37對差動變壓器副邊的信號進行放大，在經過半波整流、電子濾波，得到穩定的直流電壓，在送入單片機內部的AD 轉換器進行處理，通過AD轉換后A、B兩點的電壓就可算出d的值，從而得到位移與d的關系式，在通過數碼管顯示，同時可以通過鍵盤設定允許范圍內的任意值，并準確運行到指定的地點。

方案二：激勵信號模塊采用DDS芯片AD9851，該芯片性能穩定，工作可靠，能產生100kHz穩定的頻率；機械傳動模塊采用直流電機控制螺栓實現鐵淦氧磁棒精確定位，電機每轉動一圈，能產生一個固定的位移量，而且通過單片機控制可以讓直流電機轉動相應的圈數，以便達到設計要求；信號處理模塊首先通過TI公司的儀表放大器INAll8實現小信號的放大，在經過半波整流、電子濾波，得到穩定的直流電壓，在通過16位8通道AD轉換器ADS8344進行處理，通過AD轉換后A、B兩點的電壓就可算出d的值，從而得到位移與d的關系式，在通過液晶進行顯示，同時可以通過鍵盤設定允許范圍內的任意值，并準確運行到指定的地點。綜合以上兩種方案，我們采用方案二。

3 軟硬件設計

3．1 硬件設計

本系統主要由DDS模塊、寬帶低失真全差分放大模塊，線性可變差動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模塊構成的人機界面組成。系統結構框圖如圖3所示：

（1）激勵電路模塊

激勵電路部分通過單片機給AD985l送控制字經低通濾波器濾除諧波分量及雜散信號后得到較純的100kHz正弦波信號。產生的信號通過差分電路形成激勵信號，采用THS4503來實現。

（2）測量電路模塊

線性可變動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，再通過一個直徑大一點的絕緣塑料管將磁棒與線圈包含起來。整個模塊固定于一塊木板上；差分輸出的信號經線性可變差動變壓器的Ll通過磁棒耦合到L2、L3，再由單片機控制電機的正反轉來推動磁棒上下移動，使L2、L3兩路信號的電壓相對于中心點（兩路信號的電壓幅值相等相位相反處）時的幅值產生相應的偏差。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放大后再對信號進行處理。經過半波整流將交流轉化成直流。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；電機驅動磁鐵部分采用電機齒輪與螺桿齒輪相匹配原則，利用單片機控制電機的正反轉來驅使螺帽實現上下移動。磁棒與螺桿齒輪通過絕緣材料包含，通過磁棒在線圈中移動時磁通量的變化來控制耦合能量的大小，從而也就控制了輸出電壓的幅值。在具體測量前，先在絕緣板上標出一個零點，標零點必須在滿足L2、L3兩端的對地電壓幅值相等相位相反結構上嚴格對稱的情況下進行。

（3）數據處理模塊

經過INAll8放大、半波整流以及電子濾波后的兩路電壓經過ADS8344芯片進行AD采樣后轉換為數字量存儲于單片機中，首先通過軟件實現d值的運算，然后再根據實際測量值計算此位移量。整個計算過程完全采用軟件實現。

（4）顯示模塊

顯示部分采用LCD顯示，LCD能動態顯示漢字以及字符，并且顯示范圍大，能很好的實現人機交互界面。

3．2 軟件設計

該系統中通過軟件控制的部分有正弦波信號產生以及數據處理模塊，首先通過單片機采用串行方式給AD985l送40位控制字以便產生題目所要求的穩定的100kHz的正弦信號。數據處理部分也完全采用軟件實現，首先對兩路電壓分別采樣，通過單片機控制ADS8344來采集VA、VB的電壓值，將轉換到的數字量傳回給單片機進行數據處理。由于AD采樣的幅值范圍有限，所以我們可以通過放大來調整其電壓值，以便我們能采集到相應的幅值。程序流程圖如圖4所示：