- USB接口的多功能容柵傳感器測量系統(tǒng)
- 將傳感器信號電平轉(zhuǎn)換為CMOS電平
- 采用光耦隔離技術(shù)等增強系統(tǒng)的抗干擾能力
引言
容柵測量器具有測量可靠、體積小、功耗低、功能多等特點。隨著測量技術(shù)向精密化、高速化、多功能化發(fā)展，具有多種優(yōu)良特性的容柵傳感器應用得越來越廣泛。由于容柵傳感器數(shù)據(jù)的傳輸多采用RS232／RS485總線方式，而USB總線方式方便、高效，并有取代串口通信方式的趨勢，因此設計一款帶USB接口的容柵傳感器測量系統(tǒng)具有實際應用價值。
1 容柵傳感器測量原理
容柵傳感器的工作原理是根據(jù)平板電容理論而來。一般容柵傳感器的結(jié)構(gòu)包括動柵板和定柵板。動柵板包含發(fā)射極和接收極，定柵板包含反射極。反射極分別和發(fā)射極、接收極形成平板電容器。通過在發(fā)射極上施加n相激勵信號，反射極將此信號反射到接收極，隨著動柵板的移動，接收極的感應信號的幅度變化不大，而相位變化與位移量成一定函數(shù)關(guān)系：
θ(x)=arctan[(1-2x／w)／(1+√2)] (1)
其中，x為位移量，w為小發(fā)射極寬度。當位移發(fā)生一個w寬度變化時，接收極產(chǎn)生360°／n的相差。設激勵信號的周期為T，則有：
T=N·β (2)
式中：β為最小計時單位，N為常數(shù)。而每周期代表位移量為L(本系統(tǒng)為0．508 mm)，在每周期中β代表一個小相位，則一個周期被分解為N個小相位，每個小相位代表位移量即最小分辨率：
△l=L／N (3)
本系統(tǒng)N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對于最大測量速度Vmax，因為在一個周期內(nèi)最多能分辨N個相位，所以有：
Vmax=L／T (4)
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 C8051F321芯片介紹
C8051F321片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設，采用交叉開關(guān)實現(xiàn)I／O端口的靈活配置，自帶USB2．0收發(fā)器、控制處理器和內(nèi)部上拉電阻，可在全速(12MHz)或低速(1.5MHz)下運行，支持8個靈活通用的USB端點，內(nèi)置1K的USB專用緩沖寄存器。
2．2 傳感器信號處理模塊設計
容柵傳感器接口為B531，信號線有4根：電源線(1．5 V)、地線(0 V)、時鐘線(CK)、串行數(shù)據(jù)線(DATA)，并且通過控制CK、DATA信號線的電平可以實現(xiàn)容柵傳感器的不同功能比，如最大值跟蹤、最小值跟蹤、數(shù)據(jù)保持和清零等。
由于容柵傳感器內(nèi)部的專用控制芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作電壓為5 V，要進行數(shù)據(jù)交換則必須進行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換原理圖如圖1所示。電路中采用LM393芯片轉(zhuǎn)換電壓，LM393芯片實質(zhì)上為2個比較器，比較電壓為容柵傳感器工作電壓的一半左右，設為0．6V。通過比較電壓0．6V與CK和DATA信號線電平比較，即可將CK、DATA信號線的電壓轉(zhuǎn)換為0V或者5V。
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2．3 硬件抗干擾電路設計
由于系統(tǒng)經(jīng)常工作在工業(yè)現(xiàn)場等領(lǐng)域，各種電磁干擾很常見，為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，采用光耦隔離技術(shù)將傳感器和單片機隔離。光耦隔離原理圖如圖2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦，輸出引腳OUT1和OUT2經(jīng)過上拉電阻處理后，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機處理。
3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 數(shù)據(jù)采集程序
容柵傳感器時序圖如圖3所示。其中包含3個CK信號說明和1個DATA信號說明。CK(a)表示要發(fā)送的完整數(shù)據(jù)間的時序關(guān)系；CK(b)表示一個完整數(shù)據(jù)內(nèi)部各個數(shù)據(jù)組的時序關(guān)系；CK(c)和DATA表示一個數(shù)據(jù)組內(nèi)的時序關(guān)系和對采樣點的說明。由圖可知數(shù)據(jù)每隔250 ms發(fā)送一次，在時鐘CK的上升沿數(shù)據(jù)有效。數(shù)據(jù)由LSB到MSB依次發(fā)送，總共24位二進制數(shù)據(jù)，分成6組，每組數(shù)據(jù)間隔820μs。其中前5組為數(shù)據(jù)位，第6組為控制位組(包含符號位和公英制位)，控制位組的第0位的“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)，第3位“0”表示公制單位mm，最小單位0．01 mm，“1”表示英制單位inch，最小單位0．000 5 inch，x表示無效。為了能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)，采用中斷方式檢測CK信號，邊沿觸發(fā)。檢測CK信號的高電平持續(xù)超過820μs時，當出現(xiàn)下降沿時觸發(fā)中斷，進入中斷程序，再持續(xù)檢測低電平直到出現(xiàn)上升沿，讀取DATA信號電平并存儲，總共采集24位。返回主函數(shù)根據(jù)符號位和公英制位進行相應處理。相關(guān)程序代碼如下：
因為C8051F321的USB模塊高度集成化，所以對USB接口的設計主要是USB固件程序的設計。其中最重要的是USB描述符和USB傳輸中斷的處理。當USB中斷到達時，C8051F321首先讀取3個中斷寄存器(CMINT、IN1INT和OUT1INT)來判斷中斷來源(USB復位中斷、端點0中斷、端點1輸入中斷、端點2輸出中斷)，然后跳入相應的處理模塊進行處理。USB中斷程序流程如圖4所示。
端點0主要用于主機對USB設備的配置、狀態(tài)信息的獲取和設備錯誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入2部分組成。每次傳輸由設置事務開始，然后根據(jù)設置事務數(shù)據(jù)包中的USB標準命令請求判斷該次傳輸是控制輸入還是控制輸出。USB復位中斷將相關(guān)USB變量、寄存器和各端點的狀態(tài)恢復為初始狀態(tài)。端點1輸入中斷和端點2輸出中斷均為批量傳輸中斷，其主要作用是在收到中斷時，在各自預定義好的緩沖區(qū)中寫入要傳輸給主機的數(shù)據(jù)或讀取傳輸過來的數(shù)據(jù)。
3．3 主程序
系統(tǒng)程序主要包括主程序、時鐘初始化子程序、端口初始化子程序、USB控制器配置初始化子程序、延時子程序、采集數(shù)據(jù)中斷子程序、USB中斷子程序和附加功能子程序。由于采集數(shù)據(jù)實時性要求比較高，所以將采集數(shù)據(jù)中斷設為高優(yōu)先級。
附加功能子程序包括正常計數(shù)、數(shù)據(jù)保持、最大值跟蹤、最小值跟蹤和清零的功能。對附加功能的實現(xiàn)均是通過控制CK和DATA信號線完成，附加功能轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。給CK信號線一個負脈沖，即可完成清零操作；在正常計數(shù)狀態(tài)下將DATA信號線置為高電平，容柵傳感器將進入保數(shù)功能；如果再將CK信號線置為低電平，容柵傳感器進入最大值跟蹤功能；內(nèi)部專用芯片將用新測得的數(shù)據(jù)與上一個數(shù)據(jù)進行比較，如果新測得數(shù)據(jù)大，則替換掉，否則丟棄。可以在上位機上通過USB測試軟件發(fā)送相關(guān)命令來控制系統(tǒng)進行操作。程序中設定一個字節(jié)的變量來存放從上位機接收到的命令，當判斷是其中的一個命令時就調(diào)用相應的處理程序完成操作。
環(huán)境的干擾使單片機程序很容易“跑飛”，為了控制程序正常運行，除了硬件上使用光耦隔離技術(shù)之外，軟件上可采用設置“軟件陷阱”的辦法來將跑飛的程序拉入正常軌道，即在程序代碼空間使用跳轉(zhuǎn)指令將跑飛的程序拉到程序執(zhí)行的開始位置，具體操作方法是在所有未被使用的代碼空間處寫入“LJMP 0000H”指令。另外，可利用單片機自帶的“看門狗”功能看住程序，一旦程序跑飛，看門狗將強制單片機復位。也就是說，在程序代碼中每隔一定時間就設置一個“喂狗指令”，清除看門狗計時器值，不讓其達到最大值而發(fā)出復位信號。
結(jié)語
使用主機上的軟件測試出該系統(tǒng)軟硬件能夠穩(wěn)定可靠地運行，點擊測試軟件的相關(guān)功能按鈕，容柵傳感器能夠完成相應的功能操作。與傳統(tǒng)的RS232／RS485通信方式相比較，該方案解決了不帶串行通信方式的上位機的通信閑難，抗干擾能力更強，為系統(tǒng)提供更穩(wěn)定的電源，適用于惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場的高精度測量。
