磁致伸縮位移/液位傳感器以其長距離測量、高精度、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、安裝方便，在油庫、鍋爐、油田、煉油廠、化工、水利等領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)的傳感器%已成為測量行業(yè)中的。目前此類位移傳感器大多是把位移測量轉(zhuǎn)換成時(shí)間測量，再把時(shí)間轉(zhuǎn)換為成比例的電信號(hào)作為輸出，這一方法存在不足之處，例如一根測桿只能對(duì)一個(gè)液位進(jìn)行測量，測量精度受到模擬測量電路的限制，測量的模擬電信號(hào)不能遠(yuǎn)距離傳輸及功耗大等。
以下介紹的數(shù)字式磁尺對(duì)原磁致伸縮位移傳感器的時(shí)間信號(hào)直接進(jìn)行測量，采用適當(dāng)濾波算法處理測量結(jié)果以提高精度，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，所得測量值通過串行總線可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，增添單片機(jī)以后實(shí)現(xiàn)了智能化人機(jī)接口!可以方便接入工業(yè)網(wǎng)! 采用PIC單片機(jī)及其他低功耗芯片，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功耗大大降低，為本類型傳感器開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
2.數(shù)字化磁尺的結(jié)構(gòu)及工作原理
該數(shù)字尺由不導(dǎo)磁的不銹鋼管、探測桿、磁致伸縮線、波導(dǎo)絲、可移動(dòng)的浮球、磁環(huán)、和電子裝置等部分組成， 波導(dǎo)絲安裝在不銹鋼管內(nèi)保持電磁特性。磁環(huán)在不銹鋼管外側(cè)可自由滑動(dòng)，電路裝置集成在傳感器頭部的套管內(nèi)。
當(dāng)用于液位測量時(shí)，磁環(huán)被封在浮球內(nèi)，浮球套在探測桿上可沿探測桿隨液位的變化而上下移動(dòng)，電子裝置產(chǎn)生一脈沖，即start脈沖，經(jīng)過功率放大，送入波導(dǎo)絲，在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的磁場，在探測桿外配有的活動(dòng)磁環(huán)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場，且磁場方向與波導(dǎo)絲中電流產(chǎn)生的磁場方向垂直，當(dāng)電流 磁場與磁環(huán)磁場相遇時(shí)，兩磁場交互作用，形成螺旋磁場，產(chǎn)生瞬時(shí)扭力，使波導(dǎo)絲扭動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)(扭曲)脈沖，或稱(返回)脈沖，這個(gè)脈沖以音速沿波導(dǎo)絲傳回，在電子裝置的線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖，即STOP脈沖），脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)間和磁環(huán)的位置成比例， 因此通過測量start脈沖與stop脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測位移量。聲音在波導(dǎo)絲中的傳輸速度大約為2830m/s，要得到5μm的分辨率，對(duì)時(shí)間測量的精度就要達(dá)到1.8ns，故要求參考時(shí)鐘達(dá)到GHz的范圍。
3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及人機(jī)界面
系統(tǒng)硬件部分主要有+前端輸入信號(hào)整形及緩沖電路 ，TDC-GP1,PIC16C63,AT24C01,DS18B20，顯示電路，電源電路，時(shí)鐘電路，通信電路。
系統(tǒng)允許對(duì) 1 個(gè)液位,1 個(gè)溫度點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測量，不同場合對(duì)液位個(gè)數(shù)和溫度點(diǎn)數(shù)的需求不同，廠家可以通過上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)的液位測量和溫度測量獨(dú)立進(jìn)行，一種測量發(fā)生故障不會(huì)影響另一種的正常測量，1個(gè)溫度點(diǎn)任何一路發(fā)生故障，就會(huì)傳給上位機(jī)一個(gè)默認(rèn)值，用戶可以據(jù)此在線更換新的溫度傳感器，系統(tǒng)能夠自動(dòng)找到并啟用它，用戶每次開機(jī)可以通過上位機(jī)給下位機(jī)下達(dá)命令，對(duì)通信、TDC-GP1,PIC16C63,AT24C01,DS18B20進(jìn)行自檢，自檢失敗會(huì)給上位機(jī)返回警告信號(hào)，系統(tǒng)具有掉電保護(hù)功能，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，參數(shù)的設(shè)定值可以保存在AT24C01中，每個(gè)磁尺都有一個(gè)的地址，地址有上位機(jī)設(shè)定，這樣可以用多達(dá)256個(gè)該類磁尺組建一個(gè)測控網(wǎng)絡(luò)，采用RS-485串行總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行異或校驗(yàn)，避免由于傳輸而造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
3.2微處理電路
系統(tǒng)采用美國Microchip公司的PIC16C63A單片機(jī)作為下位機(jī)，有可編程編碼（加密）能保護(hù)功能。PIC16C63A微控制器采用寬字單周期指令、哈佛雙總線和RISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)6MIPS，數(shù)據(jù)輸入線允許有25mA的倒灌電流，可以直接驅(qū)動(dòng)LED。片內(nèi)有可直接尋址的4k字程序存貯器、192個(gè)八位數(shù)據(jù)寄存器、3個(gè)I/O口、2個(gè)八位和1個(gè)十六位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)捕捉/比較/脈寬調(diào)制（CCP）部件、同步串行口（SPP）部件、串行通信接口（SCI）部件?？蛇x擇振蕩器類型：RC型，XT型，HS型和LP型，從而運(yùn)行用戶在4種從直流到20MHz頻率范圍選擇一種振蕩器形式讓芯片執(zhí)行指令，以優(yōu)化系統(tǒng)功耗。具有多種復(fù)位功能：上電復(fù)位功能POR，上電延時(shí)定時(shí)器PWRT，振蕩器起振定時(shí)器OST，帶有片內(nèi)振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器WDT。有省電的休眠（SLEEP）方式!有多級(jí)中斷功能，可編程ID標(biāo)志碼，在線串行編程。
3.3時(shí)間測量電路
時(shí)間測量電路采用德國ACAM公司生產(chǎn)的高精度時(shí)間測量芯片TDC-GP1(Time to Digital Con-verter-General Purpose）。TDC-GP1提供了八位數(shù)據(jù)總線和四位地址總線接口，操作時(shí)序符合通用微處理器的總線操作時(shí)序，使得TDC-GP1很方便作為一個(gè)微處理器的簡單外圍電路，用于操作TDC-GP1的12個(gè)八位控制寄存器、2個(gè)八位狀態(tài)寄存器和8個(gè)十六位結(jié)果寄存器.另外，TDC-GP1還提供了4個(gè)接口用于測量電阻、電容或者電感，其擁有16位的精度和2萬次/s的測量速度；
它有兩種工作模式：兩路通道、250s-1分辨率的小量程工作模式；一路通道、125s-1分辨率大量程工作模式?？梢酝ㄟ^設(shè)置片內(nèi)12個(gè)控制寄存器改變工作狀態(tài).
工作在小量程模式時(shí)，TDC的兩個(gè)通道都由start脈沖的邊沿觸發(fā)，每個(gè)獨(dú)立的通道可以檢測到4個(gè)采樣值，這些采樣值與start脈沖的時(shí)間被存儲(chǔ)到各個(gè)通道的采樣寄存器中。在start信號(hào)和第1個(gè)stop信號(hào)之間，不能少于3ns的時(shí)間間隔。在同一個(gè)通道的stop信號(hào)之間，必須有15ns的時(shí)間間隔；所有stop信號(hào)在start信號(hào)之后都不能超過7.6μs的值。
工作在大量程模式時(shí)，start信號(hào)和接下來的第1個(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)的正跳沿之間的時(shí)間設(shè)定為FC1，出現(xiàn)第1個(gè)正跳沿后計(jì)時(shí)器被觸發(fā)，TDC記錄下經(jīng)過的時(shí)鐘周期數(shù)CC，直至第1個(gè)stop信號(hào)被檢測到，第1個(gè)stop脈沖和接下來的第1個(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)的正跳沿之間的時(shí)間設(shè)定為FC2，接著開始新一輪的計(jì)數(shù)。時(shí)間值可由時(shí)間計(jì)算式算出。在這種模式下，start信號(hào)和stop信號(hào)之間，兩個(gè)不同的stop信號(hào)之間至少要大于2個(gè)時(shí)鐘周期，所有的stop信號(hào)之間不應(yīng)超過2倍的時(shí)鐘周期，所以的測量范圍不超過,20ms。
該芯片具有高分辨率、低功耗、測量范圍廣、多點(diǎn)測量、體積小等優(yōu)點(diǎn)，成為傳感器和處理器之間方便的橋梁，大大減輕了處理器的工作壓力，本系統(tǒng)最多可配3個(gè)磁環(huán)，另加start脈沖的回波共4個(gè)stop脈沖，只要利用PIC16C63A單片機(jī)對(duì)TDC-GP1的控制寄存器進(jìn)行設(shè)定，使其工作在大量程模式 ，TDC-GP1就自動(dòng)進(jìn)行測量并把結(jié)果轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)作為輸出。
3.4掉電保護(hù)電路
考慮到在掉電的情況下需要保存該磁尺地址、磁環(huán)數(shù)、溫度點(diǎn)數(shù)、波特率、DS18B20的代碼等一些參數(shù)，本系統(tǒng)選用AT24C01作為掉電保護(hù)裝置。
3.5溫度測量電路
為得到所測液體以及周圍環(huán)境的溫度，在原有模擬磁尺的基礎(chǔ)上增加了溫度測量電路，所用器件是美國 DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20。
3.6顯示電路、通信電路、電源電路
測量現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示電路采用八位串行輸入液晶顯示模塊，微處理器通過串行接口同步輸入液位值，用戶可在線觀察液位的變化。上位機(jī)和下位機(jī)之間用RS485串行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，采用ADM483E芯片。系統(tǒng)采用LM2575開關(guān)電源，效率高，輸出電流可達(dá)到 1 A。
3.7信號(hào)前置處理電路
采用帶施密特觸發(fā)器邏輯門、比較器及濾波電路對(duì)模擬板提供的脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離、緩沖、整形及濾波，不僅去掉了毛刺，改善了波形的上升沿及下降沿， 而且提高了模擬信號(hào)負(fù)載能力，提高了TDC的測量精度。
4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件采用Visual C++6.0，下位機(jī)軟件用PIC16C63A的匯編語言實(shí)現(xiàn)。
下位機(jī)通過串行口與上位機(jī)進(jìn)行通信，下位機(jī)的通信模塊，包括串行口的初始化和中斷服務(wù)程序。
上位機(jī)命令格式： 8位地址碼+8位命令碼+8位參數(shù)值+8位異或校驗(yàn)碼.
下位機(jī)命令格式：8位地址碼+測量值+8位異或校驗(yàn)碼.
5、信號(hào)處理
為磁環(huán)在某靜態(tài)位置的情況下，用數(shù)字示波器對(duì)原始STOP信號(hào)和START信號(hào)進(jìn)行多次采樣。
磁環(huán)靜止不動(dòng)，不同次的采樣中stop信號(hào)和start信號(hào)之間的時(shí)間差有波動(dòng)，波動(dòng)范圍可達(dá)μm級(jí)，按超聲波在波導(dǎo)絲中的傳輸速度2830m/s計(jì)算，磁尺本身就有mm級(jí)誤差。本系統(tǒng)對(duì)多種濾波算法進(jìn)行了仿真，選用防脈沖干擾平均值法，結(jié)果精度提高到全量程的，基于PIC16C63單片機(jī)有限的運(yùn)算能力和存貯空間的限制，下位機(jī)信號(hào)處理
為磁環(huán)在某靜態(tài)位置的情況下，把在靜態(tài)情況下每次采集的4組數(shù)據(jù)累加起來，然后減去和最小的一組，除以 所得平均值作為測量結(jié)果。
6.結(jié)束語
在調(diào)試中遇到并解決了一些問題，PIC單片機(jī)的程序存儲(chǔ)空間分兩頁，當(dāng)程序足夠大并同時(shí)占用兩頁時(shí)，往往出現(xiàn)程序“飛”的情況。對(duì)此，本系統(tǒng)采取了以下辦法：當(dāng)用goto和call命令訪問另一頁時(shí)，設(shè)置platch寄存器的第4位，并且在程序中打開“看門狗”。
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