基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器的設計與應用

摘 要:介紹MLX90316的結構和特性，設計以LPC2136為CPU，MLX90316為位置反饋的拉線式位移傳感器，給出了基于MLX90316的位移檢測策略，并詳細分析了接口電路原理圖和編程原理。該傳感器具備一路RS 485通信鏈路和一路基于PWM可調電流輸出。試驗證明，該傳感器克服傳統拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點，提高了測量精度。

關鍵詞:MLX90316; 磁敏角度技術; 位移傳感器; LPC2136

中圖分類號:TN919; TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0136-03

Design and Application of Guyed Displacement Sensor

Based on Magnetosensitive Angular Technology

SU Yu，LU Yin-ju

(School of Information Engineering， Zhongzhou University， Zhengzhou 450044， China)

Abstract: The structure and characteristics of MLX90316 are introduced. A guyed displacement sensor which takes LPC2136 as CPU and MLX90316 as position feedback component is designed. The displacement detection method based on MLX90316 is presented. The schematic diagram of interface circuit and programmming principle are analyzed in detail. This sensor has a RS485 communication link and adjustable current output based on PWM. The experiment demonstrates that the shortcomings of traditional guyed displacement sensor such as rapidly wearing， weak resolution， lower resistance and bad high-frequency characteristics are overcome， and the measurement accuracy is improved.

Keywords: MLX90316; magnetosensitive angular technology; displacement sensor; LPC2136

0 引 言

傳統的拉線式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出[1]。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器[2]。但是，為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉換為電壓輸出。傳統的拉線式位移傳感器由于其電刷移動時電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形[3]。如果這種位移傳感器在伺服系統中用作位移反饋元件的時，則過大的階躍電壓會引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。同時，電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導致測量精度的下降。它的優點是:結構簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。

基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器以磁場為傳輸載體，將位移變換轉換為磁場角度位移，同時，通過通信接口將位移信號返回給應用系統。

1 總體設計方案

基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器的功能是將拉線的機械位移換成可以計量、記錄或傳送的電信號，主要由自動回復彈簧、輪轂、磁鐵以及數據處理單元等部分構成，結構如圖1所示。

圖1 結構圖

由圖1可以看出，該基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統的拉線式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點，基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器以磁場為媒介，將機械位移變化轉化為磁場角度變化，一方面解決傳統拉線位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統高頻特性，從而確保位移檢測精度。數據處理運算器，用于對接收到的磁敏角度信號通過數學模型運算為拉線的位移信號。通信接口，通過通信接口與應用系統的設備進行通信，接收來自應用系統設備的命令并將采集到的位移信號反饋給應用系統。從而提高了數據采集精度、穩定性和可靠性，降低了位移傳感器的應用門檻。

各個部件功能描述如下:

(1) 拉線的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個磁鐵連接在一起，當拉線產生位移的時候，帶動輪轂的轉動，輪轂的轉動造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉動，從而磁鐵的磁場產生一個變化的角度。拉線運動發生的時候，自動回復彈簧確保拉線具備一定的張力，確保拉線的位移與磁敏角度的比例關系[4]。

(2) 磁敏角度感應器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來感應磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過建立數學模型，將磁敏角度運算為拉線的位移。

(3) 通訊接口，微處理器通過通信接口接收來自應用系統的命令并將位移信息通過通信接口返回給應用系統。

2 硬件接口電路設計

數據處理單元由磁敏角度感應器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。

圖2 數據處理單元

通過分析圖2，磁敏角度感應器選用MLX90316，它將拉線位移所導致的磁鐵磁場轉動的角度轉換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對接收到的磁敏角度數據進行處理，完成磁敏角度數據的接收，由于接收到的是磁場轉換的角度，所以通過建立數學模型，結合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。因此，為了能夠快速地實現數據的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數據處理單元。輸入、輸出控制模塊負責各種對外接口的處理，如通過通信接口接收來自應用系統的命令，向應用系統返回采集的位移結果，以便能夠將微處理器單元能夠執行應用系統的命令并將采集結果通過接口安全可靠地發送到應用設備，主要包含1路的RS 485和4~20 mA的電流輸出。

2.1 磁敏角度接收接口

MLX90316是一種線性霍爾芯片，采用了平面霍爾傳感技術的單片集成傳感芯片[5]，該芯片可以用來測量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0~360°的旋轉位置值，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉、安裝簡便。

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經過放大處理后，經過14位微分型A/D轉換器進入芯片微處理器(DSP)，再經過16位DSP處理之后的數字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出:由12位D/A轉換為模擬量輸出;頻率為100~1 000 Hz的PWM輸出;數字模式下利用串行通信協議輸出(SPI)。

由于串行通信的輸出信號直接來自于MLX90316的內部DSP輸出，SPI輸出模式更穩定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。在本設計中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖3所示。在圖3中，MLX90316的SPI三根線與ARM LPC2136的SPI0口連接[6]。SPI(Serial Protocol Interface)總線接口是一種同步串行外設接口。這是一個4根信號線的串行接口協議，包括主、從兩種模式。這4根信號線分別是:時鐘線(SCK)、數據輸入線(MISO)、數據輸出線(MOSI)和從設備使能線(SS)。

圖3 硬件接口連接電路

2.2 RS 485通信接口電路設計

RS 485總線以其結構簡單、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優點，在工業控制系統中得到了廣泛應用。它采用平衡發送和差分接收方式實現通信，發送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號[7]。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線收發器靈敏度很高。

在基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器中我們設計了一路RS 485信號輸出，RS 485接口芯片采用MAX3485，用于與應用系統進行位移數據數據交換。為了確保數據通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

2.3 可控電流輸出接口

數據處理單元具備一路可控4~20 mA的電流輸出，用于現場指示儀表的驅動。具體的連接電路如圖4所示。其中PWM2連接ARM的PWM2引腳，PWM信號用于控制光耦的導通與截止，反相器主要用于波形的整定，根據磁敏角度和位移關系，建立數學模型，計算出PWM的占空比，從而達到電流大小調節的目的。

圖4 電流輸出接口電路

3 軟件設計

在LPC2136中嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系統[8]。μC/OS-Ⅱ是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步(信號量，郵箱，消息隊列)和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。

軟件編程主要包含3個模塊:PWM控制電流輸出模塊、RS 485通信模塊、MLX90316的SPI通信模塊，編程流程如圖5所示。PWM控制電流輸出模塊主要通過改變PWM的占空比來調節電流的大小。RS 485通信模塊主要用來接收上層系統的指令并根據指令將數據回傳。MLX90316的SPI通信模塊主要用于磁敏角度的讀取，SPI的通訊過程為:主控端先輸出1個0xAA以及1個0xFF作為通信起始信號，然后接著輸出8個0xFF，而從端會同時輸出2個0xFF、4個字節的角度信號以及4個0xFF，從而完成一次數據通訊。

4 結 語

利用 MLX90316 構建位置傳感器需要使用磁鐵，

在傳感位置安裝活動的機械部件(通常連接在軸的末端)。只要水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用。磁鐵的大小和材料并不重要;在機械、磁場和熱容限之內，水平磁通量必須在20~70 mT(例如，(45±25) mT)范圍以內。

圖5 編程流程圖

在氣隙問題上，如果距離IC表面的實際氣隙大于7.5 mm，環形磁鐵要優于盤形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環形磁鐵時可以繞在軸上。也可以使用特殊的磁鐵設計，獲得旋轉位置傳感器正常的傳輸特性。

在“基于FPGA技術的堤壩位移智能檢測系統”中，將基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器用于堤壩根石位移采集裝置。監測的堤壩一共為7條，每條大壩有5個關鍵監測點，因此，利用RS 485總線將這35個監測點組成星型網絡。從試驗結果可以看出，該傳感器克服傳統拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點，提高了測量精度。

參考文獻

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