基于C8051F342的高精度US B電感測頭設計

◎范江波 楊 麗

(三門峽職業技術學院 電氣工程學院，河南 三門峽 472000)

目前市場上傳統電感測頭在設計和使用中調試復雜，尤其是在一個正常工作的系統中因為一根電感測頭故障需要更換時，需要將系統測試數據等重新進行修正方可使用。修正數據過程復雜且需要專業技術人員才能完成，嚴重影響了電感測頭的使用。為解決傳統電感測頭調試和更換難的問題，本文設計開發了一套基于USB接口的高精度電感測頭，目的在于提高電感測頭在使用過程中更換的便捷性，同時提高電感測頭的通用性及測量精度。

1 系統分析及組成

1.1 電感測頭非線性分析

電感測頭是利用線圈的自感或互感原理來進行微小位移量測量的一種傳感器[1]，常用的電感測頭主要有差動電感式傳感器，這種結構受外界影響小，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，可以有效減小測量誤差。其計算電感量的公式為：

其輸出特性如圖1所示。

圖1 差動電感式傳感器輸出特性

從輸出特性圖中可以看出，差動式電感傳感器線性較好，但整個輸出段并非全部線性，在設計使用時必須從其中選擇一段相對線性好的進行測量，即使如此，在使用中仍然存在一定的非線性[2]。為了提高傳感器的測量范圍和非線性校正，本系統設計USB接口的處理模塊，通過軟件處理，實現非線性校正，方便電感測頭的使用調試與更換[3]。

1.2 USB接口電感測頭系統組成及工作原理

本項目設計的USB接口電感測頭主要由電感測頭、USB接口及信號、數據處理和PC機的數據線性化處理組成。系統整體框圖如圖2所示。

圖2 USB接口電感測頭系統組成

本系統將傳統電感測頭連接到USB接口模塊的輸入端，然后將測頭固定于標準臺架上，USB接口模塊的USB端連接至計算機并打開電感測頭線性校準軟件，按照線性校準軟件要求首先調整電感測頭及臺架位置使輸出顯示為0，然后按照軟件提示調整臺架的螺旋尺開始線性校準，提示校準結束后，按照要求將相應的校準數據寫入USB模塊即可完成整個系統的線性校準工作。該電感測頭即可由原來傳統的電感測頭轉為具有USB接口的電感測頭，在以后更換和使用過程中不再需要調試。

2 USB接口電感測頭硬件電路設計

電感測頭的硬件電路主要是完成電感測頭信號的處理并提供給計算機正確的數據。在硬件電路中一方面向電感測頭提供10KHz左右的正弦激勵信號，另一方面將電感測頭輸出的信號放大、濾波、檢波變換為直流電壓信號，利用微處理器進行數據采集、分析處理后通過USB口提供給計算機控制系統。硬件電路設計的好壞將直接影響到測量微小位移量的精度。

2.1 激勵信號產生電路設計

硬件電路提供給電感測頭的激勵信號源對測量精度影響極大，因此要求提供的激勵信號的幅度和頻率必須穩定，不能產生偏移和變化，常用的激勵信號源產生電路有LC振蕩電路和文氏電橋振蕩電路，這兩種電路結構簡單，但產生的正弦波信號穩定性不好，而且調節范圍比較窄，容易受到干擾信號的影響，調試非常麻煩。在本設計中采用AD9833來完成激勵信號的產生，采用25MHz的有源晶振作為AD9833的時鐘源，保證了芯片時鐘的穩定性，也保證了AD9833產生的正弦波信號的頻率穩定[4]。通過微處理器C8051F342的 P12、P13、P14連接到 AD9833的串行數據、串行時鐘、控制輸入端，利用軟件調整激勵振蕩電路輸出的正弦波信號頻率，在調試過程中可以獲取最佳激勵頻率，激勵信號振蕩電路如圖3所示。

圖3 激勵信號產生電路

2.2 相敏檢波電路設計

經過硬件電路放大后的信號已滿足相敏檢波的要求，輸出信號可以直接加載至相敏檢波電路。相敏檢波電路采用ADG1201芯片和TL062運放芯片完成，將比較電路產生的激勵脈沖波信號加到ADG1201的控制輸入端，控制D端和S端的導通與截止，當控制輸入端為高電平1時，D端和S端導通，當控制脈沖為低電平0時，控制D端和S端斷開，配合運放TL062完成相敏檢波電路，產生脈沖直流信號[5]。相敏檢波電路及其仿真結果如圖4所示。

圖4 相敏檢波電路及其仿真

2.3 三階濾波電路設計

由相敏檢波電路輸出的脈沖直流信號并不能直接進行采樣，還必須進行直流濾波，將其轉換為穩定的直流電壓信號方可。在本設計中采用RC的三階濾波電路完成濾波工作。電路及仿真結果如圖5所示。

圖5 三階RC濾波電路及其仿真

2.4 USB接口電路設計

微控制器采用美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機C8051F342，這是一款用于USB設備的小型單片機。該器件內部集成有4352Byte RAM和64K Byte的Flash存儲器。該芯片具備USB接口，利用該芯片進行設計時只需采用少量的外部元件即可。電路如圖6所示，電源部分提供了退耦電容C19和C20。電源指示發光二極管D1，USB接口直接利用微處理器的第4端口D+和第5端口D-連接到USB口。P0.7端口連接VCC電源端，輸入基準電壓。

3 USB接口電感測頭系統軟件設計

3.1 系統軟件整體結構

系統軟件整體由單片機和計算機兩部分程序組成，軟件整體結構如圖7所示。

圖6 微處理器及USB接口電路

數據采集程序主要是實現模數轉換，USB的接口驅動程序主要為單片機和計算機及其相關的檢測儀器設備提供通訊接口使用，計算機主要是通過調用底層驅動完成和USB接口電感測頭的數據交互以及數據線性化后的數據下傳功能，在計算機上同時提供了電感測頭校準的人機界面，方便在測頭生產后的調試與校正，提高工作效率。

3.2 數據采集模塊程序設計

電感測頭硬件電路采用ADS1112模數轉換器件進行數據采集，該芯片是一個16位高精度的AD轉換芯片，采用I2C協議寫入，同時支持軟件模擬I2C和硬件I2C兩種方式[6]。ADS1112對于I2C的時序要求如圖8所示。

首先根據該時序圖編寫了I2C的基本模塊程序，一是對ADS1112進行寫入命令，即將命令寫入其控制寄存器。二是對ADS1112進行讀操作，即將ADS1112數據寄存器中的16位數值讀取出來。然后利用I2C模塊程序進行數據采集。

ADS1112的部分程序代碼如下所示：

Void RdA1112(unsigned char *RamAddress,unsigned char bytes)reentrant

圖7 系統軟件結構

圖8 ADS1112的I2C時序

圖9 上位機校準軟件處理流程

{

Start();

Write8Bit(ReadDviceAddress);

TestAck();

usDelay(i2clk);

while(bytes!=1)

{

*RamAddress=Read8Bit();

Ack();

RamAddress++;

bytes--;

}

*RamAddress=Read8Bit();

NoAck();

Stop();

}

3.3 USB通訊接口程序設計

為了使系統便于同上位機通訊，系統采用了Silicon Laboratories的USBXpress平臺方案，使程序難度大大降低，不需要了解更多的USB協議即可進行USB設備的開發。USBXpress軟件包包含了固件庫文件USBX_F34X.LIB、頭文件USB_API.H、動態鏈接庫文件（dll）SiUS-BXp.Dll、驅動程序 SiUSBXp.sys、INF驅動安裝文件SiUSBXp.inf等[7]。系統直接將測頭作為USB設備訪問，單片機直接通過調用USBXpress的硬件函數庫完成同上位機的通訊，將測量數據發送到上位機；同時在標定和參數設置時上位機將參數模型寫入到MCU的FlashROM中。

在下位機的單片機中直接調用USB庫，并在開始進行初始化，

//InitUSB clock *before* calling USB_Init

USB_Clock_Start();

USB_Init(USB_VID,USB_PID,USB_MfrStr,USB_ProductStr,USB_SerialStr,USB_MaxPower,USB_PwAttributes,USB_bcdDevice);

USB_Int_Enable();

3.4 PC測頭校準程序設計

計算機部分的校準軟件的具體處理過程如下：

1）通過運行標定軟件建立測頭的測量數據庫；

2）對測量數據進行處理，過程如下：

a）按測量的先后順序記錄下各個測量值；b）計算算術平均值；c）計算殘余誤差；

d）校核算術平均值及殘余誤差；e）判斷是否有粗大誤差，若有，剔除；

f）計算單次測量的標準差；g）計算算術平均值的標準差：

h）計算算術平均值的極限誤差；i）列出測量結果。

3）程序調用Matlab的多項式擬合函數 “polyfit(x,y,n)”，建立測頭的數學模型；

4）分析測量偏差，將模型存入測頭。

測量校準流程圖如圖9所示。

4 測試數據分析與處理

測試硬件連接如圖10所示。

圖10 USB電感測頭系統測試

USB接口電感測頭進行實際連接調試，將電感測頭安裝在測試臺架上，通過手動調節，對USB接口電感測頭的各個部分電路進行測試。測試用臺架為中原量儀生產的BCT-EC型號臺架，測試用示波器為美國Tek示波器，型號為TBS1102。

利用示波器測試電感測頭的激勵信號如圖11所示。利用示波器測試的相敏檢波后波形如圖12所示。從測量波形分析，該電路實現了設計的技術指標，能夠完成設計的功能。

圖11 激勵信號實測波形

圖12 電感測頭輸出信號檢波后波形

最終利用電感測頭及校準軟件校準后的測量結果如表1所示。對所有數據進行分析和系數標定后，可以看到整體線性度較好，只需對各個測量數據段進行標定后即可完全滿足系統測試需求。在標定結束后，將線性校準數據寫入USB接口模塊后，再次多次重復對非標定點數據進行測量結果如表2所示，測量的結果的最大重復性誤差不大于0.3um。該產品可以正常使用于企業產品生產線用于檢測。

表1USB接口電感測頭校準AD測量結果

表2 標定后USB接口電感測頭測量結果

5 結論

通過本項目的研究，設計完成一種新型高精度USB接口電感測頭，該測頭可通過USB接口直接連接到PC機。PC機可以直接獲取測頭測量值，同時也可以校正測頭，最大重復誤差不大于0.3um。通過本產品可以減少測頭的生產、調試時間，在提高電感測頭測量精度和通用性方面有著重要意義。

[1]范江波，霍海波.基于C8051F005的電感式電子柱測微儀設計[J].電子測量技術.2012，35(6)：109-112.

[2]范江波，郭志冬.基于過采樣技術的磨加工主動測量控制儀設計[J].常州信息職業技術學院學報.2012，11(3)：34-36.

[3]王玲.基于最小二乘法的系統模型算法研究[J].工業控制計算機.2012，25(5）：100-102.

[4]黃斌,洪嬴政,朱康生.基于AD9833的高精度可編程波形發生器系統設計[J].電子設計工程.2009，17(5)：6-7.

[5]葉斌.差動變壓器式傳感器中的相敏檢波電路的改進研究[J].陜西能源職業技術學院學報，2009（11）：185-186.

[6]黃宋魏.ADS1110芯片及其應用[J].儀表技術.2006(3)：11-13.

[7]李騰飛.C8051F340的USBXpress開發包USB通信設計[J].單片機與嵌入式系統應用.2010(6)：74-75.