如何利用數字位移傳感器設計位移測量系統

　　在許多計算機應用系統中，并行接口和RS232串行通用接口是使用zui為普遍的兩種標準接口。標準并行接口采用8位數據的并行正向傳輸，其特點是傳輸速度快、傳輸距離短。而RS232串行接口常用于數據終端設備和數據通信設備之間的連接，其特點是傳輸速度相對較慢，但傳送距離較遠。
　　
　　云臺一米紅外太陽望遠鏡（以下簡稱YNST）的主鏡調焦將采用基于數字位移傳感器的位移測量系統，在所提出來的科學目標中，要求主鏡調焦中M3鏡調焦范圍為O～20mm，并且位移測量值實時地顯示在數顯表或控制軟件上，傳輸速率要求不高，但傳輸距離要在10～15m。而系統選擇的高精度數字位移傳感器只提供標準并行接口（standardParallelPort，SPP），它與上位機連接的SPP數據傳輸線較短，為此在保證系統反饋環節數據傳輸速率達到系統要求的前提條件下，在上位機與數字位移傳感器之間接入SPP轉RS232接口電路，解決傳輸距離短的問題。
　　
　　1、系統的結構及位移傳感器工作原理
　　
　　1．1系統結構
　　
　　系統的整體結構如圖1所示，系統主要由上位機、運動控制環節和位移反饋環節組成。上位機為至少含有兩個COM口的工業控制計算機。運動控制環節主要由運動控制器、驅動器、混合式步進電機和水平機械運動裝置組成；位移反饋環節主要由帶數顯表的數字位移傳感器和SPP轉RS232接口電路組成。數字位移傳感器型號為5CB～10C，位移測量范圍為0～20mm，數顯表讀數范圍為O～19．999mm，分辨率為1μm，線性度達到滿量程的0．05％，即精度達到10μm。　　
　　1．2數字位移傳感器工作原理
　　
　　數字位移傳感器由差動變壓器（LVDT）和電測儀器組成。LVDT是把被測位移量變換成電信號的傳感器，它具有結構簡單使用方便、使用壽命長等特點，可直接用于測量物體間的相對變位，物體的長度變化。它不但可測靜態位移也可測量動態位移，電測儀器由電子測量線路和數字面板表、A／D轉換板組成。A／D轉換板有單端16路模擬量輸入，A／D轉換位數為14位，轉換速度達到10μs。LVDTzui基本的結構是由在圓柱形骨架上繞有螺旋形的原邊和兩個付邊繞組所組成的線圈及一可動鐵芯構成，其原理如圖2所示。　　
　　當原邊供給一振蕩電壓時，由于電磁感應，兩付邊就分別產生感應電壓V1和V2。若鐵芯正處線圈的中心位置時，兩付邊對原邊的互感量正好相等，同時兩付邊的交流電壓分別經檢測電路檢波后，把所得兩直流電壓取其差值，則輸出差動直流電壓V為零。當鐵芯往上位移時，上邊的付邊與原邊的互感量增大，而下邊的減小，即出現V1>V2，則差動直流輸出電壓V>O，反之亦然。LVDT兩付邊的感應電壓V1，V2和差動直流輸出電壓V與鐵芯在線圈中的位置的定性關系見圖3，可見差動直流電壓V與鐵芯位移的大小在某一范圍內是呈線性關系的。測量時把LVDT殼體夾固在參照物上，把和鐵芯連接的測桿緊固在被測點上，當被測對象位移時就帶動鐵芯相對于線圈移動，從而線性地改變LVDT的輸出電壓。這樣通過電測儀器測量LVDT輸出電壓的大小，即可測量出被測對象的位移量。　　
　　2、數據采集接口硬件和軟件的實現
　　
　　系統中的運動控制器是由云臺光電實驗室自主研制的，它與上位機之間通過RS232或RS485串行接口進行通信，串口信號格式為：COMl口、波特率4800b／s、無奇偶校驗、8位數據位、1位停止位。位移反饋環節中的數字位移傳感器只提供標準并行接口與外圍設備連接，其A／D卡占用引腳2～9作為輸入端口，引腳10～13作為輸出端口，其端口輸入輸出電平均為TTL電平。以AT89C51單片機為核心的SPP轉RS232接口電路通過寫輸入端口向A／D送入操作狀態，讀輸出端口得到A／D轉換的數據及其他信息。A／D轉換結果為14位二進制數，分兩組讀取，先讀第1組高8位，再讀第2組低6位。每組又分小兩次讀取，每次4位，zui后一次是2位。
　　
　　2．1系統的數據采集接口電路硬件設計
　　
　　圖4為以AT89C51為核心的SPP轉RS232接口電路原理圖。AT89C51是一種帶4KB閃速可編程只讀存儲器低功耗、低價格、高性能CMOS8位單片機。單片機的P1端口與數字位移傳感的輸入端口相連，向傳感器中的A／D送入操作狀態，P2端口的高四位與傳感器的輸出端口相連，用于讀取A／D轉換的14位數據信息。　　
　　2．2系統軟件設計
　　
　　圖5為程序流程圖，其中圖5（a）為上位機主要通過運動控制器控制步進電機轉動程序流程圖，圖5（b）為系統反饋環節位移反饋程序流程圖。圖6為用VC編寫的上位機控制軟件界面，上位機控制軟件調用MSComm控件實現上位機與運動控制環節及位置反饋環節之間的串行通訊。上位機接收接口電路發送的14位數據，對這些數據進行移位和數據處理，zui后實時地顯示在控制軟件界面上。　　
　　3、位移測量實驗
　　
　　先利用Pro和KeiI軟件對SPP轉RS232接口進行仿真，設計制作接口電路的PCB板，加工好后選取器件進行焊接，編寫匯編程序，調試好后通過下載線將程序下載到單片機中，組裝整個系統，進行位移測量實驗。步進電機連接一個精度較高并帶讀數標尺的水平移動機械裝置，上位機通過運動控制器控制步進電機轉動，從而帶動該機械裝置移動。
　　
　　為位移測量實驗數據，從表1可以看出，位移測量結果穩定，與機械裝置實際位移值相比誤差較小，測量精度比較高，而且進行實驗時，系統的響應時間較短，實時性較高，滿足紅外太陽望遠鏡科學目標中的主鏡調焦中M3鏡調焦的要求；
　　
　　4、結語
　　
　　基于數字位移傳感器的位移測量系統為由運動控制環節和位移反饋環節組成的閉環控制系統，系統的主要部分為實驗室所研制，成本低，工作穩定，抗*力強。經過實驗表明，該系統位移測量精度和實時性較高，能夠達到科學研究的要求，系統將于2009年年底投入試用。