基于磁敏角度技術的拉線式位移傳感器的設計與應用

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(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)進行處理，完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學模型，結(jié)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(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數(shù)據(jù)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(tǒng)的命令，向應用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果，以便能夠?qū)⑽⑻幚砥鲉卧軌驁?zhí)行應用系統(tǒng)的命令并將采集結(jié)果通過接口安全可靠地發(fā)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，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(zhuǎn)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(jīng)過放大處理后，經(jīng)過14位微分型A／D轉(zhuǎn)換器進入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16位DSP處理之后的數(shù)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(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。
由于串行通信的輸出信號直接來自于MLX90316的內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)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SPl0口連接。SPI(SerialProtocol InterIace)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(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號線分別是：時鐘線(SCK)、數(shù)據(jù)輸入線(MISO)、數(shù)據(jù)輸出線(MOSI)和從設備使能線(SS)。

2．2 RS 485通信接口電路設計
RS 485總線以其結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。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(fā)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(tǒng)進行位移數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)交換。為了確保數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理單元具備一路可控4～20 mA的電流輸出，用于現(xiàn)場指示儀表的驅(qū)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(jù)磁敏角度和位移關系，建立數(shù)學模型，計算出PWM的占空比，從而達到電流大小調(diào)節(jié)的目的。