基于磁敏技術(shù)的位移傳感器的設(shè)計(jì)

摘  要： 介紹了MLX90316的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性,設(shè)計(jì)了以LPC2136為CPU、MLX90316為位置反饋、具備1路光電隔離RS485通信輸出的位移傳感器，給出了位移計(jì)算策略和計(jì)算方法，詳細(xì)分析了接口電路原理圖和接口時序。

對物體位移進(jìn)行非接觸測量是目前位移測量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,這是由于非接觸測量方法具有高速、不接觸被測物體等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的接觸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(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。為實(shí)現(xiàn)測量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關(guān)系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時柵位移傳感器、線位移差分傳感器、容柵位移傳感器、電感式位移傳感器等,這些傳感器的精度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,對被測物體運(yùn)動速度還附加了限制,如必須運(yùn)行平穩(wěn)、無突變和相對低速等。

本文從工程應(yīng)用的角度，設(shè)計(jì)了一種基于磁敏技術(shù)的位移傳感器，該傳感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。

1 磁敏傳感器工作原理

在基于磁敏技術(shù)的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。

MLX90316是一種線性霍爾芯片，在霍爾效應(yīng)傳感器上增加集成磁場集中器(IMC)的單片集成傳感芯片。能夠在單點(diǎn)感應(yīng)到磁通量的所有3個分量，因此，可以得到360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉，安裝簡便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應(yīng)垂直于IC表面的磁通量。

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)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 bit微分型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16 bit DSP處理之后的數(shù)字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率，10 bit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 bit D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100 Hz~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)。

在本設(shè)計(jì)中，選擇SPI接口輸出。

2 硬件接口電路設(shè)計(jì)

基于磁敏技術(shù)的位移傳感器主要由3個部分組成，前端角度信號采集、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)通訊單元，具體的功能框圖如圖1所示。

磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。

微處理器單元通過SPI接口與MXL90316進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于完成磁敏角度數(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(xué)模型，結(jié)合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II上運(yùn)行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2136是Phlips公司生產(chǎn)的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速FLASH存儲器。采用3級流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。

數(shù)據(jù)通信單元設(shè)計(jì)了1路RS485通信接口，負(fù)責(zé)接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令、向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果。

2.1 SPI接口電路設(shè)計(jì)

MLX90316具備1路SPI接口,用于角度信號的數(shù)據(jù)，由于串行通信的輸出信號直接來自于內(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(shè)計(jì)中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖2所示。在圖2中，MLX90316的SPI 3根線與LPC2136的SPI0口連接。SPI(Serial Protocol Interface)總線接口是一種同步串行外設(shè)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(shè)備使能線(/SS)。