基于Ｃ８０５ １Ｆ０２０的高精度电感传感器 信号采集模块 王佳顺 陆小龙 赵世平 （四川大学制造科学与工程学院 成都 ６１００６５） 摘要：针对目前采用多片可编程计数器／定时器８２５３实现多路高精度电感传感器频率信号采集，易出现丢数问题， 提出一种基于Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机的多路电感传感器信号采集方案。利用单片机内部计数器和可编程计数器阵列 （ＰＣＡ）为传感器配置的采集通道，实现传感器信号的同时采集，从而保证数据传输的可靠性。模块以单片机作为 核心控制芯片，结合相应软件实现信号采集、数据处理、数据传输、标定存储及显示等功能。该模块已在梯形活塞环基 圆高测量仪中得到应用。实验表明该模块采集精度高，稳定性好，扩展性好，满足实际需求。 关键词：信号采集；电感传感器；Ｃ８０５１Ｆ０２０；ＰＣＡ 中图分类号：ＴＰ２７４ ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５２０．６０ Ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｉｇｎａｌ ｓｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５１Ｆ０２０ Ｗａｎｇ Ｊｉａｓｈｕｎ Ｌｕ Ｘｉａｏｌｏｎｇ Ｚｈａｏ Ｓｈｉｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｍｕｌｔｉ－ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５１Ｆ０２０ ＭＣＵ，ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ｌｏｓｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｃｈｉｐ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｕｎｔｅｒ／ｔｉｍｅｒ ８２５３ｓ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｂｙ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｕｎｔｅｒ ａｒｒａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｅｒ ｏｆ Ｃ８０５１Ｆ０２０，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｕｓ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｕｓｅｓ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ．ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｃｉｒｃｌｅ ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ， ｗｅｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｇｏｏｄ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍｅｔ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｄｅｍａｎｄｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ；Ｃ８０５ １ Ｆ０２０；ＰＣＡ １ 引 言 高 。］，但易增加整个测量系统的成本。针对实验室自主研 制的电感传感器提出采用Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机内部ＰＣＡ模 块和计数器设计传感器信号采集模块，解决了在其数据采 集中存在的缺陷，同时还具有集成度高、成本低、易扩展等 特点。 电感式位移传感器具有工作寿命长、灵敏度准高、线性 好等特点，在精密机械测量中使用较为普遍口 ］。电感位移 传感器一般制成差动式，以便提高线性度和减小误差，它主 要由２个差动连接的线圈组成，被测位移改变２个线圈的 自感或互感，由测量电路将其转换为电压或电流信号输 出 ］。针对传感器信号采集的方案比较多，如利用５１单 片机结合传统计数器对信号计数存储 ］，该设计虽然能满 足一定要求，但仍存在读数易丢失、响应速度慢等问题；基 于可编程逻辑器件的数据采集系统采集速度快、精度 收稿日期：２０１４—０８ ２总体结构设计 采集模块以Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机为核心，加上外围辅助 电路构成，包括信号调理电路、分频电路、主控电路、按键电 路及液晶显示电路。采集模块总体结构如图１所示。 王佳顺等：基于Ｃ８Ｏ５１Ｆ０２０的高精度电感传感器信号采集模块 第３期 系的频率信号，经过信号调理和分频电路处理，转换为数字 频率信号，单片机对其准确测量和运算，结合按键操作即可 实现数据采集。采集完成后将数据保存在单片机内部 Ｆｌａｓｈ存储器中，液晶分屏显示各个工作状态。计算机通过 串口向单片机发送指令，获取测得的频率值，然后对其运算 处理以及图形显示、存储等。 ２．１信号预处理电路 每个传感器输出为２路频率信号，其电压幅值均为 负（一３．７６～０．５Ｖ），且频率范围较大（５００～ １ ３００ ｋＨｚ），因此，需对信号进行预处理才能让单片机 识别和准确测量。预处理电路包括信号调理电路和分 频电路，其中调理电路采用六反相器７４ＨＣ０４将信号电 平转换为单片机能识别的ＴＴＬ电平，０．１ Ｆ的电容用 图１系统总体结构 于抑制直流干扰。由双Ｄ触发器７４ＬＳ７４构成６４分频 电路，实现对传感器单路频率信号的６４分频，总共有４ 该模块的工作过程如下：传感器输出与位移成一定关 ｖｃｃ 路举其一路如图２所示。 ＶＣＣ ３ ４ ＧＮＤ ＧＮＤ 【ｊ Ｄ 图２分频电路 ２．２主控模块 启停。 模块采集原理如图３所示。 ………………一一 数据采集主要由Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机完成，它内置４ ３５２字 节的片内ＲＡＭ，６４ Ｋ的Ｆｌａｓｈ存储器，５个通用１６位定时／计 数器和一个可编程计数器阵列（ＰＣＡ０）；采用高速８ ０５１为控 制器内核，速度可达２５ ＭＩＰＳ，是普通８０５１单片机的数倍；芯 片集成了ＵＡＲＴ串口、ＳＰＩ和ＳＭＢＵＳ等接口，为控制器外围 设备并与其进行数据传输提供了方便 卅。 为了保证位移与频率的同步，需对２个传感器４路频 率进行同时测量，同时还要不影响串口通信，基于单片机 定时器的工作特性，将定时器Ｔ２用于串口通信，其余定时 器用作系统时钟计数。可编程计数器阵列有５个捕捉／比 较模块，将其４个配置成边沿触发捕捉方式，每个捕捉模 块对一路频率信号中断捕捉计数，同时控制一个定时器的 ・ Ｃ８０５ｌＦ０２Ｏ ‘图３模块采集原理 １０５ ・
