王　蕓，曹現(xiàn)剛

(西安科技大學(xué)，陜西西安　710054)

0　引言

電渦流傳感器利用電感應(yīng)渦流原理實(shí)現(xiàn)將非電量參量轉(zhuǎn)換成可測(cè)的電量信號(hào)，用于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)中，具有設(shè)備體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于機(jī)械、航空、電站等各種大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械[1]。電渦流傳感器的作用日益突出，已成為計(jì)量測(cè)試、自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的技術(shù)工具。

目前的電渦流檢測(cè)系統(tǒng)中還需要實(shí)現(xiàn)控制等功能，一般采取外加單片機(jī)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)需求。文中采用可編程片上系統(tǒng)PSoC3(Programmable System on Chip)，利用其芯片內(nèi)部的資源，構(gòu)成1個(gè)電渦流傳感器，僅用1個(gè)PSoC3芯片就可以完成電渦流檢測(cè)和其他控制功能。

1　電渦流傳感器的工作原理

將金屬導(dǎo)體置于變換磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，在導(dǎo)體內(nèi)形成閉合回路的電流，稱之為電渦流或渦流，稱這種現(xiàn)象為渦流效應(yīng)。電渦流測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1(a)中，把扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以正弦電流I1時(shí)，線圈周圍空間就產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，處于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流I2，I2也將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2，H2的方向與H1方向相反，H2的反作用將引起通電線圈的電感量、等效阻抗的變化。

(a)

(b)

2　PSoC3及其內(nèi)部資源

PSoC3基于8位8051處理器，提供了一個(gè)無(wú)縫的可編程設(shè)計(jì)平臺(tái)，PSoC3構(gòu)架包含了高精度可編程模擬能力(最高20位分辨率的ADC)以及可擴(kuò)展的可編程數(shù)字資源，并配備有足夠的存儲(chǔ)器和通訊外設(shè)。除了豐富的模擬資源，還有可編程高性能數(shù)字子系統(tǒng)，可以使用PLD的全功能通用邏輯將數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行客戶制定化。在開(kāi)發(fā)使用PSoC3時(shí)，采用圖形化開(kāi)發(fā)工具PSoC Creator2．0，PSoC Creator2．0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)支持PSoC3，將基于電路圖的設(shè)計(jì)和全部測(cè)試過(guò)的、預(yù)先打包好的模擬和數(shù)字外設(shè)庫(kù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)直觀的向?qū)Ш虯PI(應(yīng)用程序接口)即可進(jìn)行客戶化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)要求[2]。

3　電渦流傳感器的硬件及參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1基于PSoC3的電渦流傳感器系統(tǒng)

采用PSoC3芯片CY8C3866AX-040設(shè)計(jì)的電渦流傳感器可用到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，連接示意見(jiàn)圖2。PSoC3芯片CY8C3866AX-040使用1個(gè)CAN模塊連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)需要增加其他的功能，可以對(duì)PSoC3芯片的硬件進(jìn)行重新的配置，不必外加功能芯片。

采用圖形化開(kāi)發(fā)工具PSoC Creator2．0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)中使用到PSoC3內(nèi)部模塊有1個(gè)PWM模塊、1個(gè)中斷模塊、2個(gè)計(jì)數(shù)器模塊、1個(gè)CAN模塊。在PSoC Creator2．0中添加上述模塊。

圖2　基于PSoC3的電渦流傳感器應(yīng)用系統(tǒng)

3．1．1渦流傳感器的測(cè)量電路設(shè)計(jì)

該次設(shè)計(jì)的電渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量電路采用調(diào)頻法[3]，使用反相器構(gòu)建振蕩電路，反相器由PSoC3芯片內(nèi)部資源提供，2個(gè)反相器外加1個(gè)電容和渦流線圈就構(gòu)成了1個(gè)測(cè)量電路(如圖3所示)。該次設(shè)計(jì)為2個(gè)渦流線圈，2個(gè)測(cè)量電路構(gòu)成1個(gè)差動(dòng)測(cè)量[4]，能提高設(shè)計(jì)的渦流傳感器穩(wěn)定性，這樣可以充分利用PSoC3的內(nèi)部資源。

圖3　電渦流傳感器的測(cè)量電路原理圖

3．1．2渦流傳感器的各模塊設(shè)計(jì)

使用定時(shí)和計(jì)數(shù)模塊把測(cè)量電路的振蕩頻率采集到，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，定時(shí)模塊使用的是PWM模塊，2路PWM輸出控制2個(gè)計(jì)數(shù)模塊，2個(gè)計(jì)數(shù)模塊分別采集2路測(cè)量電路頻率，中斷模塊ISR產(chǎn)生中斷為軟件設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，CAN通訊模塊使得傳感器向系統(tǒng)輸送數(shù)據(jù)。各模塊聯(lián)系如圖4所示。

圖4　PSoC3芯片內(nèi)部模塊示意圖

3．2電渦流傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)

PSoC3芯片電源電壓采用+5 V，使用片內(nèi)時(shí)鐘頻率24 MHz．

3．2．1定時(shí)器PWM模塊和計(jì)數(shù)器Counter模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)

定時(shí)模塊PWM的時(shí)鐘輸入設(shè)置為100 kHz，脈沖信號(hào)產(chǎn)生周期設(shè)置為10 ms，輸出為兩路，分別連接到計(jì)數(shù)器Counter模塊，計(jì)數(shù)器模塊設(shè)置為32位計(jì)數(shù)器，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3．2．2通訊連接CAN模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)有多重通訊協(xié)議，文中使用CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，它的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確性得到了保證，CAN模塊的設(shè)置簡(jiǎn)單，只需對(duì)相應(yīng)參數(shù)做修改即可，通過(guò)設(shè)置用戶菜單就可以設(shè)計(jì)出滿足通訊網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo)，此次設(shè)計(jì)通訊速率為500 Kbps，部分需要設(shè)置的參數(shù)如表2所示。

表1　PWM模塊和Counter模塊關(guān)鍵參數(shù)表

表2　通訊連接CAN模塊部分參數(shù)表

3．3電渦流傳感器的管腳設(shè)計(jì)

首先確定每個(gè)管腳的作用，在測(cè)量電路里、反相器和線圈以及電容構(gòu)成的測(cè)量電路里，輸入管腳設(shè)置為Digital Input并為HW Connection模式，輸出管腳設(shè)置為Digital Output并為HW Connection模式，CAN控制器管腳參照數(shù)字模式設(shè)置，管腳的分配可在PSoC Creator2．0中的Workspace下的．cydwr文件下圖形化簡(jiǎn)單分配。

4　渦流傳感器的軟件設(shè)計(jì)

PSoC3軟件運(yùn)行在PSoC3芯片內(nèi)的處理器上，編程使用C語(yǔ)言。程序設(shè)計(jì)是在PSoC Creator2．0自動(dòng)生成的源代碼上進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)的。PSoC Creator2．0中為每個(gè)應(yīng)用模塊提供了API函數(shù)，在編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)只需調(diào)用這些函數(shù)。例如所需要的定時(shí)器PWM模塊API函數(shù)、計(jì)數(shù)器Counter模塊API函數(shù)、中斷ISR模塊API函數(shù)和通訊CAN模塊API函數(shù)。

利用CY8C3866AX-040構(gòu)成的電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)的渦流檢測(cè)功能采集到的數(shù)據(jù)是不間斷的[5]，當(dāng)傳感器工作后實(shí)時(shí)采集渦流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)處理保存后，通過(guò)CAN模塊發(fā)送給遠(yuǎn)端系統(tǒng)，程序流程圖如圖5所示。

圖5　程序流程圖

5　結(jié)束語(yǔ)

基于PSoC3芯片設(shè)計(jì)的電渦流傳感器，硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高，在軟件編程方面只需簡(jiǎn)單調(diào)用相應(yīng)API函數(shù)，避免了一般電渦流傳感器的復(fù)雜設(shè)計(jì)，如果系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)其他的控制功能，利用數(shù)字模塊和模擬模塊的高度動(dòng)態(tài)配置功能，只需對(duì)PSoC3芯片硬件進(jìn)行重新配置，無(wú)須外加其他芯片，從而有效地提高基于PSoC3芯片設(shè)計(jì)的性價(jià)比。

實(shí)驗(yàn)證明，基于PSoC3芯片的電渦流傳感器電路簡(jiǎn)單，采用雙線圈差動(dòng)補(bǔ)償穩(wěn)定性高，非常適合于低成本和小型化應(yīng)用的監(jiān)控系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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