基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器的设计与应用

0 引言
    传统的拉线式位移传感器采用电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，把电阻变化转换为电压输出。传统的拉线式位移传感器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件的时，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。同时，电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损、分辨力差、阻值偏低、高频特性差，从而导致测量精度的下降。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
    基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器以磁场为传输载体，将位移变换转换为磁场角度位移，同时，通过通信接口将位移信号返回给应用系统。

1 总体设计方案
    基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器的功能是将拉线的机械位移换成可以计量、记录或传送的电信号，主要由自动回复弹簧、轮毂、磁铁以及数据处理单元等部分构成，结构如图1所示。

    由图1可以看出，该基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器主要由6部分组成，改变传统的拉线式位移传感器接触式、易磨损、高频特性差等缺点，基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器以磁场为媒介，将机械位移变化转化为磁场角度变化，一方面解决传统拉线位移传感器的接触方式，另一方面减少了磨损、提高了系统高频特性，从而确保位移检测精度。数据处理运算器，用于对接收到的磁敏角度信号通过数学模型运算为拉线的位移信号。通信接口，通过通信接口与应用系统的设备进行通信，接收来自应用系统设备的命令并将采集到的位移信号反馈给应用系统。从而提高了数据采集精度、稳定性和可靠性，降低了位移传感器的应用门槛。
    各个部件功能描述如下：
    (1)拉线的钢绳缠绕在轮毂上，轮毂与一个磁铁连接在一起，当拉线产生位移的时候，带动轮毂的转动，轮毂的转动造成与轮毂的轴连接的磁铁转动，从而磁铁的磁场产生一个变化的角度。拉线运动发生的时候，自动回复弹簧确保拉线具备一定的张力，确保拉线的位移与磁敏角度的比例关系。
    (2)磁敏角度感应器与磁铁安装在同一中心轴，用来感应磁铁角度的变化，选用一种微处理器，该处理器读取磁敏角度信息，并通过建立数学模型，将磁敏角度运算为拉线的位移。
    (3)通讯接口，微处理器通过通信接口接收来自应用系统的命令并将位移信息通过通信接口返回给应用系统。

2 硬件接口电路设计
    数据处理单元由磁敏角度感应器、微处理器单元、通信接口以及输出模块，具体的功能框如图2所示。

    通过分析图2，磁敏角度感应器选用MLX90316，它将拉线位移所导致的磁铁磁场转动的角度转换为磁敏角度。微处理器单元选用32位嵌入式ARM用于对接收到的磁敏角度数据进行处理，完成磁敏角度数据的接收，由于接收到的是磁场转换的角度，所以通过建立数学模型，结合轮毂的直径等因素，将磁敏角度换算为拉线的位移。因此，为了能够快速地实现数据的接收和模型的建立，此处选用LPC2136作为数据处理单元。输入、输出控制模块负责各种对外接口的处理，如通过通信接口接收来自应用系统的命令，向应用系统返回采集的位移结果，以便能够将微处理器单元能够执行应用系统的命令并将采集结果通过接口安全可靠地发送到应用设备，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的电流输出。
2．1 磁敏角度接收接口
    MLX90316是一种线性霍尔芯片，采用了平面霍尔传感技术的单片集成传感芯片，该芯片可以用来测量与芯片表面共面的磁通密度，可以得到从0～360°的旋转位置值，通过多种模式输出准确度很高的线性绝对位置信号，并且成本低廉、安装简便。
    MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍尔技术的传感器。由霍尔传感器得到的二路正交的模拟信号经过放大处理后，经过14位微分型A／D转换器进入芯片微处理器(DSP)，再经过16位DSP处理之后的数字信号分3路输出。MLX90316输出具有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围温度变化对输出精度的影响。MLX90316具有3种输出：由12位D／A转换为模拟量输出；频率为100～1 000 Hz的PWM输出；数字模式下利用串行通信协议输出(SPI)。
    由于串行通信的输出信号直接来自于MLX90316的内部DSP输出，SPI输出模式更稳定，误差更小，并且具有更高的抗干扰能力。在本设计中，选用SPI接口，具体的硬件接口连接电路如图3所示。在图3中，MLX90316的SPI三根线与ARM LPC2136的SPl0口连接。SPI(SerialProtocol InterIace)总线接口是一种同步串行外设接口。这是一个4根信号线的串行接口协议，包括主、从两种模式。这4根信号线分别是：时钟线(SCK)、数据输入线(MISO)、数据输出线(MOSI)和从设备使能线(SS)。

2．2 RS 485通信接口电路设计
    RS 485总线以其结构简单、通信速率高、传输距离远等诸多优点，在工业控制系统中得到了广泛应用。它采用平衡发送和差分接收方式实现通信，发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高。
    在基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器中我们设计了一路RS 485信号输出，RS 485接口芯片采用MAX3485，用于与应用系统进行位移数据数据交换。为了确保数据通信的可靠性，通信接口采用了光电隔离芯片6N137。
2．3 可控电流输出接口
    数据处理单元具备一路可控4～20 mA的电流输出，用于现场指示仪表的驱动。具体的连接电路如图4所示。其中PWM2连接ARM的PWM2引脚，PWM信号用于控制光耦的导通与截止，反相器主要用于波形的整定，根据磁敏角度和位移关系，建立数学模型，计算出PWM的占空比，从而达到电流大小调节的目的。

3 软件设计
    在LPC2136中嵌入了μC／OS-Ⅱ操作系统。
    μC／OS-Ⅱ是一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步(信号量，邮箱，消息队列)和内存管理等功能。它可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。
    软件编程主要包含3个模块：PWM控制电流输出模块、RS 485通信模块、MLX90316的SPI通信模块，编程流程如图5所示。PWM控制电流输出模块主要通过改变PWM的占空比来调节电流的大小。RS 485通信模块主要用来接收上层系统的指令并根据指令将数据回传。MLX90316的SPI通信模块主要用于磁敏角度的读取，SPI的通讯过程为：主控端先输出1个0xAA以及1个0xFF作为通信起始信号，然后接着输出8个0xFF，而从端会同时输出2个0xFF、4个字节的角度信号以及4个0xFF，从而完成一次数据通讯。

4 结语
    利用MLX90316构建位置传感器需要使用磁铁，在传感位置安装活动的机械部件(通常连接在轴的末端)。只要水平磁通量均匀的磁铁都可以使用。磁铁的大小和材料并不重要；在机械、磁场和热容限之内，水平磁通量必须在20～70 mT(例如，(45±25)mT)范围以内。
    在气隙问题上，如果距离IC表面的实际气隙大于7．5 mm，环形磁铁要优于盘形磁铁。磁铁可以放在轴的末端，使用环形磁铁时可以绕在轴上。也可以使用特，殊的磁铁设计，获得旋转位置传感器正常的传输特性。
    在“基于FPGA技术的堤坝位移智能检测系统”中，将基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器用于堤坝根石位移采集装置。监测的堤坝一共为7条，每条大坝有5个关键监测点，因此，利用RS 485总线将这35个监测点组成星型网络。从试验结果可以看出，该传感器克服传统拉线式位移传感器的易磨损、分辨力差、阻值偏低、高频特性差等缺点，提高了测量精度。