一种嵌入式微小长度自动测量装置的设计

　　1 系统的工作原理

　　本微小长度自动测量装置的总体框图如图1所示。

　　它是由单片机模块、DDS正弦信号发生电路、 差分输出电路、线性可变差动变压器、电压检测电路、A/D模数转换电路、电机驱动电路、直流电机、机械传动组件组成。

　　其基本工作原理是：首先，利用DDS频率合成技术产生频率为100KHz的正弦激励信号， 经差分放大电路后作为差动变压器初级线圈的输入信号;后级线圈的两路交流输出信号流经电压检测电路，被转换为两路直流电压，经A/D采样后送回给单片机;然后，单片机进行差值计算，再运用此差值与磁棒的已深入线圈位移的线性关系，分析出磁棒位置，并找出其与指定深入位置的距离;最后，利用单片机驱动直流电机，带动差动变压器中的磁棒，直至达到设定的位置。本微小长度自动测量装置在技术上不仅需要保持变压器输出波形，还要对输出信号经行精确测量。差动变压器是本题的核心器件， 同时对差动变压器性能进行大量重复的测试，以保证其线性度、灵敏度等指标达到较高的精度。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 单片机模块

　　单片机模块主要由89C55WD单片机、LCD液晶显示模块和键盘组成。其工作方式为控制与显示：键盘输入相关控制信息，由单片机控制位移传感器进行测量，并且接收相应的传感器电压数据，经过处理后在LCD上显示测量的位移值。

　　2.2 DDS正弦信号发生电路

　　DDS正弦信号发生电路主要由FPGA、数模转换电路组成。

　　FPGA内部实现DDS功能，向数模转换电路输出正弦波表，再由数模转换电路输出正弦波。

　　DDS主要由晶振(参考频率源)、相位累加器、地址寄存器、波形存储器组成。如图2，其中的相位累加器、地址寄存器、波形存储器等数字处理部分由FPGA实现。

　　通过DDS技术实现频率合成前需要确定DDS的主要性能参数，设参考频率源频率为fclk=40MHz

　　D/A数模转芯片采用DAC0800，电流电压转换芯片采用AD公司的高速运放AD811。DAC0800将FPGA送来的数字信号转换为模拟信号，输出频率为100KHz，峰-峰值为10V的正弦波。

　　2.3 差分输出电路和差动变压器电路

　　差分输出芯片采用TI公 司 生 产 的THS4503。THS4503将DDS产生的单端输入信号转换为差分信号输出。测试结果显示次级线圈输出效果良好，输出波形无明显失真。线性可变差动变压器的设计时，需要考虑的因素有：①必须保证变压器绕制均匀，使线性段尽可能好;②差动变压器绕制时次级线圈应尽可能长，以增加测量长度。当增加绕制匝数时，灵敏度S同时提高，但匝数范围也受到线圈导线允许电流密度、导线发热的散热情况及磁饱和等因素的限制，固定在磁棒上的探针不能为磁性材料，否则会影响测量的准确度。综合以上分析，线圈分为上，中，下3段，长度均为2cm，中间部分为初级线圈，上下为次级线圈。初、次级线圈的匝数比都为1∶1，整个线圈采用覬=0.2mm的漆包线绕制在绝缘材料制作的骨架上。与之配套的磁棒采用铁淦氧磁棒，长度为4cm。探测头采用绝缘材料，避免对次级线圈的输出电压产生干扰。当磁棒在线圈内部移动时，测量数据的线性度较好，但是当移动到边缘部分时由于磁力线分散，会测得非线性的数据，但通过校准后仍能达到很高的精度。