基于新唐M451的LVDT位移測量儀

陸小飛+孫海燕

摘 要：該文介紹了一種以新唐M451微控制器為核心的LVDT位移測量儀。測量儀的信號調(diào)理電路采用ADA2200同步解調(diào)技術，將LVDT傳感器的位移信息轉(zhuǎn)換為對應的直流電壓，單片機M451讀取ADS1232的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果并驅(qū)動LCD將位移信息顯示在液晶屏幕上。該位移測量儀具有線性度高、誤差小、抗干擾能力強等特點。

關鍵詞：LVDT 信號調(diào)理 鎖相放大器 同步解調(diào)

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0062-02

LVDT是一種可以輸出位移信息的傳感器，內(nèi)部由一個初級線圈、兩個次級線圈、一個可自由移動的鐵芯以及線圈骨架、外殼等部件構(gòu)成。LVDT工作原理可以等效為一個鐵芯可動的變壓器，在初級線圈加一個固定頻率的激勵信號，當鐵芯位于兩個次級線圈中心位置時，次級線圈感應的電壓相等，兩個次級線圈的電壓差是零；當鐵芯由中間向兩邊移動時，次級兩個線圈輸出電壓差與鐵芯位移成線性關系。由于可移動鐵芯和線圈不需直接接觸，LVDT一般可以用于比較嚴酷的工作環(huán)境[1]。

1 信號調(diào)理電路的設計

LVDT信號調(diào)理電路的基本工作方框圖如圖1所示。其中ADA2200是一款采用同步解調(diào)器和可調(diào)諧濾波器，可以在噪聲干擾幅度大于信號幅度的情況下實現(xiàn)小信號測量的芯片[2]。ADA2200的激勵信號頻率可通過SPI編程來設定，輸出的激勵信號RCLK用來控制電子開關ADG794，產(chǎn)生固定頻率的方波信號驅(qū)動LVDT的初級線圈。LVDT次級線圈輸出電壓的頻率與激勵信號相同，幅度與可移動鐵芯的位置有關。ADA2200采用內(nèi)部的鎖相放大器及可編程濾波器將這個與位移相關的特定頻率信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€與鐵芯位移成比例的直流電壓。電路中C7、R9、和R10等元件可降低輸出線圈的Q值，使電路不容易受LVDT輸出線圈電感和電阻的變化影響。R7、C9和R8、C8組成RC濾波器可以進一步濾除外部干擾信號，經(jīng)過濾波后的信號進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232。

2 整體電路設計

LVDT測量儀整體系統(tǒng)框圖如圖2所示。主要由前級信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主控單片機、液晶顯示器、按鍵、調(diào)試下載接口以及供電電源等部分構(gòu)成。

2.1 主控制芯片

主控制芯片采用的是新唐M451MLC3AE微控制器。該系統(tǒng)中，M451用于設置ADA2200、ADS1232的工作狀態(tài)，同時讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232輸出的與LVDT位移成線性關系的數(shù)字信號，再通過內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計算后在液晶顯示器1602A上直接顯示位移值。

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是TI公司的ADS1232，該ADC是一款高度集成的24 bit delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可用于低電平、高精度測量，特別是廣泛用于衡量器應用。此ADC由一個低漂移、低噪聲的儀表放大器和一個數(shù)字濾波器組成。內(nèi)部放大器的增益可設置為1、2、64、128，ADS1232輸出數(shù)據(jù)率可以設置為10 SPS或80 SPS，10 SPS時可以同時抑制50 Hz及60 Hz頻率的干擾信號，該系統(tǒng)中輸出數(shù)據(jù)率設置為10 SPS。

3 系統(tǒng)測試

為驗證位移測量儀的工作情況，采用標定儀對設計的電路進行測試，LVDT傳感器采用RDP公司的ACT1000。通過轉(zhuǎn)動標定儀中的千分尺，LVDT會產(chǎn)生相同的位移變化。記錄千分尺的位移數(shù)值，同時讀取LCD顯示的位移值可對位移測量儀做驗證。

4 結(jié)語

文章根據(jù)實際工作需要，研制完成了基于新唐M451微控制器的位移測量儀，并對電路進行了測量驗證。實測表明M451配合ADA2200在采用同步解調(diào)的方法處理LVDT位移信號方面具備一定的優(yōu)勢，可極大地簡化電路設計。檢測電路精度高、抗干擾能力強，具備一定的應用推廣價值。

參考文獻

[1] The LVDT：construction and principles of operation[EB/OL].http：//www.meas-spec.com.

[2] Synchronous Demodulator and Configurable Analog Filter[EB/OL].http：//www.analog.com.