基于ADC的高精度位移傳感器

孫輝 劉明強 胡紅林 劉進 田宇

摘 ?要：本文基于模數轉換器AD7172研究高精度位移傳感器的電橋測量方法，這個方法是利用惠斯通電橋兩端電阻平衡的原理，平衡的兩端加入一截電阻絲，滑動電阻絲上端的測量桿會造成電橋兩邊電阻的變化，從而使電阻絲兩端電壓差值的變化，換算出滑動測量桿移動的距離。通過配置模數轉換器AD7172不同的采樣速率及工作模式實現對電橋兩邊電壓差值的數據采樣，主控芯片STM32F103C8T6通過SPI接口與模數轉換器AD7172進行控制與數據通信，然后將數據通過上位機顯示，從而實現對高精度傳感器研究。

關鍵詞：模數轉換器AD7172;惠斯通電橋;上位機;STM32F103C8T6;SPI

0 引言

隨著科學技術的高速發展，各種位移傳感器更迭換代的速度不斷加快，原先的一些位移傳感器的測量精度已經滿足不了很多工業上的需求，因此研究更高精度的位移傳感器一直是人們所追求的。截止目前，位移傳感器已經在生活中隨處可見了，在生活和工業上，位移傳感器起著不可或缺的作用。各種類型的傳感器有著各自有優點，能夠在不同領域發揮自己的最大價值。因此在選擇使用時應該根據使用測量是什么來選擇相應的測量工具，以減少使用時工具及外界帶來的干擾，本文主要是對電阻應變式位移傳感器進行研究。

1 惠斯通電橋的測量原理

電阻應變式位移傳感器主要是利用電阻阻值的變化來達到測量的要求，而惠斯通電橋電路是一種可以用來測量電阻電阻變化的電路，由四個阻值一樣的電阻和若干導線相連接組成，電橋對立兩端外接電源，另外兩端的阻值是處于平衡狀態，此時引入一截特殊電阻絲作為附加電阻，此處選用的是鎳鉻絲，測量桿滑動到鎳鉻絲不同位置會引入不同的電阻，每個時刻等于引入一個電阻，電流不變，同一導線的阻值發生變化，導線兩端的電壓也會隨之發生變化，這體現了金屬絲的電阻應變效應[1]，利用這一關系能夠精確測量電阻。

此次電橋使用的四個電阻阻值皆為75 Ω，A+和A-兩端的阻值恒定為75Ω，當滑動測量桿時，引入的附加電阻為變化的R，此時A+和A-兩端的電壓會發生變化。設有一段長L，截面積A，電阻率ρ的金屬絲，其原始阻值為：

"R=ρ" ?L/A

式中：R為金屬絲的原始電阻（Ω）;ρ為金屬絲的電阻率（Ω·m），屬于鎳鉻絲本身自帶屬性;L為金屬絲的長度（m），A為金屬絲的橫截面積（m2），A=πr2，r為金屬絲的半徑[2]。附加電阻是選用直徑0.4 mm的鎳鉻絲代替，因為橫截面恒定，單位長度內，鎳鉻絲電阻較大，且受溫度變化較小，便于測量。

通過采集A+和A-兩端電壓的變化，可得到相應附加電阻R的阻值變化，推出滑動測量桿位移，其位移為：

?L= ?RA/ρ

式中，?R是測量桿滑動過程中變化的電阻，A為鎳鉻絲的橫截面積，L便是測量桿的位移，ρ為鎳鉻絲的電阻率，根據式子便可實現對事物位移的精確測量。

2 模數轉化器AD7172

2.1 AD7172的介紹

模數轉換器AD7172是一款低功率、高分辨率、性能穩定突出的產品，能夠配置2個全差分輸入通道或4個單端輸入通道，具有24位無噪聲分辨率，使得采集到的電壓轉換更加精確高效。AD7172擁有24個引腳，每個引腳的定義對應著不同功能，充分合理的運用不同引腳能夠提高器件的工作效率。電源是每個器件工作的首要前提，而AD7172工作的時候有三個獨立的電源引腳，每個電源引腳擁有不同的功能，其中AVDD1用作轉換器工作時的ADC轉換，AVDD2 能夠為轉換器的內核供電; IOVDD能夠為轉換器的數字邏輯供電 [3-4]。

2.2 AD7172的采樣配置

單片機上電復位后，MCU通過SPI接口訪問AD7172，訪問的是AD7172的通信寄存器，它是一個8位只寫寄存器，第一次訪問的時候，將所需要的指令寫入到通信寄存器，便于確定接下來的操讀操作還是寫操作，這些操作都是操作于AD7172內部的各類寄存器，用于實現工作模式和采集數據的各種配置。寄存器0x00中的位[5：0]）決定讀或寫操作的目標寄存器。AD7172將內部各類寄存器配置完成能夠滿足采集物理量的需求，此次通道寄存器的配置是通道CH1，運用差分輸入將AIN0作為此通道連接到ADC的負輸入，AIN1作為此通道連接到ADC的正輸入，配置通道寄存器為0x11，功能是選擇模擬量輸入通道，使能通道;設置配置寄存器設置為0x20，主要對使能的通道進行設置，例如設置輸出編碼是雙極性還是單極性，選擇外部基準電壓源還是內部基準電壓源是否禁用輸入緩沖器;濾波器配置寄存器設置為0x28，主要是用于選擇數字濾波器用來控制數據的輸出速率以及增強抑制性能;失調寄存器配置，和增益寄存器分別配置為0x30和0x38，是根據ADC工作模式選擇配置，一般默認;ADC模式寄存器配置為0x420C，主要用于選擇ADC工作模式，例如單次轉換、連續轉換、待機模式等，還有時鐘源的選擇，是內部振蕩器輸出還是外部時鐘輸入;配置接口模式寄存器，主要配置各種串行接口選項，控制數據長度及CRC使能等，配置各種寄存器流程如圖1所示：

3.MCU控制流程

MCU采用的是意法半導體公司生產的STM32F10x系列的STM32F103C8T6芯片，它是32位且帶有64K字節閃存的微控制器和256K程序的Flash，其工作頻率高于一般MCU，是一款綜合性能性能高的產品。該芯片內部集成9個通信接口，包括USART接口、IIC接口、SPI接口、CAN接口和USB 2.0全速接口，該芯片所具備功能滿足此次研究所需的要求[5-6]。MCU與AD7172之間的控制指令下發和數據交換是通過SPI接口完成的，兩者通信之前，首先需要確定主、從設備的地址，可以有多個從設備，但是設備地址不能相同，否則主設備無法訪問[7]。 SPI占用芯片的4個引腳，它們分別是主設備數據輸入從設備輸出線、從設備數據輸入主設備數據輸出線、時鐘線和片選線，能夠穩定地完成此次采集數據的傳輸。當MCU接收到由AD轉換器轉換而來的數據時候，兩種得到數據的方法，第一將收到的數據通過MCU串口發送到PC端串口，然后通過PC端上位機顯示出來，然后將得到的數據計算得到滑動測量桿的位移;第二MCU將數據通過自身串口2發送給無線模塊，通過無線模塊能夠將數據實現遠程傳輸，最后將得到數據從TCP上位機端輸出，就可以換算得到精確的位移。大致框圖如圖2示：

4. AD7172及SPI的部分代碼配置

4.1 AD7172讀寫代碼配置

AD7172能夠對附加電阻兩端的電壓模擬量實現精確采集，MCU將配置指令通過SPI寫入到AD7172的內部寄存器，對內部寄存器進行讀寫操作，使AD7172能滿足采集的需求，配置AD7172代碼如圖3所示：

通過這些代碼，我們能夠對AD7172內部寄存器進行讀寫操作，以實現對數據的穩定、高效的采集，提高AD7172工作效率，為了便于更好收集采集的值，制定采樣速率為1秒1次。

4.2 SPI協議代碼配置

AD7172將采集到得數據通過SPI接口送到MCU進行處理，MCU與AD7172通信是通過自身擁有的SPI2管腳通信，因此要配置SPI2協議代碼收發數據，信協議通道配置成功后，可通過自定義函數實現對采集到的數據進行傳遞，其中包括AD7172的配置指令，MCU將配置好的指令通過SPI2發送到AD7172，收到指令的AD7172根據配置的指令需求對電壓模擬量有序、高效、精確的采集，將采集到模擬量轉換為數字量，之后通過SPI2把這些數據傳遞到MCU，完成兩者之間的通信。

5. 上位機及數據處理

上位機界面是基于Visual用c語言為底層開發語言編寫的，讓它作為人與機器交互的橋梁，能夠讓操作者知曉采集過程中的狀態信息，也可以根據需求編寫相應功能區，實現簡易的對下位機控制和實時數據傳輸，還能直觀簡易的得到結果，減少工作量[8]。其中數據的處理算法已經寫入上位機中，電壓每變化4.5μv便位移10微米，當無線模塊連接到上位機，MCU就會將AD7172傳遞過來的數據發給無線模塊，模塊再通過TCP網絡協議發送給上位機，上位機將模塊發來的處理之后數據直接顯示在界面。

此次數據是通過無線模塊對MCU處理后的數據遠程接收，MCU通過自身串口2對無線模塊通信，建立串口2的協議報文，給MCU上電工作，此時滑動測量桿處于起點，無線模塊與MCU通信收到的數據，由界面可以得到，相對零點是14530μv，等待1-2分鐘，最大變化是1μv，當滑動測量桿滑動一段位移后，得到的數據如圖4所示：

因為起點采集電壓的相對零點是14530μv，位移后的采集電壓是16250μv，變化的電壓便是1720μv，最后將位移顯示在界面。

結論

利用惠斯通單臂電橋的優點，能夠準確測量出附加電阻的變化，電阻的選取是單位長度內電阻相對較大，且一定溫度下，電阻受溫度變化較小，減少不必要的誤差影響。附加電阻變化引起兩端電壓變化，而24位模數轉換器AD7172能夠精確將兩端電壓轉換為數字量，在眾多AD轉換器之中，它性能穩定、突出、采集精準，能一定程度上減少采集誤差。由數據分析可以看出，位移傳感器的測量的精度準確的達到微米級別，能夠滿足生活與工業上的很多需求，由于是小型的高精度位移傳感器，使它本身靈活方便，便于移動，滿足高要求、高精度的測量，但是因為本身體型的局限性，只適合用來測量短距離的位移，對于較遠距離的測量有一定的困難。

參考文獻

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[8]巢惠世，梁宏斌，蔡土淇.基于Linux的機械臂實時控制系統研究[J].信息技術與網絡安全，2020， 39（04）：81-85.

作者簡介

孫輝（1997-），男，本科，初級工程師，研究方向：嵌入式系統、電子技術應用、測量控制。（通信作者）

劉明強（1981—），男，本科，工程師，研究方向：系統架構、嵌入式系統、測量控制。

胡洪林（1999-），男，本科，初級工程師，研究方向：傳動結構、測量控制結構、電子技術應用。