中心議題：

• USB接口的多功能容柵傳感器測量係統

解決方案：

• 將傳感器信號電平轉換為CMOS電平
• 采用光耦隔離技術等增強係統的抗幹擾能力

引言
   
容柵測量器具有測量可靠
、體積小、功耗低、功能多等特點。隨著測量技術向精密化、高速化、多功能化發展，具有多種優良特性的容柵傳感器應用得越來越廣泛。由於容柵傳感器數據的傳輸多采用RS232／RS485總線方式
，而USB總線方式方便、高效，並有取代串口通信方式的趨勢
，因此設計一款帶USB接口的容柵傳感器測量係統具有實際應用價值。

1 容柵傳感器測量原理
   
容rong柵zha傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo原yuan理li是shi根gen據ju平ping板ban電dian容rong理li論lun而er來lai。一yi般ban容rong柵zha傳chuan感gan器qi的de結jie構gou包bao括kuo動dong柵zha板ban和he定ding柵zha板ban。動dong柵zha板ban包bao含han發fa射she極ji和he接jie收shou極ji，定ding柵zha板ban包bao含han反fan射she極ji。反fan射she極ji分fen別bie和he發fa射she極ji、接收極形成平板電容器。通過在發射極上施加n相(xiang)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)，反(fan)射(she)極(ji)將(jiang)此(ci)信(xin)號(hao)反(fan)射(she)到(dao)接(jie)收(shou)極(ji)，隨(sui)著(zhe)動(dong)柵(zha)板(ban)的(de)移(yi)動(dong)
，接(jie)收(shou)極(ji)的(de)感(gan)應(ying)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)變(bian)化(hua)不(bu)大(da)，而(er)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)與(yu)位(wei)移(yi)量(liang)成(cheng)一(yi)定(ding)函(han)數(shu)關(guan)係(xi)：
    θ(x)=arctan[(1-2x／w)／(1+√2)]     (1)
    其中，x為位移量，w為小發射極寬度。當位移發生一個w寬度變化時，接收極產生360°／n的相差。設激勵信號的周期為T
，則有：
    T=N·β                              (2)
    式中：β為最小計時單位，N為常數。而每周期代表位移量為L(本係統為0．508 mm)，在每周期中β代表一個小相位，則一個周期被分解為N個小相位，每個小相位代表位移量即最小分辨率：
    △l=L／N                            (3)
    本係統N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對於最大測量速度Vmax，因為在一個周期內最多能分辨N個相位，所以有：
    Vmax=L／T                           (4)

2 係統硬件設計

2．1 C8051F321芯片介紹
   
C8051F321片內集成了數據采集和控製係統中常用的模擬部件和其他數字外設

，采用交叉開關實現I／O端口的靈活配置，自帶USB2．0收發器、控製處理器和內部上拉電阻，可在全速(12MHz)或低速(1.5MHz)下運行，支持8個靈活通用的USB端點


，內置1K的USB專用緩衝寄存器。

2．2 傳感器信號處理模塊設計
   
容柵傳感器接口為B531，信號線有4根：電源線(1．5 V)、地線(0 V)、時鍾線(CK)、串行數據線(DATA)
，並且通過控製CK
、DATA信號線的電平可以實現容柵傳感器的不同功能比，如最大值跟蹤、最小值跟蹤
、數據保持和清零等。
   
由於容柵傳感器內部的專用控製芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而後續數據采集係統工作電壓為5 V
，要進行數據交換則必須進行電平轉換，電平轉換原理圖如圖1所示。電路中采用LM393芯片轉換電壓，LM393芯片實質上為2個比較器
，比較電壓為容柵傳感器工作電壓的一半左右
，設為0．6V。通過比較電壓0．6V與CK和DATA信號線電平比較
，即可將CK、DATA信號線的電壓轉換為0V或者5V。


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2．3 硬件抗幹擾電路設計
   
由(you)於(yu)係(xi)統(tong)經(jing)常(chang)工(gong)作(zuo)在(zai)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)等(deng)領(ling)域(yu)
，各(ge)種(zhong)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)很(hen)常(chang)見(jian)
，為(wei)了(le)使(shi)係(xi)統(tong)能(neng)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)，采(cai)用(yong)光(guang)耦(ou)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)單(dan)片(pian)機(ji)隔(ge)離(li)。光(guang)耦(ou)隔(ge)離(li)原(yuan)理(li)圖(tu)如(ru)圖(tu)2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦，輸出引腳OUT1和OUT2經過上拉電阻處理後，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機處理。
3 係統軟件設計

3．1 數據采集程序
   
容柵傳感器時序圖如圖3所示。其中包含3個CK信號說明和1個DATA信號說明。CK(a)表示要發送的完整數據間的時序關係
；CK(b)表示一個完整數據內部各個數據組的時序關係；CK(c)和DATA表示一個數據組內的時序關係和對采樣點的說明。由圖可知數據每隔250 ms發送一次，在時鍾CK的上升沿數據有效。數據由LSB到MSB依次發送，總共24位二進製數據
，分成6組，每組數據間隔820μs。其中前5組為數據位，第6組為控製位組(包含符號位和公英製位)，控製位組的第0位的“0”表示正數
，“1”表示負數，第3位“0”表示公製單位mm，最小單位0．01 mm，“1”表示英製單位inch，最小單位0．000 5 inch

，x表示無效。為了能夠實時采集數據
，采用中斷方式檢測CK信號

，邊沿觸發。檢測CK信號的高電平持續超過820μs時
，當出現下降沿時觸發中斷
，進入中斷程序
，再持續檢測低電平直到出現上升沿
，讀取DATA信號電平並存儲，總共采集24位。返回主函數根據符號位和公英製位進行相應處理。相關程序代碼如下： 3．2 USB程序
   
因為C8051F321的USB模塊高度集成化
，所以對USB接口的設計主要是USB固件程序的設計。其中最重要的是USB描述符和USB傳輸中斷的處理。當USB中斷到達時
，C8051F321首先讀取3個中斷寄存器(CMINT
、IN1INT和OUT1INT)來判斷中斷來源(USB複位中斷、端點0中斷、端點1輸入中斷、端點2輸出中斷)
，然後跳入相應的處理模塊進行處理。USB中斷程序流程如圖4所示。 [page]
端點0主要用於主機對USB設備的配置、狀態信息的獲取和設備錯誤的糾正等

，它的中斷處理模塊由控製輸出和控製輸入2部分組成。每次傳輸由設置事務開始
，然後根據設置事務數據包中的USB標準命令請求判斷該次傳輸是控製輸入還是控製輸出。USB複位中斷將相關USB變量、寄存器和各端點的狀態恢複為初始狀態。端點1輸入中斷和端點2輸(shu)出(chu)中(zhong)斷(duan)均(jun)為(wei)批(pi)量(liang)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)斷(duan)

，其(qi)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)在(zai)收(shou)到(dao)中(zhong)斷(duan)時(shi)，在(zai)各(ge)自(zi)預(yu)定(ding)義(yi)好(hao)的(de)緩(huan)衝(chong)區(qu)中(zhong)寫(xie)入(ru)要(yao)傳(chuan)輸(shu)給(gei)主(zhu)機(ji)的(de)數(shu)據(ju)或(huo)讀(du)取(qu)傳(chuan)輸(shu)過(guo)來(lai)的(de)數(shu)據(ju)。

3．3 主程序
   
係統程序主要包括主程序、時鍾初始化子程序、端口初始化子程序


、USB控製器配置初始化子程序、延時子程序、采集數據中斷子程序、USB中斷子程序和附加功能子程序。由於采集數據實時性要求比較高，所以將采集數據中斷設為高優先級。
   
附加功能子程序包括正常計數、數據保持
、最大值跟蹤

、最小值跟蹤和清零的功能。對附加功能的實現均是通過控製CK和DATA信號線完成，附加功能轉換流程如圖5所示。給CK信號線一個負脈衝，即可完成清零操作；在正常計數狀態下將DATA信號線置為高電平
，容柵傳感器將進入保數功能

；如果再將CK信號線置為低電平
，容柵傳感器進入最大值跟蹤功能；內部專用芯片將用新測得的數據與上一個數據進行比較

，如果新測得數據大，則替換掉
，否則丟棄。可以在上位機上通過USBceshiruanjianfasongxiangguanminglinglaikongzhixitongjinxingcaozuo。chengxuzhongshedingyigezijiedebianlianglaicunfangcongshangweijijieshoudaodemingling，dangpanduanshiqizhongdeyigeminglingshijiutiaoyongxiangyingdechulichengxuwanchengcaozuo。 3．4 軟件抗幹擾
   
環境的幹擾使單片機程序很容易“跑飛”，為了控製程序正常運行，除了硬件上使用光耦隔離技術之外
，軟件上可采用設置“軟件陷阱”debanfalaijiangpaofeidechengxularuzhengchangguidao，jizaichengxudaimakongjianshiyongtiaozhuanzhilingjiangpaofeidechengxuladaochengxuzhixingdekaishiweizhi，juticaozuofangfashizaisuoyouweibeishiyongdedaimakongjianchuxieru“LJMP 0000H”指令。另外
，可利用單片機自帶的“看門狗”功能看住程序，一旦程序跑飛，看門狗將強製單片機複位。也就是說
，在程序代碼中每隔一定時間就設置一個“喂狗指令”
，清除看門狗計時器值，不讓其達到最大值而發出複位信號。

結語
   
使shi用yong主zhu機ji上shang的de軟ruan件jian測ce試shi出chu該gai係xi統tong軟ruan硬ying件jian能neng夠gou穩wen定ding可ke靠kao地di運yun行xing
，點dian擊ji測ce試shi軟ruan件jian的de相xiang關guan功gong能neng按an鈕niu
，容rong柵zha傳chuan感gan器qi能neng夠gou完wan成cheng相xiang應ying的de功gong能neng操cao作zuo。與yu傳chuan統tong的deRS232／RS485通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)相(xiang)比(bi)較(jiao)，該(gai)方(fang)案(an)解(jie)決(jue)了(le)不(bu)帶(dai)串(chuan)行(xing)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)的(de)上(shang)位(wei)機(ji)的(de)通(tong)信(xin)閑(xian)難(nan)，抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)更(geng)強(qiang)
，為(wei)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)更(geng)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)源(yuan)
，適(shi)用(yong)於(yu)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)的(de)高(gao)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)。