中心議題：

• 拉線式位移傳感器的總體設計分析
• 拉線式位移傳感器係統的硬件設計
• 拉線式位移傳感器係統的軟件設計

解決方案：

• 磁敏角度感應器選用MLX90316
• 采用Triaxis霍爾技術的傳感器

引言
　　
傳(chuan)統(tong)的(de)拉(la)線(xian)式(shi)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)用(yong)電(dian)位(wei)器(qi)式(shi)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，它(ta)通(tong)過(guo)電(dian)位(wei)器(qi)元(yuan)件(jian)將(jiang)機(ji)械(xie)位(wei)移(yi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)與(yu)之(zhi)成(cheng)線(xian)性(xing)或(huo)任(ren)意(yi)函(han)數(shu)關(guan)係(xi)的(de)電(dian)阻(zu)或(huo)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)。普(pu)通(tong)直(zhi)線(xian)電(dian)位(wei)器(qi)和(he)圓(yuan)形(xing)電(dian)位(wei)器(qi)都(dou)可(ke)分(fen)別(bie)用(yong)作(zuo)直(zhi)線(xian)位(wei)移(yi)和(he)角(jiao)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。但是，為實現測量位移目的而設計的電位器

，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關係。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓
，把電阻變化轉換為電壓輸出。傳統的拉線式位移傳感器由於其電刷移動時電阻以匝電阻為階梯變化

，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服係統中用作位移反饋元件的時，則過大的階躍電壓會引起係統振蕩。因此在電位器的製作中應盡量減小每匝的電阻值。同時，電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損
、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導致測量精度的下降。它的優點是：結構簡單，輸出信號大，使用方便
，價格低廉。

基ji於yu磁ci敏min角jiao度du技ji術shu的de拉la線xian式shi位wei移yi傳chuan感gan器qi以yi磁ci場chang為wei傳chuan輸shu載zai體ti
，將jiang位wei移yi變bian換huan轉zhuan換huan為wei磁ci場chang角jiao度du位wei移yi
，同tong時shi，通tong過guo通tong信xin接jie口kou將jiang位wei移yi信xin號hao返fan回hui給gei應ying用yong係xi統tong。

1 總體設計
　　
基於磁敏角度技術的拉線式位移傳感器的功能是將拉線的機械位移換成可以計量、記錄或傳送的電信號，主要由自動回複彈簧、輪轂、磁鐵以及數據處理單元等部分構成，結構如圖1所示。

由圖1可以看出，該基於磁敏角度技術的拉線式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統的拉線式位移傳感器接觸式、易磨損
、高gao頻pin特te性xing差cha等deng缺que點dian
，基ji於yu磁ci敏min角jiao度du技ji術shu的de拉la線xian式shi位wei移yi傳chuan感gan器qi以yi磁ci場chang為wei媒mei介jie
，將jiang機ji械xie位wei移yi變bian化hua轉zhuan化hua為wei磁ci場chang角jiao度du變bian化hua
，一yi方fang麵mian解jie決jue傳chuan統tong拉la線xian位wei移yi傳chuan感gan器qi的de接jie觸chu方fang式shi，另ling一yi方fang麵mian減jian少shao了le磨mo損sun、提ti高gao了le係xi統tong高gao頻pin特te性xing
，從cong而er確que保bao位wei移yi檢jian測ce精jing度du。數shu據ju處chu理li運yun算suan器qi
，用yong於yu對dui接jie收shou到dao的de磁ci敏min角jiao度du信xin號hao通tong過guo數shu學xue模mo型xing運yun算suan為wei拉la線xian的de位wei移yi信xin號hao。通tong信xin接jie口kou
，通tong過guo通tong信xin接jie口kou與yu應ying用yong係xi統tong的de設she備bei進jin行xing通tong信xin，接jie收shou來lai自zi應ying用yong係xi統tong設she備bei的de命ming令ling並bing將jiang采cai集ji到dao的de位wei移yi信xin號hao反fan饋kui給gei應ying用yong係xi統tong。從cong而er提ti高gao了le數shu據ju采cai集ji精jing度du、穩定性和可靠性
，降低了位移傳感器的應用門檻。

各個部件功能描述如下：

(1)拉(la)線(xian)的(de)鋼(gang)繩(sheng)纏(chan)繞(rao)在(zai)輪(lun)轂(gu)上(shang)，輪(lun)轂(gu)與(yu)一(yi)個(ge)磁(ci)鐵(tie)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)，當(dang)拉(la)線(xian)產(chan)生(sheng)位(wei)移(yi)的(de)時(shi)候(hou)

，帶(dai)動(dong)輪(lun)轂(gu)的(de)轉(zhuan)動(dong)，輪(lun)轂(gu)的(de)轉(zhuan)動(dong)造(zao)成(cheng)與(yu)輪(lun)轂(gu)的(de)軸(zhou)連(lian)接(jie)的(de)磁(ci)鐵(tie)轉(zhuan)動(dong)，從(cong)而(er)磁(ci)鐵(tie)的(de)磁(ci)場(chang)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)變(bian)化(hua)的(de)角(jiao)度(du)。拉(la)線(xian)運(yun)動(dong)發(fa)生(sheng)的(de)時(shi)候(hou)

，自(zi)動(dong)回(hui)複(fu)彈(dan)簧(huang)確(que)保(bao)拉(la)線(xian)具(ju)備(bei)一(yi)定(ding)的(de)張(zhang)力(li)，確(que)保(bao)拉(la)線(xian)的(de)位(wei)移(yi)與(yu)磁(ci)敏(min)角(jiao)度(du)的(de)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)。

(2)磁ci敏min角jiao度du感gan應ying器qi與yu磁ci鐵tie安an裝zhuang在zai同tong一yi中zhong心xin軸zhou，用yong來lai感gan應ying磁ci鐵tie角jiao度du的de變bian化hua，選xuan用yong一yi種zhong微wei處chu理li器qi，該gai處chu理li器qi讀du取qu磁ci敏min角jiao度du信xin息xi，並bing通tong過guo建jian立li數shu學xue模mo型xing，將jiang磁ci敏min角jiao度du運yun算suan為wei拉la線xian的de位wei移yi。

(3)通訊接口，微處理器通過通信接口接收來自應用係統的命令並將位移信息通過通信接口返回給應用係統。

2 硬件接口電路設計

數據處理單元由磁敏角度感應器
、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。
 

通過分析圖2
，磁敏角度感應器選用MLX90316，它將拉線位移所導致的磁鐵磁場轉動的角度轉換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARMyongyuduijieshoudaodeciminjiaodushujujinxingchuli，wanchengciminjiaodushujudejieshou，youyujieshoudaodeshicichangzhuanhuandejiaodu
，suoyitongguojianlishuxuemoxing
，jiehelungudezhijingdengyinsu，jiangciminjiaoduhuansuanweilaxiandeweiyi。yinci，weilenenggoukuaisudishixianshujudejieshouhemoxingdejianli

，cichuxuanyongLPC2136作為數據處理單元。輸入
、輸shu出chu控kong製zhi模mo塊kuai負fu責ze各ge種zhong對dui外wai接jie口kou的de處chu理li

，如ru通tong過guo通tong信xin接jie口kou接jie收shou來lai自zi應ying用yong係xi統tong的de命ming令ling，向xiang應ying用yong係xi統tong返fan回hui采cai集ji的de位wei移yi結jie果guo
，以yi便bian能neng夠gou將jiang微wei處chu理li器qi單dan元yuan能neng夠gou執zhi行xing應ying用yong係xi統tong的de命ming令ling並bing將jiang采cai集ji結jie果guo通tong過guo接jie口kou安an全quan可ke靠kao地di發fa送song到dao應ying用yong設she備bei，主zhu要yao包bao含han1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。[page]

2．1 磁敏角度接收接口　
　
MLX90316是一種線性霍爾芯片，采用了平麵霍爾傳感技術的單片集成傳感芯片
，該芯片可以用來測量與芯片表麵共麵的磁通密度
，可以得到從0～360°的旋轉位置值，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，並且成本低廉、安裝簡便。

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經過放大處理後，經過14位微分型A／D轉換器進入芯片微處理器(DSP)，再經過16位DSP處理之後的數字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，並且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉換為模擬量輸出
；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出
；數字模式下利用串行通信協議輸出(SPI)。

由於串行通信的輸出信號直接來自於MLX90316的內部DSP輸出
，SPI輸出模式更穩定，誤差更小
，並且具有更高的抗幹擾能力。在本設計中
，選用SPI接口
，具體的硬件接口連接電路如圖3所示。在圖3中，MLX90316的SPI三根線與ARM LPC2136的SPl0口連接。SPI(SerialProtocol InterIace)總線接口是一種同步串行外設接口。這是一個4根信號線的串行接口協議，包括主、從兩種模式。這4根信號線分別是：時鍾線(SCK)、數據輸入線(MISO)、數據輸出線(MOSI)和從設備使能線(SS)。

2．2 RS 485通信接口電路設計

RS 485總線以其結構簡單、通信速率高
、傳輸距離遠等諸多優點

，在工業控製係統中得到了廣泛應用。它采用平衡發送和差分接收方式實現通信，發送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A
、B兩路輸出，經過線纜傳輸之後在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由於傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模幹擾的能力，總線收發器靈敏度很高。

在基於磁敏角度技術的拉線式位移傳感器中我們設計了一路RS 485信號輸出，RS 485接口芯片采用MAX3485
，用於與應用係統進行位移數據數據交換。為了確保數據通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

2．3 可控電流輸出接口
　　
數據處理單元具備一路可控4～20 mA的電流輸出，用於現場指示儀表的驅動。具體的連接電路如圖4所示。其中PWM2連接ARM的PWM2引腳，PWM信號用於控製光耦的導通與截止，反相器主要用於波形的整定
，根據磁敏角度和位移關係
，建立數學模型

，計算出PWM的占空比

，從而達到電流大小調節的目的。

　　
3 軟件設計
　　
在LPC2136中嵌入了μC／OS-Ⅱ操作係統。

μC／OS-Ⅱ是一種基於優先級的搶占式多任務實時操作係統，包含了實時內核
、任務管理、時間管理
、任務間通信同步(信號量
，郵箱，消息隊列)和(he)內(nei)存(cun)管(guan)理(li)等(deng)功(gong)能(neng)。它(ta)可(ke)以(yi)使(shi)各(ge)個(ge)任(ren)務(wu)獨(du)立(li)工(gong)作(zuo)，互(hu)不(bu)幹(gan)涉(she)
，很(hen)容(rong)易(yi)實(shi)現(xian)準(zhun)時(shi)而(er)且(qie)無(wu)誤(wu)執(zhi)行(xing)，使(shi)實(shi)時(shi)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)的(de)設(she)計(ji)和(he)擴(kuo)展(zhan)變(bian)得(de)容(rong)易(yi)，使(shi)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)的(de)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)大(da)為(wei)減(jian)化(hua)。

軟件編程主要包含3個模塊：PWM控製電流輸出模塊、RS 485通信模塊、MLX90316的SPI通信模塊，編程流程如圖5所示。PWM控製電流輸出模塊主要通過改變PWM的占空比來調節電流的大小。RS 485通信模塊主要用來接收上層係統的指令並根據指令將數據回傳。MLX90316的SPI通信模塊主要用於磁敏角度的讀取
，SPI的通訊過程為：主控端先輸出1個0xAA以及1個0xFF作為通信起始信號
，然後接著輸出8個0xFF
，而從端會同時輸出2個0xFF、4個字節的角度信號以及4個0xFF
，從而完成一次數據通訊。

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4 結語

利用MLX90316構建位置傳感器需要使用磁鐵，在傳感位置安裝活動的機械部件(通常連接在軸的末端)。隻要水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用。磁鐵的大小和材料並不重要；在機械、磁場和熱容限之內
，水平磁通量必須在20～70 mT(例如
，(45±25)mT)範圍以內。

在氣隙問題上

，如果距離IC表麵的實際氣隙大於7．5 mm，環huan形xing磁ci鐵tie要yao優you於yu盤pan形xing磁ci鐵tie。磁ci鐵tie可ke以yi放fang在zai軸zhou的de末mo端duan，使shi用yong環huan形xing磁ci鐵tie時shi可ke以yi繞rao在zai軸zhou上shang。也ye可ke以yi使shi用yong特te，殊shu的de磁ci鐵tie設she計ji，獲huo得de旋xuan轉zhuan位wei置zhi傳chuan感gan器qi正zheng常chang的de傳chuan輸shu特te性xing。

在“基於FPGA技術的堤壩位移智能檢測係統”中，將基於磁敏角度技術的拉線式位移傳感器用於堤壩根石位移采集裝置。監測的堤壩一共為7條，每條大壩有5個關鍵監測點，因此，利用RS 485總線將這35個監測點組成星型網絡。從試驗結果可以看出
，該傳感器克服傳統拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點
，提高了測量精度。