中心議題：

• USB接口的多功能容柵傳感器測量系統(tǒng)

解決方案：

• 將傳感器信號電平轉(zhuǎn)換為CMOS電平
• 采用光耦隔離技術(shù)等增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力

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(diǎn)。隨著測量技術(shù)向精密化、高速化、多功能化發(fā)展，具有多種優(yōu)良特性的容柵傳感器應(yīng)用得越來越廣泛。由于容柵傳感器數(shù)據(jù)的傳輸多采用RS232／RS485總線方式，而USB總線方式方便、高效，并有取代串口通信方式的趨勢，因此設(shè)計(jì)一款帶USB接口的容柵傳感器測量系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 容柵傳感器測量原理
   
容柵傳感器的工作原理是根據(jù)平板電容理論而來。一般容柵傳感器的結(jié)構(gòu)包括動(dòng)?xùn)虐搴投虐?。?dòng)?xùn)虐灏l(fā)射極和接收極，定柵板包含反射極。反射極分別和發(fā)射極、接收極形成平板電容器。通過在發(fā)射極上施加n相激勵(lì)信號，反射極將此信號反射到接收極，隨著動(dòng)?xùn)虐宓囊苿?dòng)，接收極的感應(yīng)信號的幅度變化不大，而相位變化與位移量成一定函數(shù)關(guān)系：
    θ(x)=arctan[(1-2x／w)／(1+√2)]     (1)
    其中，x為位移量，w為小發(fā)射極寬度。當(dāng)位移發(fā)生一個(gè)w寬度變化時(shí)，接收極產(chǎn)生360°／n的相差。設(shè)激勵(lì)信號的周期為T，則有：
    T=N·β                              (2)
    式中：β為最小計(jì)時(shí)單位，N為常數(shù)。而每周期代表位移量為L(本系統(tǒng)為0．508 mm)，在每周期中β代表一個(gè)小相位，則一個(gè)周期被分解為N個(gè)小相位，每個(gè)小相位代表位移量即最小分辨率：
    △l=L／N                            (3)
    本系統(tǒng)N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對于最大測量速度Vmax，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)最多能分辨N個(gè)相位，所以有：
    Vmax=L／T                           (4)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 C8051F321芯片介紹
   
C8051F321片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)，采用交叉開關(guān)實(shí)現(xiàn)I／O端口的靈活配置，自帶USB2．0收發(fā)器、控制處理器和內(nèi)部上拉電阻，可在全速(12MHz)或低速(1.5MHz)下運(yùn)行，支持8個(gè)靈活通用的USB端點(diǎn)，內(nèi)置1K的USB專用緩沖寄存器。

2．2 傳感器信號處理模塊設(shè)計(jì)
   
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(shí)鐘線(CK)、串行數(shù)據(jù)線(DATA)，并且通過控制CK、DATA信號線的電平可以實(shí)現(xiàn)容柵傳感器的不同功能比，如最大值跟蹤、最小值跟蹤、數(shù)據(jù)保持和清零等。
   
由于容柵傳感器內(nèi)部的專用控制芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作電壓為5 V，要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換則必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換原理圖如圖1所示。電路中采用LM393芯片轉(zhuǎn)換電壓，LM393芯片實(shí)質(zhì)上為2個(gè)比較器，比較電壓為容柵傳感器工作電壓的一半左右，設(shè)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(zhuǎn)換為0V或者5V。


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2．3 硬件抗干擾電路設(shè)計(jì)
   
由于系統(tǒng)經(jīng)常工作在工業(yè)現(xiàn)場等領(lǐng)域，各種電磁干擾很常見，為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，采用光耦隔離技術(shù)將傳感器和單片機(jī)隔離。光耦隔離原理圖如圖2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦，輸出引腳OUT1和OUT2經(jīng)過上拉電阻處理后，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機(jī)處理。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 數(shù)據(jù)采集程序
   
容柵傳感器時(shí)序圖如圖3所示。其中包含3個(gè)CK信號說明和1個(gè)DATA信號說明。CK(a)表示要發(fā)送的完整數(shù)據(jù)間的時(shí)序關(guān)系；CK(b)表示一個(gè)完整數(shù)據(jù)內(nèi)部各個(gè)數(shù)據(jù)組的時(shí)序關(guān)系；CK(c)和DATA表示一個(gè)數(shù)據(jù)組內(nèi)的時(shí)序關(guān)系和對采樣點(diǎn)的說明。由圖可知數(shù)據(jù)每隔250 ms發(fā)送一次，在時(shí)鐘CK的上升沿?cái)?shù)據(jù)有效。數(shù)據(jù)由LSB到MSB依次發(fā)送，總共24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分成6組，每組數(shù)據(jù)間隔820μs。其中前5組為數(shù)據(jù)位，第6組為控制位組(包含符號位和公英制位)，控制位組的第0位的“0”表示正數(shù)，“1”表示負(fù)數(shù)，第3位“0”表示公制單位mm，最小單位0．01 mm，“1”表示英制單位inch，最小單位0．000 5 inch，x表示無效。為了能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，采用中斷方式檢測CK信號，邊沿觸發(fā)。檢測CK信號的高電平持續(xù)超過820μs時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)下降沿時(shí)觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷程序，再持續(xù)檢測低電平直到出現(xiàn)上升沿，讀取DATA信號電平并存儲，總共采集24位。返回主函數(shù)根據(jù)符號位和公英制位進(jìn)行相應(yīng)處理。相關(guān)程序代碼如下： 3．2 USB程序
   
因?yàn)镃8051F321的USB模塊高度集成化，所以對USB接口的設(shè)計(jì)主要是USB固件程序的設(shè)計(jì)。其中最重要的是USB描述符和USB傳輸中斷的處理。當(dāng)USB中斷到達(dá)時(shí)，C8051F321首先讀取3個(gè)中斷寄存器(CMINT、IN1INT和OUT1INT)來判斷中斷來源(USB復(fù)位中斷、端點(diǎn)0中斷、端點(diǎn)1輸入中斷、端點(diǎn)2輸出中斷)，然后跳入相應(yīng)的處理模塊進(jìn)行處理。USB中斷程序流程如圖4所示。 [page]
端點(diǎn)0主要用于主機(jī)對USB設(shè)備的配置、狀態(tài)信息的獲取和設(shè)備錯(cuò)誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入2部分組成。每次傳輸由設(shè)置事務(wù)開始，然后根據(jù)設(shè)置事務(wù)數(shù)據(jù)包中的USB標(biāo)準(zhǔn)命令請求判斷該次傳輸是控制輸入還是控制輸出。USB復(fù)位中斷將相關(guān)USB變量、寄存器和各端點(diǎn)的狀態(tài)恢復(fù)為初始狀態(tài)。端點(diǎn)1輸入中斷和端點(diǎn)2輸出中斷均為批量傳輸中斷，其主要作用是在收到中斷時(shí)，在各自預(yù)定義好的緩沖區(qū)中寫入要傳輸給主機(jī)的數(shù)據(jù)或讀取傳輸過來的數(shù)據(jù)。

3．3 主程序
   
系統(tǒng)程序主要包括主程序、時(shí)鐘初始化子程序、端口初始化子程序、USB控制器配置初始化子程序、延時(shí)子程序、采集數(shù)據(jù)中斷子程序、USB中斷子程序和附加功能子程序。由于采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求比較高，所以將采集數(shù)據(jù)中斷設(shè)為高優(yōu)先級。
   
附加功能子程序包括正常計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)均是通過控制CK和DATA信號線完成，附加功能轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。給CK信號線一個(gè)負(fù)脈沖，即可完成清零操作；在正常計(jì)數(shù)狀態(tài)下將DATA信號線置為高電平，容柵傳感器將進(jìn)入保數(shù)功能；如果再將CK信號線置為低電平，容柵傳感器進(jìn)入最大值跟蹤功能；內(nèi)部專用芯片將用新測得的數(shù)據(jù)與上一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果新測得數(shù)據(jù)大，則替換掉，否則丟棄。可以在上位機(jī)上通過USB測試軟件發(fā)送相關(guān)命令來控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。程序中設(shè)定一個(gè)字節(jié)的變量來存放從上位機(jī)接收到的命令，當(dāng)判斷是其中的一個(gè)命令時(shí)就調(diào)用相應(yīng)的處理程序完成操作。 3．4 軟件抗干擾
   
環(huán)境的干擾使單片機(jī)程序很容易“跑飛”，為了控制程序正常運(yùn)行，除了硬件上使用光耦隔離技術(shù)之外，軟件上可采用設(shè)置“軟件陷阱”的辦法來將跑飛的程序拉入正常軌道，即在程序代碼空間使用跳轉(zhuǎn)指令將跑飛的程序拉到程序執(zhí)行的開始位置，具體操作方法是在所有未被使用的代碼空間處寫入“LJMP 0000H”指令。另外，可利用單片機(jī)自帶的“看門狗”功能看住程序，一旦程序跑飛，看門狗將強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位。也就是說，在程序代碼中每隔一定時(shí)間就設(shè)置一個(gè)“喂狗指令”，清除看門狗計(jì)時(shí)器值，不讓其達(dá)到最大值而發(fā)出復(fù)位信號。

結(jié)語
   
使用主機(jī)上的軟件測試出該系統(tǒng)軟硬件能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，點(diǎn)擊測試軟件的相關(guān)功能按鈕，容柵傳感器能夠完成相應(yīng)的功能操作。與傳統(tǒng)的RS232／RS485通信方式相比較，該方案解決了不帶串行通信方式的上位機(jī)的通信閑難，抗干擾能力更強(qiáng)，為系統(tǒng)提供更穩(wěn)定的電源，適用于惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場的高精度測量。