基于ARM的直线式时栅位移传感器A/D转换电路设计

张天恒，黄 沛，王先全，武 亮，鲁 进

(重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054)



基于ARM的直线式时栅位移传感器A/D转换电路设计

张天恒，黄 沛，王先全，武 亮，鲁 进

(重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054)

利用时空转换思想，以时间基准测量空间位移量，设计了基于ARM的直线式时栅传感器A/D转换电路。采用STM32F407VGT6型ARM处理器与AD7298BCPZ型12位A/D转换芯片相结合，利用嵌入式Linux实时操作系统的移植，使得系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明：设计的A/D转换电路，最小分辨时间为2.44 ns．能够更好的实现传感器的高速、高分辨率采样，实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿，为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。

ARM；A/D转换；直线式时栅位移传感器；嵌入式操作系统；实时误差修正与补偿

0 引言

A/D转换电路是智能仪器的基本部件，直接关系到测量的准确度、分辨率和速度。在传统的数据采集系统中，A/D转换器有双积分和逐次逼近式，双积分式虽然精度高，但转换速度较慢；逐次逼近式是一种速度较快，转换时间在10～100 μs之间。数据的转存和模数转换(A/D)的控制都通过微控制器单元(MCU)来完成，这种方式一方面占用太多中央处理器(CPU)资源，另一方面远不能满足高速采样的速度要求，因此数据采集系统的性能指标在很大程度上取决于控制器与A/D芯片的选取[1]。

本次研究采用的研究方法为统计学方法，详细记录相关的检查数据，采用SPSS20.0作为计算软件，P＜0.05作为此次研究具有统计学意义的标准。

为了使直线式时栅传感器能够更好的实时修正，这就需要采样的数据越多越好。研发高精度直线式时栅传感器的关键技术在于精确实时的测量其目标点，保证时间测量的精度达到纳秒级。如何选用符合要求的控制器与A/D转换电路来设计数据采集系统达到高速高分辨率的实时数据采集至关重要。

1 直线式时栅传感器的原理

根据“直线型交流电动机”的原理，将交流电机的外壳沿直线展开，就可以进一步设计直线式时栅传感器。

如图1所示，通电后，行波磁场M起于c点而终于d点，沿着直线每经过时间T，前进一个节距W．当行波相继通过动尺a和定尺b就会产生具有正弦波特性的电信号，得到瞬时时刻值T0和Ti[2]。

图1 直线式时栅传感器原理图

其数学模型为：

2．2 A/D转换电路设计

(1)

式中：x为测量位移量；v为速度量；∑Pt是一系列的时钟脉冲表示时间差ΔT．

3．2 系统软件设计

利用对时钟脉冲的计量从而得出空间位移量，由于场式行波可以建立机械方式无法建立的无限长坐标系，使直线式时栅的测量范围取决于定尺的长度。

2 A/D转换电路设计

图2为AD7298BCPZ的外部电路图，选用AD7298BCPZ的3个通道连接ARM处理器STM32F407VGT6。A/D电路对电源的要求比较高，且功耗不大，所以不适合用开关电源，应该采用3.3 V低压差模拟电源(LDO)；由于传感器信号微弱，先将信号通过高精度OPA4277运算放大器进行放大，放大后进入A/D；电容C18～C23滤除电源中的杂波成份；C11～C12作为去耦电容使得放大的信号不会因电流的突变而受干扰；在PCB板设计时，对A/D的时钟线越短越好，对于高速的A/D转换和放大电路应尽可能的靠近放置，而且都要求与滤波器件临近放置，这样在A/D放大电路输出才具有最低的寄生负载效应，而A/D转换电路则对可能耦合至输入线路的噪声极为敏感。采用10 μH的电感L1将模拟地与数字地的良好的隔离。

两组患儿治疗后临床疗效比较 见表1。两组患儿治疗后临床疗效比较,治疗组痊愈率和总有效率均有明显提高,差异具有统计学意义。

(2)

3．1 统的硬件设计

2．1 AD7298BCPZ

AD7298BCPZ是一款12位、高速、低功耗、逐次逼近型ADC，内置温度传感器，带有串行外设接口(SPI)。它采用3．3V单电源供电，吞吐速率最高可达1MSPS．该器件内置一个低噪声、宽带宽采样保持放大器。

直线式时栅传感器的位移测量需要高分辨率高速数据采集系统来实现，将模拟信号转换为数字信号从而送入控制器中进行计算，因此对A/D采样速度和分辨率要求较高。综合考虑功耗、价格、体积、兼容性等因素，选用AD7298BCPZ作为系统模数转换芯片。

虚拟现实技术能与土木建筑工程的建筑设计、建筑规划、建筑成本计算、建筑测量等多个建设环节相结合，构建三维模型，将工程环境、工程结构等直观呈现出来，方便不同岗位工作人员完成各自的工作，提升工作效率。同时，该技术的引进，还将带给客户更加直观、生动的体验，提升客户的满意度，塑造良好的企业形象，让企业在行业竞争中获得优势。所以，相关人员需重视对虚拟现实技术的学习与应用。

城乡学生形态指标比较（表1）调查显示，城市男生身高、体重、胸围等3项指标高于农村男生，差异有统计学意义（P＜0.01），城市女生身高、坐高高于农村女生，差异有统计学意义（P＜0.01）。

以时钟脉冲来计量空间位移，控制器与A/D芯片是数据采集系统的核心器件，数据采集系统的能指标在很大程度上取决于控制器与A/D芯片的选取。因此高精度直线式时栅传感器硬件电路设计最大的难点在于如何构建最适合的A/D数据采样系统[3]。A/D芯片的选择是A/D转换电路设计的关键，首先A/D采样系统的分辨率[4]，选择12位流水线结构A/D转换器，其分辨率为212；其次直线式时栅传感器信号频率大小为fs；假设直线式时栅传感器信号频率fs为100 kHz，如果选择12位的A/D，分辨率最小时间为2.44 ns．

图2 A/D外部电路图

3 直线式时栅传感器的数据采集系统

因此，采样频率关系到ARM是否能实现实时完成高速数据读写操作关键。

数据采集系统中，从性价比考虑，控制器ARM采用32位低功耗、高性能的STM32F407VGT6处理器为硬件平台，以Linux操作系统为软件平台。其采样系统硬件结构图如图3所示。直线式时栅传感器在激励信号作用下，动尺与定尺产生感应信号，由动尺输出，经过滤波、放大、调理后，再由12位A/D转换器AD7298BCPZ芯片进行数据转换，将模拟信号转换成数字信号，同时高速采样数据经过FIFO存入ARM．根据不同的应用，在ARM中实现对采集的数据的实时存储、分析，根据采样的数据实时进行误差修正，以及由于温度变化引起的误差补偿，通过通讯接口将数据传送到PC，从而进行进一步的分析和处理。利用液晶屏显示界面及调试信息，通过键盘进行控制，更好的实现采样数据实时性与准确性。

图3 系统硬件结构图

“透明原则”美学思想的融入，极好地表达了苏珊·桑塔格的形式美学理念，为其后期美学思想的发展奠定了基础。

针对硬件系统的特点，软件平台在嵌入式Linux上实现。嵌入式Linux具有分层体系结构，使应用程序可以灵活地在其中“插入”所需的功能模块，真正实现“高内聚、低耦合”的软件设计思想[5]。提高了嵌入式Linux的安全性、稳定性以及便利性。在设计直线式时栅传感器数据采集的A/D转换软件流程时要特别注意：A/D转换器初始化启动后必须首先对转换结果寄存器执行清空指令。直线式时栅传感器A/D采样的软件流程图如图4所示。

系统的应用程序由多个功能模块构成，包括数据采集、数据处理、误差修正、温度补偿和数据通信等模块。数据采集模块通过对I/O接口的操作，实现对数据的采集[6]。合理的利用内核提供对端口使用状况的控制及查询功能，就可以防止I/O读写时发生冲突。数据处理模块完成数据的数字滤波、误差修正、温度补偿以及其它功能，并将数据导出存到相应文件中。最终将处理好的数据传送到上位机。为了解决数据采集系统面对多个数据源，对每个信号源都独占一根中断信号线时，中断信号线的数目无法满足要求，就应该使用数据源共享某根中断信号线的方式来实现中断。通过函数inb查看AD7298BCPZ相应的寄存器来判断中断是否发出，完成中断处理例程[7-9]。如果找到中断源，则读取相应的数据寄存器中的相关数据，放到驱动程序的缓存区中，等待进程通过调用read函数来调用驱动程序，并通过copy_to_user将数据拷贝到用户空间中。从而防止了由于中断导致驱动程序没有读取AD7298BCPZ中的数据。

图4 系统软件流程图

4 实验结果及分析

针对设计的基于ARM的A/D转换电路进行直线式时栅传感器的数据采集进行试验验证。实验装置如图5所示，实验中

Craig原本在金融业工作，2014年7月他辞职了。离开了原来的岗位后，他横跨半个地球，搬到了澳大利亚生活。他告诉我们，他对摄影的热情就是从那时培养起来的，并且从此一发不可收拾。起初，他主要从事风光摄影和旅行摄影的工作。而且他一直热衷拍摄各地的风光和多样的人文。如今，他的摄影爱好已经足以谋生，现在他在Bristol从事肖像摄影和商业摄影的工作。

图5 实验装置图

mm

采用直线光栅尺作为标准值，其精度0.5μm/m，直线时栅测得的值为测量值，对全长进行数据采样，在900mm内进行数据采样。选取第4个对极内数据如表1所示，从90～120mm间隔0.5mm采集一个点，从表1中得到原始误差-0.064～0.572mm．利用快速傅立叶变换提取出它们相应的幅值与相位，由于傅立叶级数中2，5，6次谐波的幅值大于10，同时1，12次谐波的幅值大于1，其余的谐波的幅值都小于1，所以主要存在1，2，5，6，12误差。在采样过程中实时对采样的数据进行误差的谐波修正与补偿，包括速度、加速度、温度变化等引起的误差进行补偿，利用付氏级数谐波修正与补偿到60次，然后进行随机采样得到如图6所示的误差曲线，误差范围为-1.6～2.7μm．实现了直线式时栅传感器非线性误差的自动补偿与实时修正，实验结果表明所设计的数据采样系统实现了直线式时栅位移传感器的高速高分辨率实时采样，极大的提高了直线式时栅传感器的精度。

图6 采样点实时修正拟合曲线

5 结束语

文中设计了一种基于ARM控制器的直线式时栅传感器的A/D转换电路，软件采用嵌入式操作系统Linux，此系统具有集成度高、更好的可靠性和实时性，能够对时栅信号进行实时高速数据采集，从而能更精确的对采样数据进行误差的修正与补偿，最小分辨时间为2.44 ns．为高精度直线式时栅位移传感器的产业化打下坚实的基础。

[1] 纪宗南．集成A/D转换器应用技术和实用线路.北京：中国电力出版社，2011，63-65．

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[5] 马晓荣，潘海．基于ARM的A型脉冲超声波探伤系统设计．计算机光盘软件与应用，2013，7(7)：241-243．

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[7] 石秀民，魏洪兴．嵌入式系统原理与应用-基于Xscale与Linux．北京：北京航空航天大学出版社，2011：134-137．

[8] 杨志杰，石骥硕，徐宁，等．基于ARM的数据采集系统设计铁路．计算机应用，2012(7)：30-32．

[9] 高忠华，陈锡侯，杨继森，等．直线时栅传感器全误差模型与误差修正方法研究．传感器与微系统，2012：(8)：87-93．

Design of A/D Conversion Circuit for Linear Typed TimeGrating Displacement Sensor Based on ARM

ZHANG Tian-heng，HUANG Pei,WANG Xian-quan，WU Liang，LU Jin

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment，Ministy of EducationChongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing TechnologyChongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Based on the theory of time-to-space converting,an A/D conversion circuit using ARM processor for the linear typed time grating sensor was designed to measure displacement by time space.For the high reliability and real-time,ARM processor STM32F40VGT6 and 12 bit A/D chip AD7298BCPZ were used,and embedded real-time operating system Linux was transplanted.Experimental results show that the resolution of the A/D conversion circuit is 2.44ns,and the high speed and resolution of sampling is better.It realizes the real-time of correction and compensation for error and provides technical support for high precision linear time-grating sensor.

ARM;A/D conversion;linear typed time grating sensor;embedded operating system;real-time error correction and compensation

国家自然科学基金(编号51275551)资助项目；重庆市自然科学基金(编号cst2012jjA40062)资助项目

2014-01-20 收修改稿日期：2014-11-06

TP212

A

1002-1841(2015)01-0001-03