- USB接口的多功能容柵傳感器測量系統
- 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系統的抗干擾能力
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。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。由于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，并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系統具有實際應用價值。
1 容柵傳感器測量原理
容柵傳感器的工作原理是根據平板電容理論而來。一般容柵傳感器的結構包括動柵板和定柵板。動柵板包含發射極和接收極，定柵板包含反射極。反射極分別和發射極、接收極形成平板電容器。通過在發射極上施加n相激勵信號，反射極將此信號反射到接收極，隨著動柵板的移動，接收極的感應信號的幅度變化不大，而相位變化與位移量成一定函數關系：
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(本系統為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)
本系統N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對于最大測量速度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 系統硬件設計
2．1 C8051F321芯片介紹
C8051F321片內集成了數據采集和控制系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、控制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專用緩沖寄存器。
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)、時鐘線(CK)、串行數據線(DATA)，并且通過控制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。
由于容柵傳感器內部的專用控制芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而后續數據采集系統工作電壓為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 硬件抗干擾電路設計
由于系統經常工作在工業現場等領域，各種電磁干擾很常見，為了使系統能穩定工作，采用光耦隔離技術將傳感器和單片機隔離。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經過上拉電阻處理后，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機處理。
3 系統軟件設計
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系；CK(b)表示一個完整數據內部各個數據組的時序關系；CK(c)和DATA表示一個數據組內的時序關系和對采樣點的說明。由圖可知數據每隔250 ms發送一次，在時鐘CK的上升沿數據有效。數據由LSB到MSB依次發送，總共24位二進制數據，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，“1”表示負數，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信號電平并存儲，總共采集24位。返回主函數根據符號位和公英制位進行相應處理。相關程序代碼如下：
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復位中斷、端點0中斷、端點1輸入中斷、端點2輸出中斷)，然后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。
端點0主要用于主機對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制輸出和控制輸入2部分組成。每次傳輸由設置事務開始，然后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制輸入還是控制輸出。USB復位中斷將相關USB變量、寄存器和各端點的狀態恢復為初始狀態。端點1輸入中斷和端點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，在各自預定義好的緩沖區中寫入要傳輸給主機的數據或讀取傳輸過來的數據。
3．3 主程序
系統程序主要包括主程序、時鐘初始化子程序、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。由于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制CK和DATA信號線完成，附加功能轉換流程如圖5所示。給CK信號線一個負脈沖，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USB測試軟件發送相關命令來控制系統進行操作。程序中設定一個字節的變量來存放從上位機接收到的命令，當判斷是其中的一個命令時就調用相應的處理程序完成操作。
環境的干擾使單片機程序很容易“跑飛”，為了控制程序正常運行，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”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指令將跑飛的程序拉到程序執行的開始位置，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，可利用單片機自帶的“看門狗”功能看住程序，一旦程序跑飛，看門狗將強制單片機復位。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復位信號。
結語
使用主機上的軟件測試出該系統軟硬件能夠穩定可靠地運行，點擊測試軟件的相關功能按鈕，容柵傳感器能夠完成相應的功能操作。與傳統的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的通信閑難，抗干擾能力更強，為系統提供更穩定的電源，適用于惡劣環境下的工業現場的高精度測量。
