基于FPGA的平面螺旋電感式微位移傳感器系統(tǒng)

馬文卓，陳向東，丁　星（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610031）

基于FPGA的平面螺旋電感式微位移傳感器系統(tǒng)

馬文卓，陳向東，丁星
（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610031）

基于平面螺旋電感和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種以頻率為輸出的電感式微位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了電感式傳感器的數(shù)字化輸出與檢測(cè)。系統(tǒng)主要由位移/電感轉(zhuǎn)換模塊、電感檢測(cè)電路、差頻模塊、FPGA四部分組成，并在FPGA系統(tǒng)中搭建NIOSⅡ軟核，對(duì)采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)證明：系統(tǒng)具有靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，其測(cè)量范圍為0～15 mm，在0～6 mm范圍內(nèi)，最大誤差為0.03 mm，分辨率達(dá)到10 μm。

平面螺旋電感；微位移傳感器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；3P5609AL1

0　引言

傳統(tǒng)的位移傳感器主要包括：電阻應(yīng)變片式、光柵式、電容式、電感式等［1］。電阻應(yīng)變片式位移傳感器測(cè)量范圍為0.1～100 μm，僅適用于微小范圍的精確測(cè)量；光柵式位移傳感器測(cè)試范圍大，分辨率高，但設(shè)備復(fù)雜不易攜帶，且光學(xué)信號(hào)不易存儲(chǔ)和處理；電容式位移傳感器成本低，功耗低，但其抗干擾能力差，易受環(huán)境影響。

電感位移傳感器可應(yīng)用于一些惡劣環(huán)境中，如灰塵、污垢和潮濕環(huán)境等，實(shí)現(xiàn)低成本、高分辨率感測(cè)。電感式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠壽命長(zhǎng)、靈敏度和分辨率高、線性度和重復(fù)性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域的高精度定位中。目前，傳統(tǒng)的電渦流位移傳感器檢測(cè)電路主要是交流電橋和LC諧振電路兩種，前者為模擬輸出，其數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且穩(wěn)定性差，后者為數(shù)字輸出，但其穩(wěn)定性還不夠理想［2］。因此，需要一種簡(jiǎn)單的、數(shù)字化輸出的電感式微位移傳感器系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。首先，該類(lèi)傳感器結(jié)構(gòu)具有大感頻牽引率，使系統(tǒng)具有高靈敏度；其次，與直接使用反相器搭建皮爾斯振蕩電路相比，本系統(tǒng)采用3P5609AL1數(shù)字化芯片，可得到更優(yōu)良的振蕩波形和更高的振蕩頻率。差頻模塊則進(jìn)一步消除溫漂，提高穩(wěn)定性。最后，搭建NIOS軟核，能有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1　傳感器工作原理

1.1平面螺旋電感式位移傳感器

如圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)化的傳感器模型。交流電流流過(guò)線圈會(huì)產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)會(huì)在金屬表面引起循環(huán)電流（即渦流），其大小是與兩者之間的距離、金屬尺寸和成分有關(guān)的函數(shù)。同時(shí)，渦流又會(huì)感應(yīng)出與螺旋電感磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，這個(gè)逆向磁場(chǎng)會(huì)影響平面螺旋電感的大小［3］。這種機(jī)理好比于變壓器，兩者間的電感耦合取決于兩者的距離和形狀。通過(guò)對(duì)探頭所在振蕩電路頻率的測(cè)量便可得到平面螺旋電感大小的變化，從而間接反映出位移的大?。?］。

圖1　平面螺旋電感式位移傳感器模型Fig 1　Planar spiral inductive displacement sensor model

本系統(tǒng)傳感器采用平面螺旋電感式探頭（如圖1所示PCB板圖），探頭與被測(cè)金屬物一面平行，根據(jù)上述原理，在理想條件下探頭所在振蕩電路的振蕩頻率只受兩者間的間距影響。

1.2電感檢測(cè)電路

Pierce振蕩電路主要由石英晶振、反相器與負(fù)載電容C1和C2組成，如圖2（a）。通常情況下，該電路中反相器工作在線性放大狀態(tài)，電阻器R1作為直流偏置電阻器為反相器提供偏置電壓，負(fù)載電容器C1和C2的電容大小相同［5］。根據(jù)振蕩頻率公式，本系統(tǒng)用振蕩頻率來(lái)反映電感的大小。

圖2　電感檢測(cè)電路Fig 2　Inductance detection circuit

基于Pierce振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)和功能，本系統(tǒng)使用的是 SOT23—6封裝的 3P5609AL1芯片。該芯片是由3PEAK思瑞浦公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗、高頻率晶體振蕩控制器。如圖2（b）所示，相比于基礎(chǔ)Pierce晶體振蕩電路，它內(nèi)含的振蕩電路限制了振蕩電流大小，降低了整體功耗，其內(nèi)置的高頻電容有效地消除了外部電容對(duì)電路振蕩的影響，同時(shí)其內(nèi)置的反相器反饋電阻增強(qiáng)了電路穩(wěn)定性。3P5609AL1的最高使用頻率達(dá)到40 MHz，電源電壓2.7～5.5 V，其工作溫度范圍：-40～85℃。通過(guò)測(cè)試，由該芯片構(gòu)成的振蕩電路在低電源電壓時(shí)輸出頻率更穩(wěn)定，所以，本系統(tǒng)選擇使用AMS1117-3.3 V芯片構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路為3P5609AL1芯片提供工作電壓。

2　傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的平面螺旋電感式傳感器是一個(gè)完整的系統(tǒng)（如圖3）。其工作流程是：傳感器探頭的電感值因與被測(cè)物間距離變化而變化，通過(guò)電感檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為頻率輸出到差頻模塊，另一個(gè)探頭作為參考組也輸出到差頻模塊。差頻模塊將兩個(gè)頻率值做硬件差頻后輸入FPGA系統(tǒng)，通過(guò)頻率采集模塊后進(jìn)入NIOS軟核進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與LCD顯示。溫度信息通過(guò)溫度采集模塊后做相似處理。

圖3　系統(tǒng)框圖Fig 3　System block diagram

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分（如圖4）主要由傳感器探頭（L1，L2）、電感檢測(cè)電路（U1，U2）、差頻模塊（D1）、電源轉(zhuǎn)換電路（P1）、DS18B20溫度傳感器模塊（T1）和兩個(gè)排針接口組成。

圖4　硬件原理圖Fig 4　Hardware principle diagram

2.3差頻模塊設(shè)計(jì)

理想的晶體振蕩輸出信號(hào)因噪聲等干擾的影響，輸出信號(hào)呈現(xiàn)為不規(guī)則的方波。此時(shí)，如果將信號(hào)直接接入頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，影響系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，并且溫度對(duì)頻率的影響也不能被忽略。所以，系統(tǒng)選用D觸發(fā)器差頻方法來(lái)減小干擾和溫漂的影響［6］。

系統(tǒng)選用74HC74芯片構(gòu)成差頻電路，其內(nèi)部有兩個(gè)D觸發(fā)器。只有當(dāng)D觸發(fā)器的Vclk端和Vin端輸入信號(hào)頻率滿足時(shí)，D觸發(fā)器才能實(shí)現(xiàn)差頻功能。本系統(tǒng)中使用2個(gè)10 MHz晶振，很容易滿足上述頻率條件。在測(cè)試2個(gè)晶振的實(shí)際振蕩頻率后，將頻率較大者（L2）輸出接入fin端，較小者（L1）接入fclk端，差頻模塊輸出信號(hào)頻率為兩者的差值。隨著被測(cè)物體靠近傳感器探頭L2，渦流效應(yīng)增強(qiáng)，線圈電感增大，檢測(cè)電路振蕩頻率減小，差頻模塊輸出信號(hào)頻率減小。因參考組探頭與測(cè)試探頭在同一環(huán)境下，由外界溫度濕度等條件造成的頻率變化作為共模信號(hào)被抵消，由位移引起的頻率變化作為差模信號(hào)被保留。

2.4溫度模塊

DS18B20是Dallas半導(dǎo)體公司出品的單總線數(shù)字溫度傳感器。相比于模擬溫度系統(tǒng)，它具有更高的測(cè)量精度和抗干擾能力。其內(nèi)部主要由溫度敏感元件、ROM、高/低溫觸發(fā)器、配置寄存器組成。它的工作流程為：初始化指令操作-ROM指令操作-存儲(chǔ)器指令操作-數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)主要通過(guò)溫度采集模塊對(duì)DS18B20進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集［7］。

2.5軟件設(shè)計(jì)

2.5.1FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FPGA系統(tǒng)主要包括頻率采集模塊、溫度采集模塊、NIOS軟核、鎖相環(huán)PLL等。其中搭建NIOS系統(tǒng)主要用作數(shù)據(jù)處理和LCD顯示。

2.5.2頻率采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用等精度測(cè)頻法，將預(yù)置閘門(mén)信號(hào)設(shè)定為1 s，在50 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，待測(cè)頻率為，其中，fr為已知時(shí)鐘信號(hào)50 MHz，Nx，Nr為兩計(jì)數(shù)器在預(yù)置信號(hào)范圍內(nèi)分別對(duì)待測(cè)信號(hào)和已知時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)［8］。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳入NIOS系統(tǒng)，以便進(jìn)行快速的除法運(yùn)算。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)以銅板為測(cè)試對(duì)象，并將銅板固定在位移臺(tái)上進(jìn)行位移測(cè)試。位移臺(tái)為賽凡光電7STM01225型位移臺(tái)，其分辨率為10 μm。在0～15 mm范圍下，實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)試?？紤]到靈敏度的變化，本文設(shè)計(jì)采集點(diǎn)分布如下：在0～1 mm范圍內(nèi)，每間隔0.05 mm采集一組數(shù)據(jù)；在1～3 mm范圍內(nèi)，每間隔0.1 mm采集一組數(shù)據(jù)；在3～6 mm范圍內(nèi)，每間隔0.2 mm采集一組數(shù)據(jù)；在6～15 mm范圍內(nèi)，每間隔0.5 mm采集一組數(shù)據(jù)，因此，每次測(cè)試總共74組數(shù)據(jù)。將5次測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值作為系統(tǒng)參考值并作圖，如圖5所示為位移—頻率圖。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：系統(tǒng)的有效作用范圍為0～15 mm，而在0～6 mm范圍內(nèi)傳感器的位移測(cè)試靈敏度較高，對(duì)0～6 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段函數(shù)擬合，再將擬合函數(shù)輸入系統(tǒng)，使系統(tǒng)能得出與頻率相對(duì)應(yīng)的位移值（如圖5所示）。然后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位移測(cè)試，以實(shí)際位移與測(cè)試位移的誤差作圖，如圖6所示。由圖中數(shù)據(jù)分析可得，兩者之間的最大誤差約為0.03 mm。系統(tǒng)通過(guò)溫度穩(wěn)定性測(cè)試，當(dāng)沒(méi)有被測(cè)金屬板時(shí)，在10～50℃范圍內(nèi)，輸出頻率的最大漂移為3 Hz，可見(jiàn)溫度穩(wěn)定性良好。

圖5　位移—頻率圖Fig 5　Displacement-frequency plot

圖6　誤差曲線Fig 6　Error curve

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成了平面螺旋電感式微位移傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電感式傳感器的數(shù)字化輸出，解決了以交流電橋和LC諧振為測(cè)量電路的電感式位移傳感器的一些缺陷問(wèn)題。系統(tǒng)具有0～15mm的測(cè)量范圍，在0～6mm范圍內(nèi)擁有10 μm的分辨率。本系統(tǒng)可應(yīng)用于各種測(cè)頻型電感傳感器的測(cè)量中。

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Planar spiral inductive micro-displacement sensor system based on FPGA

MA Wen-zhuo，CHEN Xiang-dong，DING Xing
（School of Information Science&Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Design an inductive micro-displacement sensor whose output is frequency signal，based on planar spiral inductor and FPGA technology，and it realizes digitalized output and measurements.The system consists of displacement-inductance converter module，inductive detection circuit，frequency-subtracting module and FPGA system.In addition，it builds up soft core of NIOSⅡin FPGA system to process the acquired data.Experimental results show that this system has characteristics of good temperature stability and high sensitivity whose measuring range is 0～15mm，the maximum error is 0.03 mm and resolution is 10 μm in the range of 0～6 mm.

planar spiral inductor；micro-displacement sensor；FPGA；3P5609AL1

TP212.9

A

1000—9787（2016）06—0066—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0066—03

2015—09—01

馬文卓（1991-），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c智能信息獲取。