摘  要： 介紹了MLX90316的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性,設(shè)計(jì)了以L(fǎng)PC2136為CPU,、MLX90316為位置反饋、具備1路光電隔離RS485通信輸出的位移傳感器,，給出了位移計(jì)算策略和計(jì)算方法,，詳細(xì)分析了接口電路原理圖和接口時(shí)序。
關(guān)鍵詞： MLX90316,； 磁敏技術(shù),； 位移傳感器

   對(duì)物體位移進(jìn)行非接觸測(cè)量是目前位移測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,這是由于非接觸測(cè)量方法具有高速、不接觸被測(cè)物體等優(yōu)點(diǎn),。傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器,，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出[1],。為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系,。非接觸式位移傳感器種類(lèi)繁多,如時(shí)柵位移傳感器[2],、線(xiàn)位移差分傳感器[3]、容柵位移傳感器[4],、電感式位移傳感器[5]等,這些傳感器的精度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、成本高,對(duì)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度還附加了限制,如必須運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)突變和相對(duì)低速等,。
　本文從工程應(yīng)用的角度,，設(shè)計(jì)了一種基于磁敏技術(shù)的位移傳感器，該傳感器在精度,、抗震,、耐用度等方面有了成功的改善。
1 磁敏傳感器工作原理
　在基于磁敏技術(shù)的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集,。
　MLX90316是一種線(xiàn)性霍爾芯片,，在霍爾效應(yīng)傳感器上增加集成磁場(chǎng)集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點(diǎn)感應(yīng)到磁通量的所有3個(gè)分量,，因此,，可以得到360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過(guò)多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線(xiàn)性絕對(duì)位置信號(hào),，并且成本低廉,，安裝簡(jiǎn)便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應(yīng)垂直于IC表面的磁通量,。
　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器,。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14 bit微分型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP),，再經(jīng)過(guò)16 bit DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出,。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率，10 bit角度精度,，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響,。MLX90316具有3種輸出：由12 bit D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100 Hz~1 000 Hz的PWM輸出,；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI),。
   在本設(shè)計(jì)中，選擇SPI接口輸出,。
2 硬件接口電路設(shè)計(jì)
　基于磁敏技術(shù)的位移傳感器主要由3個(gè)部分組成,，前端角度信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理單元,、數(shù)據(jù)通訊單元,，具體的功能框圖如圖1所示,。

   磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度,。
　微處理器單元通過(guò)SPI接口與MXL90316進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，用于完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的角度,，所以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型,，結(jié)合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線(xiàn)的位移,。傳感器的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II上運(yùn)行,，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性,。LPC2136是Phlips公司生產(chǎn)的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速Flash存儲(chǔ)器,。采用3級(jí)流水線(xiàn)技術(shù)，取指,、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行,，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度,。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗,，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制,。
　數(shù)據(jù)通信單元設(shè)計(jì)了1路RS485通信接口,，負(fù)責(zé)接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)的命令、向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果,。
2.1 SPI接口電路設(shè)計(jì)
　MLX90316具備1路SPI接口,用于角度信號(hào)的數(shù)據(jù)，由于串行通信的輸出信號(hào)直接來(lái)自于內(nèi)部DSP輸出,，SPI輸出模式更穩(wěn)定,，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力,，在本設(shè)計(jì)中,，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖2所示,。在圖2中,，MLX90316的SPI 3根線(xiàn)與LPC2136的SPI0口連接。SPI(Serial Protocol Interface)總線(xiàn)接口是一種同步串行外設(shè)接口,。這是一個(gè)4根信號(hào)線(xiàn)的串行接口協(xié)議,，包括主、從兩種模式,。這4根信號(hào)線(xiàn)分別是：時(shí)鐘線(xiàn)(SCK),、數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)(MISO),、數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)(MOSI)和從設(shè)備使能線(xiàn)(/SS)。

　SPI接口中,，LPC2136作為主控端,，MLX90316作為從屬端。SPI通信模塊主要讓LPC2136讀取MLX90316的磁敏角度,，SPI的通信過(guò)程為：主控端先輸出一個(gè)0xAA以及一個(gè)0xFF作為通信起始信號(hào),，接著輸出8個(gè)0xFF，而從端會(huì)同時(shí)輸出2個(gè)0xFF,、4 B的角度信號(hào)以及4個(gè)0xFF,，從而完成一次數(shù)據(jù)通信。具體的通信時(shí)序如圖3所示,。

2.2 RS485通信接口電路設(shè)計(jì)
　RS485總線(xiàn)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信,，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出,，經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)[8],。由于傳輸線(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn),又是差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力,總線(xiàn)收發(fā)器靈敏度很高,。
　在基于磁敏技術(shù)的位移傳感器中設(shè)計(jì)了一路RS485信號(hào)輸出,，RS485接口芯片采用MAX3485,用于與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行位移數(shù)據(jù)交換。如圖4所示,，為了確保數(shù)據(jù)通信的可靠性,，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

3 位移計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)
    MLX90316采集旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)據(jù),，ARM根據(jù)獲取的角度數(shù)據(jù),，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算為直線(xiàn)位移數(shù)據(jù)。ARM通過(guò)RS485通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信,，將接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令,，并將采集到的位移信號(hào)反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。
    位移計(jì)算公式為：
   
其中,，R為引起MLX90316角度變換的線(xiàn)性位移距離角度變換的中心半徑,φ為直線(xiàn)位移所導(dǎo)致的MLX90316的旋轉(zhuǎn)的角度,，L為直線(xiàn)位移。
4 工程應(yīng)用與結(jié)論
　(1)磁鐵選擇
　水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用,磁鐵的大小和材料并不重要,。在機(jī)械,、磁場(chǎng)和熱容限之內(nèi),水平磁通量必須在20-70 mT(例如,45  mT±25 mT)范圍以?xún)?nèi)。
　(2)氣隙距離
　在氣隙問(wèn)題上,如果距離IC表面的實(shí)際氣隙大于7.5  mm,，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤(pán)形磁鐵,。磁鐵可以放在軸的末端,，使用環(huán)形磁鐵時(shí)可以繞在軸上。也可以使用特殊的磁鐵設(shè)計(jì),，獲得旋轉(zhuǎn)位置傳感器正常的傳輸特性,。
    在“基于FPGA技術(shù)的堤壩位移智能檢測(cè)系統(tǒng)”中，本傳感器用于堤壩根石位移采集,。利用RSS485總線(xiàn)將35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò),，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該傳感器克服傳統(tǒng)拉線(xiàn)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(diǎn),，提高了測(cè)量精度,。
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