0、引言

磁致伸縮傳感器經(jīng)常應(yīng)用于惡劣工業(yè)環(huán)境，能夠?qū)κ偷纫何贿M(jìn)行精確測量。由于其不受油漬和塵埃等環(huán)境的影響，浮子與敏感材料非接觸，從而大大延長了工作壽命；傳感器輸出絕對位置，斷電后無需重新標(biāo)定。磁致伸縮傳感器的測量精度主要由前端信號處理和時間測量這兩個電路決定。傳統(tǒng)的時間測量方式難以達(dá)到納秒級的精度，因而無法保證測量結(jié)果的精度。本文著重介紹了新型芯片TDC-GP2在磁致伸縮傳感器中的應(yīng)用，有效解決了脈沖時差測量精度不高的問題。

1、傳感器原理

稀土合金材料在外力磁場交互作用下會發(fā)生“磁致伸縮”現(xiàn)象。當(dāng)浮子的磁場與激勵脈沖的磁場交疊時會產(chǎn)生應(yīng)變脈沖，脈沖以一定的速度在波導(dǎo)絲上傳播，經(jīng)信號處理電路后可得到起始脈沖和停止脈沖，兩者之間的時間差即為激勵脈沖在波導(dǎo)絲上的傳播時間。

磁致伸縮位移傳感器前端波形

傳感器位移計算公式為：

S=v×tn（1）

式中：S為浮子相對位移；v為感應(yīng)脈沖在波導(dǎo)絲上的傳播速度；tn為激勵脈沖和第n個浮子產(chǎn)生的激勵脈沖時間差。而對于特定環(huán)境下的測量，感應(yīng)脈沖傳播速度恒定，此時只要能精確測出兩脈沖之間的時間差，就可以精確地計算出浮子的位置。

目前，國外磁致伸縮傳感器的分辨率已經(jīng)達(dá)到小于1μm的水平，因而可以推算出其時間間隔測量必須精確到納秒級。若采用傳統(tǒng)的計時方式，測量晶振頻率就要達(dá)到GHz的范圍。目前，市場上的振蕩器很少能達(dá)到如此高的頻率，且穩(wěn)定性也不理想。對此，本文利用高精度測時芯片TDC-GP2有效解決了這一難題。

2TDC-GP2時間測量

2.1TDC-GP2時間測量原理

TDC-GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代產(chǎn)品，其時間分辨率可達(dá)50ps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前磁致伸縮傳感器對時間測量精度的要求。TDC-GP2可進(jìn)行三次采樣，平均電流消耗為15μA，測量范圍為500ns~4ms，滿足一般場合下傳感器測量范圍的要求。芯片內(nèi)部提供了精確的停止脈沖使能窗口，并具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測量和時鐘控制等功能，這使得它在低成本、低功耗的精確時間測量方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

TDC-GP2是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(jìn)行高精度時間間隔測量的。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方法使芯片能夠精確地記錄信號通過門電路的個數(shù)。芯片測量時間的精度由內(nèi)部門電路的傳播延遲時間決定。

TDC-GP2芯片采用前置適配器來擴(kuò)展時間測量范圍，并且能夠保持分辨率不變。TDC-GP2的高速單元并不測量整個時間間隔，而是僅僅測量起始脈沖和停止脈沖到相鄰的基準(zhǔn)時鐘上升沿的時間間隔。TDC-GP2時間間隔測量原理如圖2所示。

磁致伸縮傳感器時間間隔測量原理

圖2中：HIT和HIT?為TDC-GP2在相應(yīng)區(qū)域間內(nèi)測得的通過的門電路個數(shù)，并記錄在內(nèi)部寄存器中；CC為基準(zhǔn)時鐘在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)測量而得到的時間。在測量過程中，必須對TDC-GP2進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，即記錄在一個和兩個基準(zhǔn)時鐘周期內(nèi)通過的門電路個數(shù)，用Cal?和Cal?來表示。

TDC-GP2內(nèi)部ALU時間間隔計算公式如式（2）和式（3）所示。

Time=RES_X×T×2s（3）式中：T為基準(zhǔn)時鐘周期；ClKHSDiv為內(nèi)部時鐘預(yù)劃分?jǐn)?shù)。測量結(jié)果存儲在內(nèi)部32位寄存器中。

2.2、TDC-GP2的硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用ATmega128作為磁致伸縮傳感器的MCU，其價格低廉，具有豐富的內(nèi)部資源，使用方便。單片機通過SPI接口與TDC-GP2通信。TDC-GP2核心電壓為1.8～3.6V，必須由電池或固定的線性電壓調(diào)節(jié)器供電。穩(wěn)定的供電電源是獲得良好測量結(jié)果的基本保證，并且要求電源具有高電容性和低電感性，從而保證測量結(jié)果的可靠性。本設(shè)計采用3.3V的線性電源供電。在硬件設(shè)計中，印刷電路板（PCB）布線要注意對電源進(jìn)行濾波和去耦。本文使用10μF和0.1μF的電容對進(jìn)入數(shù)字部分的電源進(jìn)行濾波，并使用0.1μF的電容對芯片和電源進(jìn)行去耦，去耦電容要盡可能放在靠近TDC-GP2的地方3]。TDC-GP2硬件連接電路如圖3所示。

磁致伸縮傳感器TDC-GP22硬件連接電路

圖3中，4MHz晶振作為TDC-GP2的基準(zhǔn)時鐘和芯片的粗計數(shù)器；32.768kHz晶振作為TDC-GP2的校準(zhǔn)時鐘。測量前必須對基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。TDC-GP2從校準(zhǔn)時鐘引出Start和Stop脈沖，啟動TDC-GP2單元測量時差，結(jié)果存儲在結(jié)果寄存器中，并對中斷標(biāo)志位置位。微處理器可以計算出基準(zhǔn)時鐘的頻率誤差。

測量過程中，RSTN為TDC-GP2復(fù)位引腳，測量前要確保其有一個不小于50ns的低電平，否則會導(dǎo)致測量不正常。Start端接收到脈沖之后開始計時，Stop，端接收到指定脈沖次數(shù)后停止計時，并使能中斷，通知MCU讀取數(shù)據(jù)。

2.3、TDC-GP2時間測量軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用ATmegal28對磁致伸縮傳感器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，其中對TDC-CP2芯片的設(shè)置和結(jié)果的讀取為整個軟件的關(guān)鍵部分。TDC-GP2測量結(jié)果有八位有效數(shù)字，為保證測量結(jié)果精度，需使用雙浮點型來表示。本設(shè)計中采用支持雙浮點運算的編譯器IAR-AVR來編寫程序。TDC-GP2時間測量流程如圖4所示。

TDC—GP2 時間測量流程圖

軟件設(shè)計首先要對單片機端口和SPI工作方式初始化，主要包括初始化PD?、PD。端口作為輸出和中斷輸入，SPI為Model1工作方式，在每次讀寫序列之間SSN至少保持50ns高電平。每次對TDC-GP2初始化之前要對TDC-GP2進(jìn)行復(fù)位，且先進(jìn)行硬件復(fù)位，再進(jìn)行軟件復(fù)位，硬件復(fù)位持續(xù)時間必須大于50ns。然后根據(jù)測量模式對TDC-GP2內(nèi)部寫寄存器Reg0~Reg5進(jìn)行初始化，此時，要注意關(guān)閉移向單元和噪聲單元，否則會導(dǎo)致測量失??；同時也不能對芯片進(jìn)行連續(xù)讀寫操作，每個寄存器必須進(jìn)行單獨尋址。讀操作前要先發(fā)送操作碼，在發(fā)送操作碼之后的第一個時鐘上升沿，TDC-CP2發(fā)送指定地址的最高位到SO輸出。本文采用高精度和高穩(wěn)定性的32.768kHz時鐘對基準(zhǔn)時鐘和內(nèi)部TDC進(jìn)行校準(zhǔn)。在寫寄存器中設(shè)置TDC內(nèi)部自動校準(zhǔn)，并設(shè)定標(biāo)定基準(zhǔn)時鐘的周期數(shù)n。啟動校準(zhǔn)后，TDC內(nèi)部ALU自動計算32.768kHz時鐘的n個周期與實際基準(zhǔn)時鐘單個周期的比值，結(jié)果存儲在結(jié)果寄存器中。計算公式如式（4）所示：

RES_x=（n×T?2768k）/T（4）

單片機通過SPT總線讀取TDC校準(zhǔn)值后，通過式（5）計算修正因子CAL。

式中：Tz?為校準(zhǔn)時鐘的周期值；Tne為基準(zhǔn)時鐘的理論周期值。TDC-GP2測量的時間要乘以校準(zhǔn)因子CAL來修正。部分關(guān)鍵程序代碼如下。

//TDC-CP2復(fù)位

voidTDC-Reset（void）

SET_RSTN_H；

CLR_RSTN_L；

asm（"nop"）；

SET_RSTN_H；

Write_SPI_8byte（0x50）；

//TDC-CP2寄存器初始化

voidTDC_Config（void）

Write4ByteToTDC（Reg0.0x008668）；//自動校準(zhǔn)Write4ByteToTDC（Reg?，0x314300）；//采樣點數(shù)Write4ByteToTDC（Reg2.OxE00000）；//開中斷Write4ByteToTDC（Reg3.0x180000）；//4ms溢出Write4ByteToTDC（Reg4.0x200000）

Write4ByteToTDC（Reg5.0x080000）

//關(guān)閉噪聲單元和移相單元

WritelByteToTDC（0x03）；//手動校準(zhǔn)

WritelByteToTDC（0x70）；//準(zhǔn)備測量

3、濾波算法與調(diào)試結(jié)果

3.1、數(shù)字濾波算法

為了防止環(huán)境干擾對TDC-GP2測量結(jié)果精度的影響，采用數(shù)字濾波來提高傳感器的穩(wěn)定性。經(jīng)仿真比較6]，本設(shè)計選用了防脈沖干擾平均濾波法，其穩(wěn)定性更高。

3.2、調(diào)試結(jié)果

大量測試結(jié)果表明，TDC-GP2在磁致伸縮傳感器中測量所得到的數(shù)據(jù)能夠滿足要求。在量程為1m的傳感器中，在量程范圍內(nèi)的兩端點位置及中間點位置作定點測量，實測時間數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，磁致伸縮傳感器在定點測量的時間值的最大偏差不超過10ns，標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過3ns。

4結(jié)束語

TDC-GP2具有高精度、低功耗和封裝小等特點，適合于低成本的磁致伸縮傳感器領(lǐng)域；具有三次采樣能力，可同時測量三層液位，極大地方便了工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本設(shè)計解決了磁致伸縮傳感器中時間測量模塊精度不高的問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國外磁致伸縮傳感器最高分辨率對時間測量模塊的要求，做到了精度無損測量，為傳感器位移精度的提高打下了良好的基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展前景。

審核編輯 黃宇