基于PSoC的定频调幅式电涡流传感器的设计

曹现刚，史春蕾

(西安科技大学机械工程学院，陕西西安 710054)



基于PSoC的定频调幅式电涡流传感器的设计

曹现刚，史春蕾

(西安科技大学机械工程学院，陕西西安 710054)

针对煤矿提升系统闸间隙监测保护中存在的问题，结合电涡流测量原理、可编程片上系统(PSoC)和定频调幅式电路的特点，设计了一种基于PSoC的调幅式电涡流传感器。给出了系统设计方案，在PSoC芯片上实现了信号发生、幅值放大、整流、AD转换以及CAN通讯等功能，详细阐述了其软硬件逻辑设计。

电涡流传感器；调幅式；可编程片上系统(PSoC)；间隙监测

0 引言

随着盘式制动闸在煤矿提升机制动系统中的大规模应用，闸瓦与制动盘之间间隙监测成为保障其安全运行的关键[1]。电涡流传感器作为一种非接触测量工具，凭借其可靠性好、分辨率高、响应速度快、抗干扰能力强及不受油污等介质影响的优点，在煤矿提升机闸间隙监测方面展现了巨大的应用优势。

结合定频调幅式测量原理及其稳定性高的特点[2-3]，文中设计了一种基于可配置嵌入式单片机PSoC的定频调幅式电涡流传感器。该设计的最大优势在于充分利用PSoC芯片内部的可编程互联阵列有效地配置芯片上的模拟和数字模块资源[4]，具有设计灵活、开发时间短、稳定性高等特点，减小了外围电路，提高了抗干扰能力和集成度。

1 基本测量原理及方案设计

1.1 电涡流测量原理

图1为电涡流形成的基本原理图，激励线圈通以高频电流i1时，其周围产生一交变磁场H1，当被测导体进入交变磁场靠近线圈时，导体表面发生肌肤效应并产生电涡流i2。根据互感原理，该电涡流会对原磁场产生干扰，导致测量线圈的等效阻抗Z发生变化。其中，线圈阻抗Z是关于金属导体电阻率ρ、磁导率μ、纵向距离x、横向位置y、线圈尺寸γ、激励电流强度I、角频率ω的函数。

Z=F(ρ、μ、x、y、γ、I、ω)

当其它参数固定，只变化x时，测量线圈的等效阻抗只与线圈到被测物之间的距离有关，经过线性化处理后，等效阻抗Z的变化就能很好的反映出测量距离x的变化，达到电涡流传感器测量位移的目的。

图1 电涡流测量原理

1.2 方案设计

盘式制动闸主要由制动闸座、制动闸盘和制动闸瓦组成，工作时，油压推动制动闸瓦加紧制动闸盘，达到提升机制动的目的。实际应用中，提升机闸盘被盘形制动阀反复制动，表面容易产生凸起和裂纹，造成不安全事故发生，《煤矿安全规程》第431条规定：盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙不得大于2 mm[1]。为此，设计的基于PSoC的定频调幅式电涡流传感器结构如图2虚线所示，由感应线圈、振荡电路、转换电路、PSoC数字化设计模块和CAN总线收发电路组成。利用PSoC提供的丰富的内部集成数字模拟模块，包括脉冲宽度调制PWM模块、CAN模块、运算放大器Opamp模块、ADC_DelSig模块、比较器Comp模块、混频器Mixer模块、可编程增益放大器PGA模块，实现电涡流传感器的功能设计与开发。外加存储器EEPROM为后面进行电涡流传感器线性化、软件滤波算法等内容的实现提供存储空间。并将涡流传感器采集的信息以工业现场常用的CAN通讯形式上传给主控制器，进行数据分析与监测。

图2 电涡流传感器结构框图

2 电涡流传感器硬件设计

2.1 定频调幅式测量原理

本文设计的电涡流位移传感器采用定频调幅式电路测量原理，其特点是输出可被调理为直流电压，可通过反函数法对传感器进行线性化补偿，扩大传感器的测量范围。定频调幅式测量原理如图3所示。

图3 定频调幅式测量原理

振荡器作为激励源，给传感器线圈L与并联电容C组成的并联回路提供一个频率稳定的高频激励信号，当回路的固有频率f0与振荡器高频信号频率f1相等时，输出的电压u最大。实际测量时，被检测金属导体相对于传感器线圈移动，传感器的等效阻抗发生变化，使测量回路失调，输出电压随之变化[5]。

2.2 基于PSoC的电涡流传感器测量电路设计

采用图形化开发工具PSoC Creator作为开发平台，该平台可以根据构造的硬件电路自动生成高质量的可供调用的API函数，使开发者将精力更多地放在应用程序编程上，成熟而又丰富的用户模块，提高了开发效率、灵活性以及可靠性。

利用PSoC实现电涡流传感器原理图如图4所示。PSoC片内时钟频率设置为24 MHz，采用PWM模块产生1MHz频率的高频方波信号；结合外部的巴特沃斯低通滤波器将方波信号转换为正弦信号，激励由感应线圈L和电容C组成的并联谐振回路；当闸瓦与制动盘之间的间隙位移变化时引起LC回路输出电压发生变化，由于谐振电路输出的电压信号是毫伏级的微弱电压信号，采用PSoC内部集成的具有宽带宽、高输入阻抗的PGA模块对电压幅值进行放大；通过使用混频器Mixer、比较器Comp以及放大器Opamp模块构建的精密整流电路结合外部的滤波电路将交流信号转换为平滑的直流电压；采用高精度的ADC模块进行模数转换；最终，通过CAN模块实现与CAN通讯收发器之间的读写，通过使用传输速度快、准确性高的CAN总线方式将位移量直接以数字信号的形式发送，提高了传感器输出的抗干扰性。

图4 基于PSoC的电涡流传感器测量电路原理图

2.3 关键模块参数配制

基于PSoC内部模块可配置化的特点[6]，可以在不同时刻，动态改变存储在片内闪速存储器中设定的参数，动态地完成芯片上资源的重新分配，重新定义系统所需要功能模块的种类和数量，实现新的外围元器件的功能，完成电涡流传感器测量电路参数的调整和电路升级。设计的基于PSoC的电涡流位移传感器关键模块(PWM模块、Mixer模块、ADC模块和CAN模块)参数配置如表1所示。

表1 关键模块参数

3 电涡流传感器软件逻辑设计

利用PSoC Creator为每个应用模块提供的API函数进行电涡流传感器软件程序的设计，提高了编程效率，整体程序流程如图5(a)所示。系统上电或者复位以后，初始化各个模块API阶段主要是对设计的模拟电路进行配置以及设置相关运行参数，开启定时器中断。为了保障提升系统闸间隙监测的安全性，保证监测数据的实时传输，每隔1 s进行1次通讯畅通的检测，并以指示灯的形式在控制器中反映。如果CAN通讯畅通，按照设置的采样率进行AD采集，每次采集1 000个数，直至采集完成进入中断，加载EEPROM进行线性化处理和软件滤波，使实际输出位移量保持在允许误差范围，并将CAN通讯标志Re_Flag置1。如果CAN通讯标志Re_Flag等于1，如图5(b)CAN通讯流程所示，按照约定的CAN通讯协议进行CAN报文的发送和接受，实现电涡流传感器与控制器之间的实时通信，监测煤矿提升系统闸间隙。

(a)整体程序流程图

(b)CAN通讯流程图图5 系统软件流程图

4 结论

本文设计了一种以PSoC芯片为核心、CAN为通讯方式，用于煤矿提升机闸瓦间隙监测的定频调幅式电涡流传感器，给出了该电涡流传感器结构框图，并在PSoC上实现了软硬件设计，详细描述了具体设计过程及参数配置，未来将进一步探索智能算法在电涡流传感器线性化处理中的应用，进而提高设计的电涡流传感器测量精度及智能化程度。

[1] 吴岩,孟宪清.新型煤矿盘形闸检测仪的研制.工矿自动化,2012(1):79-81.

[2] 李中秀,吴峻,李璐.基于FPGA的调频式电涡流位移传感器.仪表技术与传感器,2007(7):7-9.

[3] 钟建朋,李黎川.一种开关驱动的电涡流式位移传感器的原理与实验研究.仪器仪表学报,2010(11):2453-2460.

[4] 何宾.Cortex-M3可编程片上系统原理及应用.北京：化学工业出版社，2012：8-10.

[5] 邵爱霞,赵辉,刘伟文.定频调幅式电涡流传感器电路及其在防水数显卡尺中的应用.计算机测量与控制,2005(5):508-510.

[6] 王芸,曹现刚.基于PSoC3的电涡流传感器设计.仪表技术与传感器,2014(8):14-15.

Fixed-frequency Modulation of Eddy Current Displacement Sensor Based on PSoC

CAO Xian-gang ,SHI Chun-lei

(College of Mechanical Engineering of Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Aiming at some existing problems in brake clearance monitoring and protection in coal mine hoisting system,combined with the eddy current measuring principle,characteristics of Programmable System on Chip (PSoC) and fixed-frequency modulation circuit,a kind of amplitude modulated eddy current sensor based on PSoC was designed.The design of the system was given,and functions were fulfilled on one single PSoC,including signal generator,amplitude amplification,rectification,AD conversion and CAN communication,and the logic design of hardware and software was described in detail.

eddy current sensor;amplitude modulated;PSoC;brake clearance

2015-05-29

TM936.1

A

1002-1841(2015)09-0014-03

曹现刚(1970— )，教授，博士，主要研究方向为智能计量技术与仪器，设备状态监测与故障诊断技术等。 E-mail：172833610@qq.com. 史春蕾(1989—)，硕士研究生，主要研究领域为机械电子工程。E-mail：402557328@qq.com