基于单片机的数据采集系统的设计

年月日题目：基于单片机的数据采集系统的设计专业：机械设计制造及其自动化姓名：〔签名〕指导教师：〔签名〕摘要本文介绍了基于单片机的数据采集系统的工作原理和结构，针对制动器使用过程中摩擦材料需凭经验定期更换，无法准确判断其失效程度的现状，设计了对制动器制动时的磨损量可以进行测量的硬件和软件系统，该系统利用位移传感器进行检测，通过单片机进行数据处理和分析，实现了摩擦材料位移量(磨损量)在线检测及存贮，当位移超出范围时，发出报警信号[1]。单片机数据采集智能检测系统的研制成功，将解决长期以来依据经验更换摩擦材料的问题，为制动器更换摩擦材料提供了一个比拟科学的依据，有效地减少不必要的人力和材料的浪费，降低了平安隐患，提高了机器运行的可靠性，具有十分重要应用价值[2]。关键字：单片机；磨损；数据采集Subject:DesignofDataacquisitionsystembasedonsinglechipAbstractThisarticledescribeshasbasedonsingletabletsmachineofdataacquisitionsystemofworkprincipleandstructure,forbrakeusingprocessinthefrictionmaterialrequiredwithexperienceregularlyreplaced,cannotaccuratejudgmentitsfailuredegreeofstatus,designtheamountofwearandtearonbrakesbrakingcanmeasureofhardwareandsoftwaresystems,thesystemusingdisplacementsensorfordetection,bysingletabletsmachinefordataprocessingandanalysis,implementationhasfrictionmaterialdisplacementvolumewearvolumeonlinedetectionandthestorage,whenthedisplacementgoesoutofscope,issuedalarmsignal.IntelligentdetectionsystemofSCMdataacquisitionissuccessful,willsolvetheproblemoffrictionmaterialshaslongbeenbasedonexperiencetobereplaced,forthereplacementofbrakefrictionmaterialprovidingamorescientificbasis,effectivelyreducingtheunnecessarywasteofmanpowerandmaterials,reducessecurityrisks,improvethereliabilityofthemachinerunning,isofgreatvalue.Keywords:SCM;wear;dataacquisition目录TOC\o"1-3"\h\u135711绪论 1100531.1数据采集技术的分类 1216431.2数据采集 2127451.3信息提取 3223491.4本文的主要工作 4106782基于单片机的数据采集系统的工作原理6147362.1系统构架和工作原理 6176472.2根本要求 6167642.3数据采集系统的历史与开展 7167773检测系统硬件设计10110563.1单片机的选择 1040983.2位移传感器的选择 1478514基于单片机的数据采集的检测系统方案设计1651264.1位移的检测方法 1615104.2如何实现位移的测量 18226894.3位移线性化的分段依据 20196635检测系统软件设计22150605.1A/D转换的子程序 2287105.2参数在SPI_EEPROM中存放的地址设置 23260775.3通讯协议 24180535.3.1什么是通讯协议 2458125.3.2数据帧格式 24111705.3.3命令及返回格式 2521935.4各命令的编程 29230545.3位移传感器的数据线性化 33127196结论3732242致谢3820887参考文献391绪论数据采集技术主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为根底而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速开展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控位移、温度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的局部,数据采集的性能特点直接影响到整个系统[3]。1.1数据采集技术的分类工业上使用的数据采集系统大致可分为四类[4]:(1)基于通用微型计算机的数据采集系统这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和A/D转换后的数字信号通过接口电路送入微机进行处理，然后再显示处理的结果或者经过D/A转换输出。它主要有以下几个特点：系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统工作。具有自主开发能力。系统的软硬件的应用/配置比拟小，系统的本钱较高，但二次开发时，软硬件能较好的扩展。在工业环境中运行的可靠性差，对放置的环境要求较高。程序在RAM中运行时，易受外界干扰破坏。(2)基于单片机的数据采集系统它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，具有如下特点：系统不具备自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能的要求为原那么，因此系统的软硬件应用充分，配置比接近于1，具有最正确的性价比；系统的软件一般都具有应用程序。系统的可靠性好，使用方便、简单。应用程序在ROM中运行不会因外界的干扰而遭到破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。(3)基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统DSP数字信号微处理器从理论上就是一种单片机的形式，DSP数字信号微处理器与通用微处理器相比，除了它们的机构不同以外，其根本差异是：DSP数字信号微处理器有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流。常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，另一种是通用DSP芯片。基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、可靠性高、灵活性好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。．(4)基于混合型计算机采集系统这是-种近年来随着8位单片机出现而在计算机应用领域中迅速开展的一种系统结构形式。它是由通用计算机与单片机通过标准总线相连而成。单片机及其外围电路构成的局部是专为数据采集等功能的要求而配置的。主机那么承当数据采集系统的人机对话、大容量的计算、打印、记录、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点：通常具有自开发能力。系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。主机可远离现场而构成各种局域网络系统。充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。1.2数据采集数据的采集是以单片机为核心控制器件，结合外围电路所构成。根本组成如图1.1所示：输出通道单片机输入通道输出通道单片机输入通道图1.1数据采集系统组成采集系统器件主要包括传感器、A/D转换器、单片机、I/O接口电路等。由单片机作为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集将被测信号转换为能被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断；数据输出是将处理结果送给输出设备，进行显示、储存等操作。主机主机I/O模/数(A/D)采样/保持〔S/H〕传感器〔S〕模拟I/O模/数(A/D)采样/保持〔S/H〕传感器〔S〕信号图1.2单通道数据采集框图1.3信息提取信息的提取一般采用传感器件来完成。传输信息的载体是信号，为了便于对被测信息进行后续处理，通常是将被测信息转换成电信号，也就是把被测信号转换成电压、电流或其它电路参数等电信号输出。一般来讲信号的转换存储与传输需要中间转换装置来完成，通常是把信号转换成便于传输、功率足够大，并具有一定驱动功能的电流或电压。信号的显示和记录是用显示器、指示器和记录仪来完成。信号的处理和分析可以用数据分析仪、计算机数据分析系统来完成，找出被测信息的变化特征及变化规律，为研究和鉴定工作提供有效的依据，也可以为系统的控制提供反响信号。总的来讲，检测技术具有如下三种功能(1)过程中参数测量功能；(2)过程中参数监测控制功能；(3)测量数据分析判断功能；传感器是作为一种把输入的非电量(物理量、化学量、生物量等)信息转换成电量信号输出的器件或装置，其构成核心是把非电量信息转换为电信号的转换元件。这种转换功能，对物性型传感器可一次完成，实现“被测非电量一有用电量〞的直接转换；而结构型传感器必须通过前置敏感元件预转换后才能完成，即实现“被测非电量一有用非电量一用电量〞的间接转换。此时，传感器就由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。对于不同的检测量，要根据被检测量的特征及其在试验过程中的变化情况来选用符合实际情况的传感器。本课题测试系统选用的传感器是位移传感器。1.4本文的主要工作制动器的制动是靠摩擦片和摩擦盘之间的摩擦力矩产生，摩擦片在工作中很容易磨损，而其中的摩擦片磨损程度检测现在是靠人工来完成，通过后盖上的测量孔对制动器进行定期检查。由于这种制动器制动力矩大，往往装在重型设备上，这些设备的工作环境恶劣，使人工检测不容易进行或容易产生误差，无法真实反映出摩擦材料的磨损情况，更不能反映出由于摩擦热而引起的破坏程度或潜在的热疲劳程度。对以上制动器出现的问题，我们可以设计一套数据采集系统，可以实现由PDA现场设置，解决了制动器磨擦片磨损量实时测量问题，可以真实反映出摩擦材料的磨损情况。本文的具体设计包括硬件设计、软件设计和位移检测三大局部。(1)硬件局部硬件局部分为数据采集和数据处理两局部。整体硬件框图如图1.3所示。单片机上位机数字型号采集电路LED显示通信芯片单通道A/D传感器电路单片机上位机数字型号采集电路LED显示通信芯片单通道A/D传感器电路图1.3整体硬件框图数据采集局部可以对常见的模拟信号量，如温度、位移、流量、速度等进行采集。每一种信号量都能使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。(2)软件局部软件局部分为数据采集系统控制软件和数据处理程序设计两局部。数据采集系统控制软件使用KeiluVision4编写。在功能上，满足了数据采集系统的根本要求。界面简单，操作方便、容易。数据处理程序由A/D通道、数据采集处理、数据显示、数据通信四个局部组成。位移检测位移检测是由于位移的改变而影响采集系统的输出电压的改变，我们可以通过输出电压的改变而得到位移的改变情况，由于所给磁场的强度不恒定，所以输出电压与被测位移不成线性关系，所以位移检测的主要工作就是实现输出电压与被测位移的线性化。2基于单片机的数据采集系统的工作原理2.1系统构架和工作原理系统由上位机和下位机两局部组成。上位机为PDA机或电脑，完成发送控制命令，接收下位机的反响数据并显示出来的功能。下位机是C8051F单片机和位移传感器。它是系统的核心，完成了系统数据转换，数据存储，接受指令，数据发送的功能。下列图为数据采集控制系统的原理图，工作对象为位移的测量，通讯方式为串行接口。在下文中将重点介绍系统中位移数据采集，并通过串口实现数据通信局部功能的实现过程。如图2.1所示：电源单片机单片机电脑A\D转换器传感器图2.1原理图2.2根本要求〔1〕实时性强。系统的主要工作是对大量过程状态参数实现定时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。要求在硬件上必须要有实时时钟和优先级中断信息处理电路。〔2〕可靠性高。它是系统设计最重要的一个要求。应选用高可靠性的嵌入式系统。由于数据采集系统往往是安装在被控对象的实际工作环境中，所以不仅温度、湿度变化大，而且灰尘多，腐蚀性强，为了确保控制系统的高可靠性，要求嵌入式系统有防潮、防尘、抗震的能力。硬件采取冗余技术，隔离屏蔽技术等。在软件设计上要可靠，利用容错技术，自诊断技术等，设置平安保护措施。〔3〕通用性好，便于扩充。一台以嵌入式系统为核心的控制装置，一般可以控多个设备和不同的过程参数。这就要求系统的通用性要尽可能的好，能灵活地进行功能扩充。如采用通用的系统总线结构。〔4〕设计周期短、价格廉价。由于计算机技术日新月异，各种新技术新产品不断涌现。在满足精度、速度和其它性能的设计要求的前提下，应缩短设计周期和尽量用价格低的元器件[6]。2.3数据采集系统的历史与开展[数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统大多属于专用的系统。20世纪70年代中后期，随着微型机的开展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的开展。从70年代起，数据采集系统开展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的开展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器，通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标准ICE625(GPIB)接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：STD总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的本钱降低、体积减小、功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统〔DAS〕。目前有的DAS产品精度已高达16位，采集速度每秒到达几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向开展，典型系统有VXI总线系统,PCI、PXI总线系统等,数据位已到达32位总线宽度，采样频率可以到达100MSPps。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向开展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断开展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的开展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控[3]。3检测系统硬件设计系统总体方案设计根本原那么是：系统稳定可靠及时准确地显示出系统当状况具备较好的性价比根据以上原那么，总体方案如图3.1：参数及采集数据存电路单片机位移传感器参数及采集数据存电路单片机位移传感器报警电路报警电路调试及上位机电路电源调试及上位机电路电源图3.1检测系统的总体方案图3.1单片机的选择单片机是整个检测系统的核心部件，负责着对检测信号进行数据处理、显示、存储和报警功能，单片机的选用原那么是在满足测试系统要求的条件下，需要具有一定的灵活性和扩展功能。本系统选用8051系列单片机[3]。C8051F330/1系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768字节内部RAM、128字节特殊功能存放器〔SFR〕地址空间高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核〔可达25MIPS〕全速、非侵入式的在系统调试接口〔片内〕，真正10位200Ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器，10位电流输出DAC高精度可编程的25MHz内部振荡器，8KB可在系统编程的FLASH存储器，768字节片内RAM硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口，4个通用的16位定时器，具有3个捕捉/比拟模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列〔PCA〕，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，片内电压比拟器，17个端口I/O〔容许5V输入〕。主要特性[6]：高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，最高25MIPS执行速度；〔2〕全速非侵入式的系统调试接口〔片内，C2接口〕；真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器；〔4〕1个10位电流型输出DAC；高精度可编程的25MHz内部震荡器；〔6〕8K字节可在系统编程的FLASH存储器；〔7〕768〔512+256〕字节的片内RAM；硬件实现的SPI，SMBus/I2C和1个UART串行接口；〔9〕4个通用的16位定时器；具有3个捕捉/比拟模块的可编程计数器/定时器阵列；片内上电复位，看门狗定时器，1个电压比拟器，VDD监视器和温度传感器；〔12〕17个I/O端口；-40~85度工业级温度范围；〔14〕2.7V~3.6V工作电压，20脚DIP或MLP封装。单片机电路图如图3.2，负责对位移检测信号进行数据处理、显示、存储和报警功能。图3.2单片机电路图C8051F330的ADC0子系统集成了两个16通道模拟多路选择器〔合称AMUX0〕和一个200ksps的10位逐次逼近存放器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能存放器来配置〔见图3.3〕。ADC0可以工作在单端方式或差分方式，可以配置为用于测量P0-P1、位移传感器输出或VDD(相对于P0-P1或GND)。只有当ADC控制存放器〔ADC0CN〕中的AD0EN位被置‘1’时ADC0子系统才能被使用。当ADC0EN位为‘0’时，ADC0子系统处于低功耗关断方式[5]。模拟多路选择器〔AMUX0〕选择ADC的正输入和负输入〔见表3-1〕，P0-P1、位移传感器输出和正电源〔VDD〕中的任何一个都可以被选择为正输入：P0-P1、VREF和GND中的任何一个都可以被选择为负输入。当GND被选择为负输入时，ADC0工作在单端方式：在所有其他时间，ADC0工作在差分方式。ADC0的输入通道由存放器AMX0N选择。转换码的格式在单端方式和差分方式下是不同的。每次转换结束后，存放器ADC0H和ADC0L中保存ADC转换结果的高字节和低字节。转换数据在存放器对ADC0H:ADC0L中的存储方式可以是左对齐或右对齐，由AD0LJST位的设置决定。当工作在单端方式时，转换码为10位无符号整数，所测量的输入范围为0-VREF*1023/1024.下面是单端方式下数据左对齐和右对齐的例子。ADC0H和ADC0L存放器中未使用的位被设置为‘0’。图3.3ADCO功能框图表3-1模拟多路选择器选择ADC的正输入和负输入输入电压左对齐的ADC0H：ADC0L(AD0LJST=0)左对齐的ADC0H:ADC0L(AD0LJST=1)VREF*1023/10240X03FF0XFFC0VREF*512/10240X02000X8000VREF*256/10240X01000X400000X00000X0000当工作在差分方式时，所测量的输入范围为-VREF-VREF*511/512.下面是差分方式下数据左对齐和右对齐的例子(见表3-2)。对于右对齐数据，ADC0H存放器中未用的高位填充数据字的符号扩展位。对于左对齐数据，ADC0L存放器中未用的低位被清0。表3-2差分方式下数据左对齐和右对齐输入电压左对齐的ADC0H：ADC0L(AD0LJST=0)左对齐的ADC0H:ADC0L(AD0LJST=1)VREF*511/5120X01FF0X7FC0VREF*256/5120X01000X400000X00000X0000-VREF*256/5120XFF000XC000-VREF0XFE000X8000需要特别注意的是，被选择为ADC0输入的引脚被设置为模拟输入，并且应被数字交叉开关跳过。要将一个端口引脚配置为模拟输入。应将PnMDIN(n=0.1)存放器中对应位置0。为了使交叉开关跳过一个端口引脚，应将PnMDIN(n=0.1)存放器中的对应位置1。3.2位移传感器的选择本课题选择A1391线性霍尔效应传感器，其集成电路(IC)提供直接与所适用磁场成比例的电压输出。放大前，典型的霍尔效应IC的灵敏度〔以1mV/G为单位〕与流经IC内部霍尔效应传感器元件的电流直接成比例。在许多应用中，要使霍尔效应传感器IC获得充分的灵敏度水平，如果不消耗3mA以上的电流是很难实现的。A1391通过添加用户可选择的休眠方式将电流消耗减少至不超过25

µA。这就使这些器件更适合于电池供电型应用。最终用户可以通过将逻辑电平信号施加于SLEEP引脚来控制A1391的电流消耗。器件输出在休眠模式中是无效的〔高阻抗模式〕。高阻抗输出功能允许多个A1391霍尔效应器件与单个交流至直流转换器输入相连接。〔见图3.4〕根据标准设置，器件的输出电压与SUPPLY引脚的电压不成比例。尽管A1391中的电路具有低功率消耗，但高精度线性霍尔效应IC所要求的各项功能并未因此受到损害。每个器件都具有BICMOS单片电路，该电路集成了已经改良的温度补偿霍尔效应电路，以降低霍尔元件、小型信号高增益放大器和专有动态偏移取消电路所固有的灵敏度漂移。在下线时进行的后封装出厂编程可确保对器件灵敏度和偏移的精确控制。这些器件采用2.0×3.0

mm,0.75

mm标准高度微型引脚小型封装(MLP/DFN)。图3.4位移传感器电路休眠方式中的高阻抗输出兼容2.5至3.5V电源有源模式中10mW功率消耗微型MLP封装温度稳定的静止输出电压和灵敏度较宽的环境温度范围：–20°C到85°CESD保护超过3kV高可靠性最后测试时预设灵敏度和偏移4基于单片机的数据采集的检测系统方案设计基于单片机的数据采集的检测系统要实现的功能是：制动器摩擦片磨损量的实时检测和超过所设置的磨损量时向PLC发出报警信号。本章根据现有的位移检测方法来制定出一个合理的智能检测方案。4.1位移的检测方法位移测量根据不同的测量范围、精度要求、测量条件、安装方式等有多种测量技术。根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器类型有：电阻式、电阻应变式、电感式、电容式、霍尔元件、感应同步器、光栅磁栅等。利用电阻来测量的传感器有电阻应变式和电位器式。电阻应变式位移传感器是一种利用电阻应变效应将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。压电式位移传感器由于压电元件的特性，它只适用于不断变化的位移测量测量。应变片式传感器，用于由力或热产生变形的测量。电位器式是位移传感器利用移动电位器触点改变电阻值来测量位移，它可用于中、小位移测量，用于精度要求不高的场合。其优点是结构简单，本钱低。利用电感的位移传感器有自感式、互感式、电涡流式、感应同步器。自感式位移传感器是通过改变磁路磁阻使线圈自感变化，利用线圈自感的改变来实现非电量与电量的转换。其根本结构含线圈、铁芯、衔铁三个局部。常用的有变气隙型、变面积型和螺管插铁型。电感式传感器主要用于小位移量的测量，测量精度高，用于小偏差测量可达亚微米精度。传感器输出阻抗小，有较强的抗干扰能力。广泛用于各种测量，包括加工中的测量，它可用于几至几百赫兹变化量的测量。互感式位移传感器是通过改变互感来检测，互感式传感器亦称变压器式传感器，它与电感式传感器不同在于互感式传感器是先把被测量的变化转换成线圈相互的互感变化，再经变换成为电压信号输出。变压器式传感器以差动形式为最常用，也称差动变压器。变压器式传感器的特点和应用范围与电感式传感器大致相同，但高精度场合使用电感传感器的情况较多。电涡流式传感器是利用电涡流现象改变线圈自感、阻抗的原理，根本结构包括变换器和探头两个局部。变换器由测量电路组成，探头主要是由一个固定在框架上的扁平线圈组成，一般放在端部。它主要用于尺寸和位移参数的测量，可用于不接触，可达微米级的精度。感应同步器是利用两个平面绕组的互感随位置不同而发生变化的原理来测量，感应同步器主要用于大位移的测量，可测量长达几米的线位移，它的输出阻抗低，抗干扰能力强，对环境要求不高。磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。利用磁电效应的位移传感器有霍尔式、磁栅式和磁敏式。霍尔式传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应。当一个导体通过与外磁场垂直的电流时，在导体的与磁场及电流方向均垂直的方向上，会产生一个电势差。这个电势差与外磁场的磁感应强度及电流大小成正比，固定电流大小，电势差与外磁场的磁感应强度成正比。利用一次线圈产生外磁场，那么电势差与一次电流成正比，这就是霍尔传感器的原理。霍尔元件具有结构牢靠、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等污染或腐蚀等优点。磁栅式传感器是利用磁头和磁栅相对移动，从而在磁头上感应出电信号，此类传感器属于数字式传感器，与另外一种数字式传感器〔感应同步器〕的特点及使用范围相似，但精度略低于感应同步器。磁栅式传感器用于大位移与360度以内角位移的测量。磁敏式传感器是以固体中的磁电转换效应为根底，因载流半导体在磁场中有磁电效应〔霍尔效应〕而输出电势，该类传感器主要有磁阻传感器、磁敏二极管、磁敏三级管等。光电式传感器有：一般形式、光纤式、光学编码器式和光栅式。一般形式是通过改变光路的光通量，再利用各种光电器件的光电效应将信号转换成电信号的一种传感器。光纤式传感器是利用光导纤维的传输特性或材料的效应或传光，再用各种光电器件的光电效应将光信号转换成电信号。光栅式传感器是利用光栅形成的莫尔条纹和位移之间的关系，再利用各种光电器件的光电效应将光信号转换成电信号的一种传感器。它适用于大位移的测量，测量精度高。激光干预传感器、多普勒效应、衍射及光电电器件来测量，激光干预传感器主要用于大量程、高精度的测量。电容式传感器有：电容式和容栅式。电容式传感器是通过改变电容量来实现测量，电容式传感器是将被测量非电量的变化转换为电容变化的一种传感器，具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量，具有平均效应等优点。电容式传感器主要用于小位移、尺寸偏差的测量，可实现不接触测量，频率响应高，灵敏度高。它输出阻抗高，传感器电容值小，易受外界环境因素干扰，使用时需采取妥善屏蔽措施，在采取可靠屏蔽措施条件时可达很高测量精度。容栅式传感器是通过改变电容量或加以鼓励电压来产生感应电势的原理来测量，利用容栅可实现大位移测量。容栅结构简单，尺寸小，精度可达几微米。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器。它可以直接测量磁场和微位移量，应用于电池测量、压力、加速度、位移等方面的测量领域。目前霍尔传感器已开展到集成电路的阶段，越来越受人们的重视，在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。在通讯领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、分频已经微波功率测量等。在自动化技术领域，可用于无刷直流电机、速度传感、位移传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构形成的伺服系统和自动电力拖动系统等。根据不同的位移测量方法的特点，本课题是间接测量制动器摩擦片的磨损量，所以选用霍尔式位移传感器作为位移测量元件。4.2如何实现位移的测量利用霍尔位移传感器与磁铁间距离的间隔而引起的电压的变化，把位移的变化量转化成电压的变化量，从而实现电压和位移间的转化关系。传感器及磁铁安装布置如下：将传感器固定，在将磁铁在传感器上移动。用精密仪器来进行位移的测量，分别测量出1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米、9毫米、10毫米的对应位移下的数据，为后面的线性化做准备。工作原理:霍尔传感器的根本原理是基于霍尔效应。霍尔效应是指通过电流的导体在垂直于电流方向的磁场作用下，在导体的与电流及磁场均垂直的方向上产生电势差。这个电势差与电流大小及磁感应强度均成正比。

固定导体流过的电流，利用被测电流或电压〔实际是电压信号产生的电流〕信号通过线圈产生磁场，测量出固定电流导体垂直方向上的电动势，就可反响磁感应强度的大小，进而得出通过线圈的电流或线圈两端的电压。

技术方案:使磁轭的长度l，截面积S均随位移量被测位移X的增加而增加；使空气隙长度f随被测位移x的增加而非线性地增加；获得与被测位移x成线性关系的霍尔元件上的磁感应强度B和霍尔式位移传感器的输出电压U；霍尔元件固定不动，永磁体铁芯作为与被测位移量同步变化的移动件沿z方向往复运动，测得被测位移量x。其优点在于:使磁轭的长度l和磁轭的截面积S均随位移量被测位移的增加而增加，并使得长度l的磁轭的平均有效面积为一恒定值；使空气隙长度f随被测位移x的增加而非线性的增加，并满足以下关系：磁轭的弯曲程度随x的增加按1/2f的规律增加；获得与被测位移x成线性关系的霍尔元件上的磁感应强度B和霍尔式位移传感器的输出电压U，有利于推导出被测位移x与磁感应强度B和输出电压U的关系式；霍尔元件固定不动，永磁体铁芯作为与被测位移量x同步变化的移动件沿z方向往复运动，测得被测位移量x，使霍尔式传感器能够精确测量较大范围的直线位移，扩大了霍尔式位移传感器的应用范围。4.3位移线性化的分段依据由于霍尔位移传感器的磁场强度不相同，所以输出电压U与被测位移x的关系非线性化，所以要使被测位移x与输出电压U成线性关系，我们可以将被测位移x分段，使其在较小的位移范围之内线性化，在较小的位移范围内，可以近似的看成在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔位移传感器。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势〔输出电压〕与磁感应强度B成正比。假设磁场在一定范围内沿z方向的变化梯度dB/dx为一常数。那么当霍尔位移传感器沿z方向移动▽x时的变化为：dVH/dx=KH*I*(dB/dx)=K式中K为位移传感器输出灵敏度。将上式积分后得:VH=K*x，即U=K*x分段后得到图像图4.6位移的线性化分段图4.6位移的线性化分段—横坐标x表示被测位移x，单位毫米〔mm〕—纵坐标y表示输出电压U，单位伏特〔mV〕5检测系统软件设计系统软件设计包括单片机初始化、参数读入程序、外围器件初始化程序，A/D转换程序、采集数据存储程序、报警程序和上位机通信程序。其中单片机初始化程序只是实现时钟的配置，所用A/D转换口的配置和I/O口的配置。参数读入程序是把位移传感器线性化后的参数从SPI接口的FLASH中读入到内部的单片机中为计算所测位移做准备。外围器件初始化程序实现对SPI接口的FLASH进行初始化。A/D转换程序实现位移量的采集。采集数据存储程序是把当前采集的位移存储到数据存储器。报警程序实现当摩擦片磨损量超过所设定的值时进行报警。上位机通信程序实现规定的通信协议和和执行上位机的指令。5.1A/D转换C8051F330的内部有一个10位SARADC和一个16通道差分输入多路选择器。该ADC工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，INL和DNL为+1LSB。ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的正输入和负输入。端口0-1作为ADC的输入。另外，位移传感器的输出和电源电压〔VDD〕也可以作为ADC的输入。A/D转换可以有6种启动方式：软件命令、定时器0溢出、定时器1溢出、定时器2溢出、定时器3溢出和外部转换启动信号。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号和周期性的定时器溢出信号触发转换。一次转换完成可以产生中断〔如果被允许〕，或者用软件查询一个状态位来判断转换结果。转换结束后10位结果数据字被锁存到ADC数据存放器中。窗口比拟存放器可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的范围之内/外时才向控制器申请中断。5.2参数在SPI_EEPROM中存放的地址设置出厂设定值：000到003当前磨损值：050到053各段分段值：第1段分段值：100到101第2段分段值：102到103第3段分段值：104到105第4段分段值：106到107第5段分段值：108到109第6段分段值：110到111第7段分段值：112到113第8段分段值：114到115第9段分段值：116到117第10段分段值：118到119第11段分段值：120到121各段线性化系数存放地址：第1段线性化系数存放地址：200到207第2段线性化系数存放地址：208到215第3段线性化系数存放地址：216到223第4段线性化系数存放地址：224到231第5段线性化系数存放地址：232到239第6段线性化系数存放地址：240到247第7段线性化系数存放地址：248到255第8段线性化系数存放地址：256到263第9段线性化系数存放地址：264到271第10段线性化系数存放地址：272到279测试模式值存放地址：300最大允许磨损值存放地址：350到353松闸最小释放量：400到4035.3通讯协议5.3.1什么是通讯协议要实现单片机与PDA之间的通信，光设计串口的程序是不够的，还要保证有相同的通讯协议。本次设计所用的通讯协议是以CA为开头的协议格式，以实现单片机与PDA之间的发送和接受数据。5.3.2数据帧格式数据帧是数据在传输中的一个数据单元，为确保各终端能够读懂数据帧中的数据，通信双方必须使用同一种通讯协议，首先要定义一种相同的数据帧格式。表5-1为自定义CA协议数据帧格式[8]帧头标识长度域命令数据位校验码1B2B1B2B1B数据帧格式说明[6]:以“0xca〞作为一帧的帧头标识，制定中未使用帧尾标识；每一个帧的长度都将通过跟随在帧头标识位后的帧长域来决定；操作码为命令局部；回复帧中要传送的数据放在数据位，命令请求帧中没有数据位。帧结构定义帧头：即为定义的帧的起始标识“0xca〞，1字节长度；长度域：占2个字节长度。低字节在前；命令：占1个字节；数据位：所要发送的数据，共2个字节；校验码：确定是否是所要接受和发送的数据，过滤掉干扰信息，占1个字节。5.3.3命令及返回格式具体命令的设置(注：长度和数据为低字节在前，高字节在后。)格式如表5-2表5-2命令设置格式命令头长度命令数据位校验码0XCA0XXX0XXX0XXX0XXX0XXXXX0A:读采样0B:读测量0C:校验码0D:当前磨损当数据长度超过255个字节时，只需取低位字节。校验值=数据长度字节+数据字节〔当数据长度超过255个字节时，只需取低位字节。)例如命令：CA05000E4063D70A9797就是05+00+0E+40+63+D7+0A=0197的低位字节。(1)读当前采样命令〔有返回共2个字节〕[7]表5-3读当前采样命令命令头长度命令数据位2个字节校验码0XCA0X050X000X0A0XXX0XXXXX命令：0XCA0X050X000X0A0XXX0XXX0XXX描述采样命令的字段:表5-4描述采样命令字段字节描述值命令头1固定值0XCA长度2命令字节长度低位:0X01高位:0X00命令1读采样0X0A数据位2具体值/校验码1长度、命令和数据位数值之和/返回数据〔这条命令是下位机回复上位机的数据〕表5-5采样命令返回数据命令头长度命令校验码0XCA0X010X000X0A0X0B命令：CA0X010X000X0A0X0B返回数据的描述：表5-6采样命令返回数据的描述字段字节描述值命令头1固定值0XCA长度2命令字节长度低位:0X01高位:0X00命令1读采样0X0A校验码1长度和命令两项数值之和0X01读测量表5-7读测量命令头长度命令数据位4个字节校验码0XCA0X050X000X0B0XXX0XXX0XXX0XXX/命令：0XCA0X050X000X0B0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX

返回数据：表5-8读测量返回数据命令头长度命令校验码0XCA0X010X000X0B0X0C命令：0XCA0X010X000X0B0XOC〔3〕设当前磨损值命令〔无返回〕表5-9当前磨损值命令命令头长度命令数据位4个字节校验码0XCA0X050X000X0C0XXX0XXX0XXX0XXX/命令：0XCA0X050X000X0C0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX〔4〕读当前磨损表5-10读当前磨损命令头长度命令数据位4个字节校验码0XCA0X050X000X0D0XXX0XXX0XXX0XXX/命令：OXCA00050X000X0D0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX返回数据：表5-11读当前磨损返回数据命令头长度命令校验码0XCA0X010X000X0D0X0E(5)读出厂设定命令值：表5-12读出厂设定命令值命令头长度命令数据位4个字节校验码0XCA0X050X000X0F0XXX0XXX0XXX0XXX/命令：OXCA0X050X000X0F0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX返回数据：表5-13读出厂设定命令值返回数据命令头长度命令校验码0XCA0X010X000X0F0X10命令：0XCA0X010X000X0F0X10读最大允许磨损表5-14读最大允许磨损命令头长度命令数据位4个字节校验码0XCA0X050X000X430XXX0XXX0XXX0XXX/命令：OXCA0X050X000X430XXX0XXX0XXX0XXX0XXX返回数据：表5-15读最大允许磨损返回数据命令头长度命令校验码0XCA0X010X000X430X44命令：0XCA0X010X000X0F0X10读松闸最小释放量〔无返回〕表5-16读松闸最小释放量命令头长度命令数据位4个字节校验码0XCA0X050X000X450XXX0XXX0XXX0XXX/命令：OXCA0X050X000X450XXX0XXX0XXX0XXX0XXX可用串口调试助手验证程序的正确性5.4各命令的编程设定线性化系数命令例如：设定第1段线性化系数命令〔无返回〕长度：0X090X00命令：0X00线性化系数数据：0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX〔8个字节〕0XCA0X090X000X000XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX读线性化系数值命令例如：读第1段线性化系数值命令〔有返回共8个字节〕长度：0X010X00命令：0X100XCA0X010X000X100XXX 返回： 长度：0X090X00 命令：0X10 返回数据：0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX〔8个字节〕 0XCA0X090X000X100XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX设定分段值命令例如：设定第1段分段值命令〔无返回〕长度：0X030X00命令：0X20线性化系数数据：0XXX0XXX〔2个字节〕0XCA0X030X000X200XXX0XXX0XXX读当前采样值命令〔有返回共2个字节〕长度：0X010X00命令：0X0A0XCA0X010X000X0A0XXX 返回： 长度：0X030X00 命令：0X0A 返回数据：0XXX0XXX〔2个字节〕 0XCA0X030X000X0A0XXX0XXX0XXX读当前转换值命令〔有返回共5个字节〕长度：0X010X00命令：0X0B0XCA0X010X000X0B0XXX 返回： 长度：0X050X00 命令：0X0B 返回数据：0XXX0XXX0XXX0XXX〔4个字节〕 0XCA0X050X000X0B0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX设当前磨损值命令〔无返回〕长度：0X050X00命令：0X0C设定数据：0XXX0XXX0XXX0XXX〔4个字节〕0XCA0X050X000X0C0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX读当前磨损值命令〔有返回共5个字节〕长度：0X010X00命令：0X0D0XCA0X010X000X0D0XXX 返回： 长度：0X050X00 命令：0X0D 返回数据：0XXX0XXX〔2个字节〕 0XCA0X050X000X0D0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX设出厂设定值命令〔无返回〕长度：0X050X00命令：0X0E设定数据：0XXX0XXX0XXX0XXX〔4个字节〕0XCA0X050X000X0E0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX读出厂设定值命令〔有返回共5个字节〕长度：0X010X00命令：0X0F0XCA0X010X000X0F0XXX 返回： 长度：0X050X00 命令：0X0F 返回数据：0XXX0XXX〔2个字节〕 0XCA0X050X000X0F0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX读线性化系数值命令例如：读第1段线性化系数值命令〔有返回共8个字节〕长度：0X010X00命令：0X100XCA0X010X000X100XXX 返回： 长度：0X090X00 命令：0X10 返回数据：0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX〔8个字节〕 0XCA0X090X000X100XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX0XXX设定分段值命令例如：设定第1段分段值命令〔无返回〕长度：0X030X00命令：0X20线性化系数数据：0XXX0XXX〔2个字节〕0XCA0X030X000X200XXX0XXX0XXX读分段值命令例如：读第1段分段值命令〔有返回共2个字节〕长度：0X010X00命令：0X300XCA0X010X000X300XXX 返回： 长度：0X030X00 命令：0X30 返回数据：0XXX0XXX〔2个字节〕 0XCA0X030X000X300XXX0XXX0XXX5.3位移传感器的数据线性化这是整个量程积累的实验数据：表5-17整个量程积累