力學傳感器與單片機硬件平臺的連接方法探究

賴輝平，林敏

（集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361021）

力學信號的測量、記錄和描繪在科研和工業(yè)生產(chǎn)領域得到了非常廣泛的應用，促進了科研和工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高。在實際的力學信號采集過程中，力學傳感器要對力量信號進行有效的接收和轉(zhuǎn)化，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再對其進行一定的處理。信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號的處理工作主要由單片機系統(tǒng)完成，為了提高信號的處理工作質(zhì)量，就要確保力學傳感器與單片機之間進行有效的連接。在實際工作過程中，會受到外界各種不良因素的影響，進而對連接的穩(wěn)定性造成嚴重影響，導致連接失效，無法進行正常的信號傳遞，影響到生產(chǎn)工作的順利進行。因此，為了確保生產(chǎn)的順利進行，就要對力學傳感器與單片機之間的連接進行科學合理的分析，進而采取有效的措施，提高兩者之間的連接穩(wěn)定性。

1 拉力壓力傳感器及輸出模式的選擇

能夠同時進行拉力和壓力測量的傳感器通常都采用S型的結(jié)構(gòu)設計，在實際力學傳感器的優(yōu)選過程中，要結(jié)合測量的特點進行有效的選擇，在本文中所選擇的力學傳感器由合金材料構(gòu)成，并具有良好的密封性、較高的抗扭強度以及良好的抗偏載能力，其能夠承受的最大過載量為最大值的1.5倍。在力學傳感器的實際工作環(huán)境中，存在著非常多的噪聲和干擾信號，進而造成信號的傳輸質(zhì)量下降，甚至導致信號失真。當采用電壓模擬信號作為載體傳輸模擬信號時，在實際的信號傳輸過程中，信號就會受到外界不良因素的嚴重影響，進而造成信號失真的幅度大大增加。而采用電流模擬信號作為載體，在傳輸模擬信號時，就會大大降低信號傳輸過程中受到的干擾，確保信號能夠進行順利的傳輸，從而較好的保留初始采集信號的信息特征。

2 單片機芯片的選擇

為了與力學傳感器進行有效的連接，就要有針對性的優(yōu)選性能優(yōu)良的單片機，進而為連接的有效性提供可靠保障。本文所選擇的單片機為Freescale公司生產(chǎn)的S12系列的16位微控制器MC9512DG128，其具有集成度高、片內(nèi)資源豐富、適應能力強等優(yōu)點。對模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換處理主要是由單片機上功能強大的A/D轉(zhuǎn)化模塊實現(xiàn)，在S12單片機中一共設置了2個10位/8位的A/D模塊，即ATD0和ATD1，統(tǒng)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ATD）。在S12之中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，在其內(nèi)部設置有相應的多路器，其精度能夠達到+2LSB。

3 傳感器和單片機的接口設計

（1）模擬信號的模式轉(zhuǎn)換。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，所用到的力學傳感器輸出的信號一般都是在4～20mA范圍內(nèi)的標準電流信號，但是在MC9512DG128單片機上的A/D轉(zhuǎn)換器能夠輸入的模擬信號，往往是介于0～5V的電壓信號。因此，在實際的信號傳輸過程中，為了有效提高信號傳輸過程中的穩(wěn)定性，需要將力學傳感器所輸出的模擬信號進行一定程度的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾妷盒盘枺M而大大提高信號傳輸過程中的穩(wěn)定性，進而有效避免受到外界的干擾。本文中所涉及到的變送裝置其供電電壓為12V，并根據(jù)其實際的工作要求，將其設置在單片機的平臺上，進而大大縮短電壓信號的傳輸時間，讓經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后的電壓信號能夠盡快進入到A/D模塊之中，盡量縮短信號傳輸過程中暴露在外受干擾的時間，進而確保信號能夠穩(wěn)定傳輸，提高信號傳輸過程中的穩(wěn)定性，降低信號發(fā)生誤差的概率，為工業(yè)生產(chǎn)的正常進行提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在變送器的另一端，設置有應力信號的接收裝置，能夠?qū)鬏敹鴣淼碾娦盘栠M行有效的接收處理，通過導線與力學傳感器進行有效連接，同時，導線還能為力學傳感器提供必要的電能供應。

（2）A/D保護電路。在實際的工作過程中，電路板上MC9512DG128單片機的A/D參考電壓端口要接入相應的參考電壓值，本文中接入的參考電壓介于0～5V之間。當輸入的模擬量值超過參考電壓最大值很多時，就會給轉(zhuǎn)換器帶來嚴重的負擔，甚至造成芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器燒毀無法正常工作的嚴重后果。因此，為了確保轉(zhuǎn)換器能夠始終處于良好的工作狀態(tài)，就要采取有針對性的保護措施，通過設置有效的保護電路對轉(zhuǎn)換器進行可靠的保護，保護電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 A/D保護電路示意圖

通過圖1的保護電路就能對MCU芯片進行良好的保護，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而確保應力信號能夠有效傳輸。A/D保護電路的工作原理是：設二極管D1和D2中的導通電壓為0.3V，當輸入端的電壓值Uin1大于5.3V時，二極管D1被導通，則Uout1=5.3V；當輸入端的電壓值Uin1小于0.3V時，二極管D2被導通，則Uout1=-0.3V。因此，就能有效的將輸入電壓控制在-0.3～5.3V之間，進而避免輸入電壓過大，對MCU芯片造成不同程度的損壞。

（3）MCU的A/D模塊設置。在本文中所使用的嵌入式系統(tǒng)程序是應用CodewarirorIDE軟件進行編寫，該軟件是由Metrowerks公司開發(fā)的一種集成式的編程軟件。本文主要涉及到力學傳感器與單片機之間的有效連接，兩者之間穩(wěn)定連接的關鍵在于MCU芯片上的A/D模塊設置是否科學合理，唯有合理的設置才能確保MCU芯片始終工作在理想的模式下，進而大大提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按照MCU芯片模式寄存器的設置規(guī)則和芯片結(jié)構(gòu)的參數(shù)說明，設置的A/D初始化和工作標準C源程序如下所示。

A/D初始化：

{ATD0CTL2=0xC0；//AD模塊上電，快速清零，無等待模式，禁止外部觸發(fā)，中斷禁止。

ATD0CTL3=0x20；//每 個 序 列4次 轉(zhuǎn) 換，NoFIFO，F(xiàn)reeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

ATD0CTL4=0x83；//8位 精 度，2個 時 鐘，ATDClock=[BusClock?0.5]/[PRS+1]；PRS=3，divider=8。

ATD0CTL5=0xA0；//右對齊無符號，單通道采樣，通道0。

ATD0DIEN=0x00；//禁止數(shù)字輸入}

A/D工作程序：

for(;;){SCI0SR1_TDRE=1；

while(！ATD0STAT1_CCF0)；//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

PORTB=(byte)ATD0DR0；//在B口顯示轉(zhuǎn)換值

SCI0DRH=0X00；

SCI0DRL=(byte)ATD0DR0；

delay(50)；//等待發(fā)送}

其中，delay(m)延時程序可根據(jù)具體的實際情況進行有針對性的設置。

4 系統(tǒng)測試

（1）傳感器量程設定。在力學傳感器與單片機硬件平臺的實際連接過程中，為了測定對接接口是否處于正常的工作狀態(tài)中，就要對其進行一定的實驗。要對力學傳感器的量程進行科學合理的設定，根據(jù)本文中所使用的傳感器，將其最大拉力設定為250N，最大壓力也設定為250N。通過測試發(fā)現(xiàn)，當力學傳感器受到250N的拉力時，在變送器上就會相應顯示出0V的電壓值；當力學傳感器受到250N的壓力時，在變送器上就會相應的顯示出5V的電壓值；當力學傳感器沒有受到任何外力時，在變送器上就會相應顯示出2.5V的電壓值。當變送器上顯示的電壓值介于0～2.5V時，表示力學傳感器受到一定的拉力；當變送器上顯示的電壓值介于2.5～5V時，表示力學傳感器受到一定的壓力。因此，根據(jù)變送器上顯示的電壓值就能判斷出力學傳感器受到何種形式的外力。

（2）硬件搭接測試。力學傳感器與單片機接口模塊的性能對于確保連接的穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實意義，因此，需要對接口模塊的工作狀態(tài)進行系統(tǒng)全面的測試。通過借助232串口將力學傳感器的單片機硬件平臺與PC終端進行有效的連接，通過PC對接口模塊的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)控測試。其具體的硬件連接方式如下所示，力學傳感器通過變送器與AD保護電路之間進行有效的連接，信號經(jīng)由保護電路輸出后，通過A/D接口有效的連接到MCU芯片上。

（3）測試結(jié)果。根據(jù)測試要求，在PC上安裝相應的應力測試應用程序。通過此程序，能夠在電腦終端由串行口自動讀取力學信息的數(shù)字量化數(shù)據(jù)，同時，還能夠?qū)φ麄€測試過程中的應力變化進行全面的記錄，并根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制出相應的應力變化曲線，為測試提供充足的資料支持。圖像能夠比較準確的反應出應力的性質(zhì)以及整個測試過程的變化情況。通過測試證明，力學傳感器與單片機硬件平臺之間的連接方法比較穩(wěn)定，能夠真實的反應出實際應力的性質(zhì)和大小變化的情況，從而證明了力學傳感器和單片機的這種連接方案能很好的完成信號采集的任務。

5 結(jié)語

本文提出了一種將力學傳感器與單片機進行連接的方式，通過系統(tǒng)全面的測試表明，其具有良好的連接性能，并且還具有抗干擾能力強、穩(wěn)定性高以及精確性高等優(yōu)點，能夠應用于對應力測量精度高并且要求工作穩(wěn)定等特定場合，進而為應力測量工作的順利進行提供可靠保障，促進應力測量水平的不斷提高。

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