0 引言
電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實現(xiàn)測量的一種裝置，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)測量中。但在以往的應用中受到集成電路工藝發(fā)展水平和數(shù)據(jù)傳輸方式的限制，信號處理電路被設計得結構復雜、體積偏大、耗電量大，以至于影響了它的應用。木文介紹了一種新的電感傳感器信號采集裝置的設計方法。該方法是將載波發(fā)生，放大濾波，相敏檢波、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芗稍谝粔KPCI卡上，利用PCI總線將采集的數(shù)據(jù)送入計算機中.再通過計算機進行數(shù)據(jù)處理得出相應結論。該信號采集卡解決了以往設備結構復雜、使用不便的問題，實現(xiàn)了電感傳感器信號處理電路的小型化。
1 整體結構
該信號采集卡的設計卞要分為硬件設計和軟件設計，整體結構見圖1。其中硬件部分卞要包括前向通道電路和PCI接口電路;而軟件部分的核心卞要是馭動程序。
圖1 整體結構
2 硬件電路
2.1 前向通道電路
前向通道電路卞要完成載波的發(fā)出和對傳感器反饋信號的處理。通道中的10I}正弦波載波發(fā)生電路主要由函數(shù)發(fā)生器ICL8038構成。ICL8038集成函數(shù)發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)范圍為0.001Hz~300kHz,輸出正弦波的失真度小于1%。為了濾除反饋信號中的干擾，信號采集卡上設置了帶通范圍為8389.1 Hz~12469.99Hz的帶通濾波器。通過帶通濾波，信號中的干擾成份得到了有效的抑制。圖1中的多路衰減環(huán)節(jié)共分8檔，由計算機通過PCI總線控制，最大可提供200倍的衰減。衰減后的信號將進入相敏檢波環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)采用的是開關式全波相敏檢波電路。與以往做法不同的是用于檢波的參考信號是利用模擬開關CD405 3生成的。這樣做的優(yōu)點是充分利用了CD4053導通電阻低，漏電流小的特性降低了檢波誤差，從而獲得了較高的檢波精度。由于電感式傳感器的觸針通常以不大于400Hz的頻率作垂直運動。所以，檢波后的信號還需通過低通濾波器來濾除信號中的高頻成份。木設計中低通濾波環(huán)節(jié)采用了兩個一階壓控電源切比雪夫型低通濾波器。其截至頻率分別為579Hz和1326Hz。通過以上電路的轉換便可利用AD574進行采樣了。采樣時鐘部分卞要利用了一片2051單片機。它可根據(jù)PCI總線的命令發(fā)出4種不同的采樣時鐘以適應不同的采樣要求。
2.2 PCI接口電路
PCI總線具有良好的性能，但由于其協(xié)議的復雜性，其接口的實現(xiàn)比ISA等總線要困難得多。目前，PCI總線接口電路的實現(xiàn)方式卞要分為兩類:一類是利用符合PCI總線規(guī)范的PLD芯片。如ALTERA公司提供的FPGA器件FLEX6000,FLEX8000等;另一類是利用PCI總線專用控制芯片。如PLX公司的PCI9052 ,PCI9030等。木文采用的是第一種設計方法，利用PLX公司的PCI9052來實現(xiàn)PCI接口電路的設計。
PCI9052是PLX公司開發(fā)的低價位PCI總線目標接口芯片。它由PCI BUS接口邏輯、LOCAL BUS接口邏輯、串行EEPROM接口邏輯和內(nèi)部邏輯構成。其的局部總線(Local Bus)可以通過編程設置為8,16,32位的(非)復用總線。它的卞要特點是當工作在ISA模式時可實現(xiàn)ISA總線到PCI總線的無縫連接[2j。木文所涉及的PCI接口電路便是利用PCI9052工作在ISA模式卜實現(xiàn)的，電路示意圖如圖2PCI9052左邊上半部分與PCI總線相對應，左卜部分與儲存配置信急的EEPROM(93CS46)相對應，而右邊則是局部總線外部電路。當PCI9052工作在ISA模式時，其局部總線時鐘端口需接8M晶振。ORD是I/0空間讀信號;IOWR是I/0空間寫信號;LAD[7：0]是8位數(shù)據(jù)總線;ISAA[1:0]相當于LA[1:0]，它和LA[23:2]一起進行地址譯碼。鎖存器組中包括4個鎖存器。其中，2個為輸入鎖存器(74LS244)，分別用來鎖存AD的轉換結果和采樣時鐘信號;另2個為輸出鎖存器(74LS273),用以完成對AD、采樣頻率、多路轉換器和繼電器的控制。4個鎖存器的片選信號是由地址信號ISAA[1:0],LA[2]經(jīng)74LS138譯碼，再與相應的I/O空間讀寫信號一起經(jīng)74LS32后產(chǎn)生的。當然，要實現(xiàn)上述功能最重要的是要正確配置EEPROM中的基木配置信急。在木設計中，設備號DID為0x5201，制造商VID為Ox10B5，子設備號SDID為0x9050，子制造商SVID為Ox10B5，設備類型號為0x06800001,局部空間1范圍寄存器的值是OxFFFFFFFl，表示I/0空間大小為16個字節(jié)，bit0為1表示此空間被映射到I/0空間;局部空間描述寄存器的值0x00 000022,其中bit[23 :22]為00表明局部空間1的數(shù)據(jù)總線寬度為8位;局部片選寄存器1的值為0x00000009，以限制局部地址空間的范圍在Ox000~Ox010之間。
圖2 PCI 接口電路示意圖
通過以上正確的芯片管腳連線和信息配置，主機實現(xiàn)了對不同鎖存器的訪問，完成了對硬件信號采集卡各部件的控制和對AD轉換數(shù)據(jù)及采樣時鐘信號的讀取，進而實現(xiàn)了PCI總線與局部總線間的通信。
3 驅動程序設計
在Windows2000操作系統(tǒng)卜PCI總線的馭動開發(fā)與DOS操作系統(tǒng)下ISA總線的開發(fā)有著根木的不同。應用程序不再允許通過簡單的I/0、內(nèi)存讀寫命令直接操縱硬件設備。Windows操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可移植性，對應用程序訪問硬件資源進行了限制。只有設備驅動程序才可以直接訪問硬件設備。
編寫驅動程序的工具很多，有微軟的軟件包De-vice Driver I}it(DDI})，也有專門的馭動程序編寫工具，如Win<Iriver和VtoolsD，還有PLX公司為9052提供的一套軟件開發(fā)工具包SDI。出于編寫馭動程序方便的想法，木設計使用PLX公司的軟件開發(fā)包SDI和Visual C++作為開發(fā)工具。PLX mon作為調(diào)試工具。
PLX SDI中含有一個HOST API函數(shù)庫。其中有很多API函數(shù)，如P1xPciDeviceFind ( ) ,P1xPciDe-vice0pen等，可供開發(fā)者使用。對于PCI總線設備，其馭動程序的基木任務是:首先查找板卡，然后找到板卡中與所用到的局部空間相對應的PCI基地址，接下來根據(jù)要求對這個基地址進行操作。編寫時，考慮到有的API函數(shù)調(diào)用起來非常復雜，為了提高程序的通用性和靈活性，將這些函數(shù)進行了封裝。封裝后的P9050.<lll文件處于Ring3層。它封裝了和底層馭動打交道的函數(shù)，對外只顯現(xiàn)出如Mycard_open ( ) ,My-(ard_close()、Mycard_read()、Mycard_write()、(on<li-tion()等功能函數(shù)。核心程序是P9050.sys。它處于RingO層，為Ring3層和電感傳感器信號采集卡進行數(shù)據(jù)交換搭建了一個橋梁。應用程序只要通過調(diào)用這些函數(shù)便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和指令的發(fā)送。
4 實驗
實驗是通過將木信號采集卡和LDDM-102型電感測位儀作比對實驗來進行的。測位儀的分辨率為0.1 μm。表1列出了±20 μm的量程內(nèi)，對10個點分別進行比對的數(shù)據(jù)。表2是信號采集卡測量重復性的實驗數(shù)據(jù)。從中可以看出，木文研制的電感傳感器信號采集卡的示值與LDDM-102示值基木一致，達到了一定的精度，同時也表現(xiàn)出了較好的重復性。
5 結論
目前，國內(nèi)的測量行業(yè)使用的電感傳感器信號采集裝置多是和計算機相分離的獨立裝置。而木設計在保證了測量精度的前提卜由于使用了PCI總線，使得整個裝置體積更小，使用更方便。實驗證明該信號采集卡性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)實時性測量，若配以不同的電感傳感器可用于多種場合，具有很好的市場前景。
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