摘  要： 介紹了MLX90316的內(nèi)部結(jié)構和應用特性,設計了以LPC2136為CPU,、MLX90316為位置反饋,、具備1路光電隔離RS485通信輸出的位移傳感器，給出了位移計算策略和計算方法,，詳細分析了接口電路原理圖和接口時序,。
關鍵詞： MLX90316； 磁敏技術,； 位移傳感器

   對物體位移進行非接觸測量是目前位移測量技術的重要發(fā)展方向之一,這是由于非接觸測量方法具有高速,、不接觸被測物體等優(yōu)點。傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關系的電阻或電壓輸出[1],。為實現(xiàn)測量位移目的而設計的電位器,，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時柵位移傳感器[2],、線位移差分傳感器[3],、容柵位移傳感器[4]、電感式位移傳感器[5]等,這些傳感器的精度高,但結(jié)構復雜,、成本高,對被測物體運動速度還附加了限制,如必須運行平穩(wěn),、無突變和相對低速等。
　本文從工程應用的角度,，設計了一種基于磁敏技術的位移傳感器,，該傳感器在精度、抗震,、耐用度等方面有了成功的改善,。
1 磁敏傳感器工作原理
　在基于磁敏技術的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。
　MLX90316是一種線性霍爾芯片,，在霍爾效應傳感器上增加集成磁場集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6],。能夠在單點感應到磁通量的所有3個分量，因此,，可以得到360°的旋轉(zhuǎn)位置值,，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉,，安裝簡便,。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應垂直于IC表面的磁通量。
　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術的傳感器,。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經(jīng)過放大處理后,，經(jīng)過14 bit微分型A/D轉(zhuǎn)換器進入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16 bit DSP處理之后的數(shù)字信號分3路輸出,。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率,，10 bit角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響,。MLX90316具有3種輸出：由12 bit D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出,；頻率為100 Hz~1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI),。
   在本設計中,，選擇SPI接口輸出。
2 硬件接口電路設計
　基于磁敏技術的位移傳感器主要由3個部分組成,，前端角度信號采集,、數(shù)據(jù)處理單元,、數(shù)據(jù)通訊單元，具體的功能框圖如圖1所示,。

   磁敏角度感應器選用MLX90316,，它將位移所導致的磁鐵磁場轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。
　微處理器單元通過SPI接口與MXL90316進行數(shù)據(jù)通信,，用于完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收,，由于接收到的是磁場轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學模型,，結(jié)合輪轂直徑等因素,，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務最終都掛在實時操作系統(tǒng)μC/OS-II上運行,，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源,，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2136是Phlips公司生產(chǎn)的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速Flash存儲器,。采用3級流水線技術,，取指、譯碼和執(zhí)行同時進行,，能夠并行處理指令,，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗,，抗干擾能力強,，適用于各種工業(yè)控制。
　數(shù)據(jù)通信單元設計了1路RS485通信接口,，負責接收來自應用系統(tǒng)的命令,、向應用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果。
2.1 SPI接口電路設計
　MLX90316具備1路SPI接口,用于角度信號的數(shù)據(jù),，由于串行通信的輸出信號直接來自于內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)定,，誤差更小,，并且具有更高的抗干擾能力，在本設計中,，選用SPI接口,，具體的硬件接口連接電路如圖2所示。在圖2中,，MLX90316的SPI 3根線與LPC2136的SPI0口連接,。SPI(Serial Protocol Interface)總線接口是一種同步串行外設接口。這是一個4根信號線的串行接口協(xié)議,，包括主,、從兩種模式,。這4根信號線分別是：時鐘線(SCK)、數(shù)據(jù)輸入線(MISO),、數(shù)據(jù)輸出線(MOSI)和從設備使能線(/SS),。

　SPI接口中，LPC2136作為主控端,，MLX90316作為從屬端,。SPI通信模塊主要讓LPC2136讀取MLX90316的磁敏角度，SPI的通信過程為：主控端先輸出一個0xAA以及一個0xFF作為通信起始信號,，接著輸出8個0xFF,，而從端會同時輸出2個0xFF、4 B的角度信號以及4個0xFF,，從而完成一次數(shù)據(jù)通信,。具體的通信時序如圖3所示。

2.2 RS485通信接口電路設計
　RS485總線以其結(jié)構簡單,、通信速率高,、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點,在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信,，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號[8],。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸,，所以有極強的抗共模干擾的能力,總線收發(fā)器靈敏度很高。
　在基于磁敏技術的位移傳感器中設計了一路RS485信號輸出,，RS485接口芯片采用MAX3485,用于與應用系統(tǒng)進行位移數(shù)據(jù)交換,。如圖4所示，為了確保數(shù)據(jù)通信的可靠性,，通信接口采用了光電隔離芯片6N137,。

3 位移計算算法實現(xiàn)
    MLX90316采集旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)據(jù)，ARM根據(jù)獲取的角度數(shù)據(jù),，通過建立數(shù)學模型計算為直線位移數(shù)據(jù),。ARM通過RS485通信接口與應用系統(tǒng)的設備進行通信，將接收來自應用系統(tǒng)設備的命令,，并將采集到的位移信號反饋給應用系統(tǒng),。
    位移計算公式為：
   
其中，R為引起MLX90316角度變換的線性位移距離角度變換的中心半徑,φ為直線位移所導致的MLX90316的旋轉(zhuǎn)的角度,，L為直線位移,。
4 工程應用與結(jié)論
　(1)磁鐵選擇
　水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用,磁鐵的大小和材料并不重要。在機械,、磁場和熱容限之內(nèi),水平磁通量必須在20-70 mT(例如,45  mT±25 mT)范圍以內(nèi),。
　(2)氣隙距離
　在氣隙問題上,如果距離IC表面的實際氣隙大于7.5  mm,，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端,，使用環(huán)形磁鐵時可以繞在軸上,。也可以使用特殊的磁鐵設計，獲得旋轉(zhuǎn)位置傳感器正常的傳輸特性,。
    在“基于FPGA技術的堤壩位移智能檢測系統(tǒng)”中,，本傳感器用于堤壩根石位移采集。利用RSS485總線將35個監(jiān)測點組成星型網(wǎng)絡,，從試驗結(jié)果可以看出,，該傳感器克服傳統(tǒng)拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差,、阻值偏低,、高頻特性差等缺點，提高了測量精度,。
參考文獻
[1] 張福學.實用傳感器手冊[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 1988.
[2] 盧國綱.位移測量技術及其傳感器的最新發(fā)展[J].WMEM, 2005,，19(4):72-73.
[3] 彭東林,劉小康,張興紅,等.精密時柵位移傳感器研究[J].制造技術與機床,2005,55(11):98-10.
[4] 張銀芳.容柵位移傳感器的工作原理及其特點.精密制造技術,2005,41(4):58-89.
[5] 楊朝英,徐龍祥.磁軸承系統(tǒng)中差動變壓器式位移傳感器的研究[J].傳感器技術,2005,24(9):8-9.
[6] Melexis Mieroeleetronie Integrated System． MLX90316 Rotary Position Sensor IC.2005.
[7] PHLIPS公司. PLC2316 User Manual. PHLIPS公司.2004.
[8] 虞日躍,史洪源.RS485總線理論與實踐[J].電子技術應用,2001,27(11):55-57.