基于容栅的线位移测量系统设计

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1、编号 毕 业 设 计（论文）题目 基于容栅的线位移测量系统设计 二级学院 电子信息与自动化 专 业 测控技术与仪器 班 级 学生姓名 xxx 学号 指导教师 职称 时 间 重庆理工大学毕业论文 目 录摘要Abstract第一章 绪论1.1容栅位移传感器的研究背景1.2 容栅位移传感器测量系统技术支持简介1.2.1 传感器技术1.2.2 检测技术系统概述1.2.3 智能仪器技术概述1.3 本课题设计任务1.3.1 本课题的任务要求1.3.2 设计思路的可行性分析1.3.3 本课题的关键1.3.4 关键问题的解决思路1.4 本章小结第二章 容栅位移传感器测量系统原理方案设计2.1容栅线位移传感器的

2、提出背景2.1.1 容栅结构的提出2.1.2 尖脉冲信号的提出2.2容栅位移传感器测量系统的总体设计方案2.3 容栅位移传感器测量系统各单元原理设计2.3.1输出信号的整形2.3.2信号的细分处理2.3.3容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案2.3.4栅极板结构尺寸设计2.4 本章小结第三章 容栅位移传感器测量系统硬件电路设计3.1测量系统硬件电路总体设计方案3.2微处理器的选择LPC21383.2.1 LPC2138引脚描述3.2.2 LPC2138晶振电路设计3.2.3 LPC2138复位电路设计3.2.4 LPC2138电源电路设计3.2.5 LPC2138显示电路设计3.3 LPC

3、2138外围信号处理电路模块设计3.3.1放大整形电路模块设计3.3.2微分电路模块设计3.3.3辨向电路模块设计3.4 本章小结第四章 系统软件设计4.1系统开发平台简介4.1.1 Proteus 7.4简介4.1.2 VC+6.0简介4.2基于LPC2138系统程序设计4.2.1 系统程序的总体方案设计4.2.2 外部中断复位程序设计4.2.3 数据的运算程序设计4.2.4 LCD子程序设计4.3 本章小结第五章 实物制作5.1元器件材料准备5.2 制作注意事项5.3 实物图5.4 本章小结第六章 总结致谢参考文献附录文献综述摘 要本文的侧重点主要探究其容栅的线位移结构的测量原理和信号的处

4、理以及相关电路设计。在现代智能化测量领域，容栅位移传感器起着重要的作用。在测量过程中，容栅的定极板与动极板以梳齿式的方式进行电容耦合。通过极板电容耦合产生的周期性变化的类似正余弦测量信号。在信号的放大过程中，采用较为可靠的仪用放大器AD620对信号进行放大。放大后的信号通过过零比较器LM324整形成为方波。在测量计数过程中，由于涉及重要的信号辨向处理，需要将信号处理成易于辨识移动方向的尖脉冲信号。于是采用微分电路和可逆计数器74LS192实现。最后在完成测量数据的数显中，运用LPC2138将获得的计数信号转化成LCD显示的相关测量结果。该设计融合了传感器检测技术和信号的处理技术以及软件的数显技

5、术。对进一步学习研究容栅位移传感器测量系统具有一定的参考价值。关键词：容栅;正余弦信号;微分电路;辨向处理;尖脉冲;LPC2138AbstractThe emphasis of this dissertation is mainly to explore the capacitive gate displacement of structure and measurement principle of signal processing and circuit design.In the modern intelligent measurement, capacitive displaceme

6、nt sensor plays an important role in. In the process of measurement, capacitive fixed plate and the movable plate to comb type of capacitive coupling. Capacitive coupling through the periodic change of the similar sine and cosine signals. In signal amplification process, using more reliable instrume

7、nt amplifier to amplify the signal of AD620. The amplified signal through the zero cross comparator LM324shaping as square wave. In the measuring process of counting, due to the important signal to identify treatment, need to signal processing into easy to identify the direction of movement of the s

8、pike pulse signal. Then the differential circuit and reversible counter74LS192. After the measurement data of the digital display, using LPC2138will count signal into LCD display measurement results.The design incorporates sensor detection technology and signal processing technology and software of

9、the digital display technology. To further the understanding of modern intelligent instrument which has a certain reference value.Keywords: fixed plate;the movable plate; sine and cosine signal; differential circuit; direction discrimination processing pulse; LPC21381绪论在现代信息化技术迅猛发展的今天，智能化系统越来越受到人们的支

10、持和关注。发达的制造工业能够为我们的社会带来巨大的贡献。于是在制造过程中就必不可少的涉及测量领域。高速、精准、智能化的测量是时代的发展要求1，这就催生了容栅位移传感器的诞生。虽然，容栅位移传感器的发展始源与上世纪80年代，但是其发展前景是值得重视和期待的。下面我们就围绕容栅位移传感器进行相关介绍和设计，相信会给读者带来不一样的收获。1.1容栅位移传感器的研究背景现代信息技术已成为众多领域里发展最快的科学，同时也是极具蓬勃发展前景的学科之一。在信息科学里，捕捉信息、筛选信息、传输信息、处理信息已成为其关键环节。然而信息的捕获工具就是传感器。在现代信息化时代，尤其是工业高速发展时期，传感器成为了重

11、要的测控系统的信息入口。随着信息时代的到来，国内外传感器技术已成为优先发展的技术领域之一。就目前来看，我国的传感器技术发展相对较为薄弱。因为传感器的可靠性技术对于整个自动检测系统的数据获取的准确性和稳定性是至关重要的，然而，我国在这方面的研究还处于较低水平。从当前使用的范围来看，传感器2大致分为这几类：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、核辐射传感器等。现代传感器正向着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。容栅测量系统的测量原理新颖，测量电路独特，使其构成的测量仪器工作可靠，精度高、工耗低、测量速度快、重量轻、抗干扰性能强、

12、抗振动、耐污染，并且组装的成品率高，是许多位移传感器测量系统无法比拟的。因此，各国对其发展极为重视。容栅线位移传感器运用方向也从最初的大位移长度测量扩大到角度测量等领域。瑞士Trimos公司的电子数显高度仪测量范围在500mm时，其精度可达到0.005mm以内而测量范围在1000mm时，其精度可控制在0.01mm以内。国内在开发容栅系统方面也取得了很大成效。已能提供电子数显卡尺、电子数显千分尺、电子数显千分表电路等各种测量仪器使用的容栅测量系统。此次课题的设计，就是基于线位移测量系统的容栅传感器的研究设计。1.2容栅位移传感器测量系统技术支持简介1.2.1传感器技术传感器2是指能够间接的感受到

13、需要被测定的物理量并且按照一定的变化规律转换成为可用输出的信号的处理装置就叫传感器。传感器一般由敏感原件和转换装置构成。其中敏感元件使之传感器中能够直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能够将敏感元件的输出信号转换成适于传输和测量的电信号部分。其中，传感器输出信号由很多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的结构原理决定传感器通常由敏感元件和转换装置构成。但是由于传感器的输出信号一般都是弱电信号，因此需要信号调节和转换电路将其放大或变换成为易于传输、处理、记录和数显的方式。传感器是上个世纪80年代提出的学科领域。经过30多年的发展现已朝着微型化、智能化、多功能化和可靠性水

14、平方向发展。所以在实物安装中是以集成芯片3形式。其组成如图1-1所示.图1-1传感器组成框图1.2.2 检测技术系统概述检测技术6是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多学科多种技术融合为一体的综合运用符合技术。然而测量是确定被测对象属性量值为目的的全部操作。那么作为一种完整的测量系统45，能够在生产生活中得到充分运用，这一理论系统由相关的器件、仪器和测试装置有机的组合而成的具有获取某种信息的功能的整体。如图1-2所示。被测对象传感器信号调理信号处理数据显示与记录图1-2 检测系统构成框图1.2.3 智能仪器技术相关概述（1）智能仪器7：计算机技术与测量仪器相结合，含有微型计算机

15、或微处理器的测量仪器，并对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有一定智能作用的仪器就是智能仪器。 （2） 智能仪器技术涵盖：电子测量技术、放大滤波技术、传感器技术、信号处理技术、程序设计技术、数字显示技术。（3） 智能仪器的功能包含：传统仪器的功能以及传感器智能化，控制器智能化功能；数据传送及处理功能；多信息融合技术功能；辅助诊断功能。（4） 智能仪器的关键是系统的可靠性和稳定性。（5） 智能仪器的基本结构8框图如图1-3所示。图1-3智能仪器的基本结构框图1.3 本课题设计任务根据电容式传感器的工作原理，设计一能实现高精度（分辨率达到0.1mm）微位移测量的容栅线位移测量系统。1

16、.3.1 本课题的任务要求：（1）基于线位移传感器测量原理，掌握容栅位移传感器的栅极工作原理。（2）掌握并学会应用栅极输出信号的处理方法。（3）提出改进容栅传感器栅极测量的精确度方法，要求分辨率达到0.1mm。（4）设计系统模块硬件电路图，并完成软件的程序编写。（5）完成系统硬件电路调试和测量数据分析系统设计。1.3.2 设计思路的可行性分析：（1）掌握电容传感器工作原理，结合栅极移动信号的产生过程，完成对容栅传感器工作原理的熟悉。（2）掌握对采集信号进行放大、调幅、调频、调相的处理方法。（3）要求提高其精度，应相应增加其正对的栅极板数量，同时采用三极板式可有效提高抗干扰，从而提高测量精度。（

17、4）在信号处理中，需要采用放大电路和调制电路，将其整合成便于测量的信号。测量得到的数据，需要通过程序驱动显示。可参照数显程序编写。（5）结合实验室设备完成数据的测试，同时运用软件对数据进行拟合得出结果。1.3.3 本课题的关键问题：（1）容栅传感器栅极的布置。（2）容栅位移传感器动极板栅极信号的处理。（3）栅极移动过程中信号辨向的处理方法。（4）如何运用电信号转换成测量位移值。1.3.4 关键问题的解决思路：a.栅极的布置：采用三极板式容栅。为了提高精度，定栅一极与动栅多极对应，形成多路信号。从而实现高精度测量。b.信号处理：各路栅极输出的信号，需通过一定的放大电路和调制电路，经整合后以脉冲数

18、字信号输出。c.辨向处理：采集信号代表移动方向的变化情况。因此，需要一路参考信号作为移动方向的标准。对输出的两路信号通过电路进行比较分析，就可实现辨向。d.数显处理：通过LPC2138芯片读取计数值，然后启动程序进行相应计算显示测量结果。 1.4 本章小结容栅位移传感器作为一种新型传感器，无论是在工业生产领域还是航空航天领域都具有其开发使用的潜在价值。在本课题研究上，提出了容栅位移传感器测量系统的许多知识点，相信读者收获斐然。但由于作者的研究水平有限，还有很多的不足之处，希望读者谅解，同时也中肯批评指正。2容栅位移传感器测量系统原理方案设计容栅位移传感器是基于电容传感器的工作原理提出的设计。通

19、过以下分析得出容栅位移传感器测量系统设计主要围绕三大部分：栅极板结构布局设计、信号处理电路设计、系统数显设计。尤其是在信号处理电路设计中涉及到信号的放大、微分整形和位移的辨向非常关键。下面就主要介绍如何提出容栅位移传感器测量方案以及各个部分原理的设计进行详细阐述。2.1 容栅线位移传感器的提出背景由于本课题的任务要求是根据电容传感器工作原理来设计容栅线位移传感器9。于是我们先从电容式传感器着手分析。2.1.1 容栅结构的提出由物理知识得知，两块平行金属板组成的电容器，其电容值为 C=s/4kd； (2-1)式中S两个极板相对有效面积；d两个极板间的距离；两个极板间介质的介电常数。于是根据其计算

20、公式知道，、s、d参量可以导致电容值发生变化。那么电容式传感器就可归纳为变极距型、变面积型和变介电常数型传感器。但是由于本课题的要求是满足位移测量，所以综合考虑只能采取变面积型传感器来实现本课题设计。在变面积式电容传感器中，单极式电容表达式简写为 C=s/ d (2-2)假设初始电容值为 C0=s0/d； (2-3)其中 s0=a*L。 (2-4) 当极板之间发生相对移动a时，传感器的电容为 C=（a-a）*L/ d (2-5)于是可求得 C= C0- C=a*L/ d (2-6)其灵敏度为 C/a=*L/ d (2-7)所以由上述可得电容式位移传感器灵敏度为常数，线性度10良好。由电容的变面

21、积式结构图2-1可知单独的两块金属极板能够发现，我们在测量的时候只能够测得在极板宽度为a的长度范围之内，其测量局限性很大。为了实现较小位移和较大位移的测量，我们提出了并排梳齿式的容栅结构11。由于要满足其微量位移的高精度测量，我们需要将单位宽度的容栅极板进行细分。能够引起细微变化的宽度为a的极板设置为动极板，宽度为b的极板设置为定极板如图2-2所示。其中：a、b容栅极板宽度；L容栅极板长度。图2-1 电容极板结构图2-2 容栅结构2.1.2 尖脉冲信号的提出由U=Q/C可知电容传感器是通过电容量的变化从而引起地电压信号的变化。本设计的研究也不例外需要对电信号的探究。由于电容是需要高频交流信号激

22、励才能够工作，故我们在此就以正弦信号作为激励信号。其数字化提出的依据如下几点：（1） 我们知道模拟信号的优点是直观且容易实现。但是在一些比较复杂的系统内，其信号传递过程中的保密性和抗干扰能力非常差。尤其是在我们提出的容栅结构中，随着测量位移的移动，信号可能受到的扰动情况是非常大。而数字信号就克服了模拟信号的弱电。于是在我们设计的系统里就需要尽可能的转换成数字信号。（2） 在测量过程中，传感器的激励信号如图2-3所示。传感器的栅极板移动过程中的输出信号如图2-4所示。通过信号的输出形式不难发现，信号虽然幅值在发生变化，但是其频率和激励信号的频率没有发生变化。在整个栅极板移动中，其位移量和频率存在

23、一定的数学关系，于是我们可以从信号的频率着手。通常频率的测量有计数法和周期法。前面考虑到模拟信号的不稳定性，所以综合分析采用计数法测量频率。然而信号的计数就需要涉及尖脉冲12或者上升沿下降沿触发计数。参考光栅的测量系统，我们运用尖脉冲计数法计数。图2-3输出波形图2-4栅极板输出波形综上所述，整个测量系统贯穿的测量信号围绕数字信号处理方向设计。下面将具体讲述到设计方案的具体内容。2.2 容栅位移传感器测量系统的总体设计方案在2.1中提出了容栅位移传感器的两大关键因素：容栅结构、信号的数字化处理。由于在直线位移测量过程中，容栅的动栅栅极板以外界实物的尺寸大小移动，通过电容耦合效应将实际物体的尺寸

24、数据以电信号的形式输出。信号的传导是极其微弱，而且极易受到外界干扰。如果有效信号不能得到保护和辨识，其智能化测量是无意义的。于是需要将微弱的信号经过合适的仪用放大器放大后利于后面的信号处理。但是普通的信号是不能被该测量系统所利用的。因为在测量过程中，涉及到动栅移动的方向性，这样就会导致测量的结果多变，所以为了得到正确可靠的测量结果，首先就得需要如何解决位移的辨向。在辨向处理方法中，我们就参照光栅传感器的信号处理方法。于是需要将放大的信号进行方波整形和微分最终得到便于识别方向性的尖脉冲信号。在得到的尖脉冲信号之后通过触发器和可逆计数器对其信号进行捕捉。最后将获取的计数值通过微处理器处理运算，最终

25、得到测量的数据结果。其总体设计思路框图如图2-5所示。图2-5结构设计框图2.3 容栅位移传感器测量系统各单元原理设计容栅数显卡尺动尺和定尺的结构和安装示意图如图所示。图中动尺上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的发射极片1, 2, 38, 用E 表示, 公共接收极为R , 定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M 1,M 2, 电极片间互相电绝缘。动尺和定尺的电极片面相对, 平行安装。当发射电极片1, 2, 8分别加以激励电压E 1, E 2, E 8时, 通过电容耦合在反射极片上产生电荷, 再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。由于本设计是微位移测量方法的研究，只要能

26、够清晰的反应微量位移的信号变化情况，就达到了测量的目的。为此，我们设想在移动过程中得到连续变化的信号，就采用三极板式容栅采集信号，如图2-6所示。图2-6容栅传感器结构示意图和安装图在设计中考虑到容栅是基于电容的基本原理。电容具有隔断直流阻碍低频信号的作用。于是为了提供较为稳定的测量信号，需要给极板加以稳定的正弦激励信号,其波形图如图3所示。因此在动极板移动的过程中，正弦信号不断发生变化(幅值变化，频率不变)，其检测到的信号变化过程为如图2-7所示。图2-7发射极板的正弦激励信号由于在接收极，我们引出了4路信号。然而在这四路输出信号，信号没有发生太大变化，只是极板位置相对发生平移，从而导致输出

27、信号发生相应平移，也即相位移动。其输出情况为下图2-8所示。图2-8容栅位移传感器移动过程中各路采集信号的输出变化情况2.3.1 输出信号的整形由于容栅的原理是基于电容变面积式，所以容栅的输出信号推到： U=Q/C; (2-8) C=s/4kd； (2-9) S=VL; (2-10) U=（4kd Q/L）*1/V; (2-11)U栅极板电压；Q栅极板电量；C栅极板电容量；S栅极板正对面积；d定栅和动栅的间距；V测量移动速度；L动栅极板长度；于是容栅位移传感器输出的电信号就与移动速度成反比例函数。由于在测量的过程中，很难把握其拉动动栅尺的速度，导致信号放大后输出的复合波形很难定量测定。所以通过

28、输出的信号发现，在整个过程中，测量信号的频率始终和发射极的信号保持一致。于是，只要能够把频率测量出来，也即可以通过频率间接对应测量的微小位移量。 在我们所学的知识中，能够易于测量频率，只需将信号转换成便于计数的信号。于是可以从尖脉冲信号着手。为了得到脉冲信号，需要将采集的信号经TL082整形成方波信号。其整形后的波形如图2-9所示。图2-9整形后的方波波形2.3.2信号的细分处理由检测到的信号为如上图2-9所示，为了得到测量所需的数据，就需要对采集的信号采取一定的整形措施。为此我们可采用脉冲计数的方式进行测量。于是，我们首先对信号放大微分整形后得到尖脉冲。对获得的尖脉冲进行细分。其中各通道的输

29、出信号分别代表栅极板1、2、3、4的变化情况。通道1与通道2信号经过与门电路1输出；通道2与通道3信号经过与门电路2输出；通道3与通道4信号经过与门电路3输出.如图2-10所示。图2-10细分处理后的尖脉冲信号2.3.3 容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案 图2-11辨向电路各点信号波形由图2-11可知向左移时，U1/信号从一开始就是高电平，而U/信号开始为为底电平，通过或门电路Y1，可使U1/信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现加计数。向右移时，U/信号开始就为高电平，而U1/信号开始为低电平，通过或门电路Y2，可使U/信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现减

30、计数。以通道1和通道2的信号作为参照标准。其辨向原理如图2-12所示。 图2-12辨向电路原理框图由获得的尖脉冲信号可进行如下计数来达到测量。 X(x)=（M+(N-A)+(P-B)+(Q-C)）*W/K. (2-12)其中：X(x)-容栅位移传感器位移量;M-通道1脉冲计数值;N-通道2脉冲计数值;P-通道3脉冲计数值;Q-通道3脉冲计数值;A-与门电路1输出端脉冲计数值;B-与门电路1输出端脉冲计数值;C-与门电路1输出端脉冲计数值;W-栅极板间的宽度尺寸;K-单位周期内尖脉冲个数。2.3.4 栅极板结构尺寸设计为了达到其精度要求，除了采取细分提高分辨率的同时需要对激励信号给以适当设置。由

31、W/K可知在加工技术难以达到的前提下，可对激励信号频率进行调整，从而达到调节K值，以实现对W/K的精度的调整。W值一般设置在10mm20mm之间即可。K值通过频率调节，使之在200HZ以上即可。因此，我们在设计系统时钟时采用1KHZ的晶振频率。本课题提出的精度要求为实现高精度分辨率达到0.1mm。在测量过程中为了达到精度要求我们需要对极板和极板间的宽度尺寸加以设计。当静止时，动栅极板相对于定栅极板不动。此时通过放大器输出的正弦信号和原发射极提供的正弦信号完全相同（振幅和频率），在此，我们通过比较器LM339对信号进行屏蔽。当动栅极板相对于定栅极板移动时，放大器中输出的信号为周期变化的类似正弦信

32、号。由于比较器LM324的作用使变化的信号通过并进入下一级电路处理转换。但是此信号的频率没有发生根本性的改变，于是可以通过频率间接转化位移量。假设在一个周期变化的信号中，测得频率变化K次。于是K W（定极板宽度）W的宽度在一般的生产制造过程中可以达到mm级。为了降低在生产过程中的宏观难度，所以我们在信号处理中可达到相同效果。于是我们根据上面 推到的公式 X(x)=（M+(N-A)+(P-B)+(Q-C)）*W/K (2-13)不难发现，单位脉冲位移当量S=W/K。只要S的分辨率达到0.1mm级就可实现任务要求。所以，我们可设置定栅极栅宽W=50mm，频率K=1KHZ。也即S=0.05mm实现了

33、0.1mm级以上的高精度测量。为了便于设计简单易操作，我们在信号处理中引出四路信号，于是动栅极板间距D=W/4.各极板尺寸如图2-13所示。图2-13栅极板宽度尺寸 2.4 本章小结整个测量系统的原理的掌握是完成本设计任务的重点。因此，本章节主要系统的阐述了各个部分的原理要素，充分的理解设计要领。只有完成了各部分的工作原理分析和论证，才能够更好的为系统各单元电路的设计做好理论铺垫。3容栅位移传感器测量系统硬件电路设计任何一种测量系统，无论是如何的简单，都有其基本的结构框架。容栅位移传感器测量系统设计，可以看成是一种智能化仪器设计的整体体现。任何一种高度智能化的设备都离不开硬件电路的支撑。下面我

34、们就主要讲述各单元模块的基本方案设计。3.1 测量系统硬件电路总体设计方案由于整个测量过程中都贯穿着弱电信号。通过传感器采集电路输出的信号非常微弱。因此常规的思维是将其放大处理。再次，处理的信号能否得到有效利用需要进一步考究。通过前面章节的讨论，知道脉冲信号才是我们最终需要的理想信号。于是，放大的信号需要整形和微分处理。最终将处理的尖脉冲信号送入微处理器进行相应的运算和驱动显示。其硬件电路总体设计框图如图3-1所示。 图3-1硬件电路总体设计框图智能化仪器都是借助微处理器为中心的。因为微处理器在处理各种动态响应的时候具有快速、灵活、高效的特点。所以容栅位移传感器测量系统也离不开中央处理器作为桥

35、梁。下面就围绕以处理器为中心对各主要单元电路进行相关设计。3.2 微处理器的选择LPC2138在测量系统的设计里面需要满足测量过程反应的快速性、稳定性，同时从小型化、低功耗、低成本和保证元件的功能使用最大化考虑。从学生角度考虑ARM7系列芯片是最佳之选。我们在这里就以LPC2138芯片13为平台进行相关设计。LPC2138是基于一个实时仿真和和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器。本带有512KB的嵌入的高速Flash存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规格有严格的控制应用。可使用16位Thumb模式将代

36、码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。由于LPC2138较小的封装和极低的功耗，多个32位定时器，4路10位ADC或8路10位ADC，PWM通道和46个JPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。可理想的应用于小型系统中，宽范围的串行通信接口和片内32KBSRAM使LPC2138非常适用于测量显示系统。为它们提供了巨大的缓冲空间和强大的处理功能。3.2.1 LPC2138引脚描述图3-2 LPC2138芯片引脚图表3-3 LPC2138芯片引脚功能介绍引脚名称引脚号类型描 述P0.0 P0.31I/OP0 口：P0 口是一个32 位双向I/O 口。每个位都有独立的方向控制。有31 个P0

37、 口可用作通用双向数字I/O 口，P0.31 只用作输出口。P0口管脚的操作取决于管脚连接模块所选择的功能。P0.24 不可用。P0.019OOTxD0UART0 的发送器输出PWM1脉宽调制器输出1P0.121 IOIRxD0UART0 的接收器输入PWM3脉宽调制器输出3EINT0外部中断0 输入P0.222 I/OISCL0I2C0 时钟输入/输出。开漏输出CAP0.0定时器0 捕获输入0P0.326 I/OOISDA0I2C0 数据输入/输出。开漏输出MAT0.0定时器0 匹配输出0EINT1外部中断1 输入P0.427 I/OIISCK0SPI0 串行时钟，主机输出或从机输入的时钟C

38、AP0.1定时器0 捕获输入0AD0.6A/D 转换器0 输入6。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.529 I/OOIMISO0SPI0 主机输入/从机输出，从机到主机的数据传输MAT0.1定时器0 匹配输出1AD0.7A/D 转换器0 输入7。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.630I/OIIMOSI0SPI0 主机输出/从机输入，主机到从机的数据传输CAP0.2定时器0 捕获输入2AD1.0A/D 转换器1 输入0。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.731IOISSEL0SPI0 从机选择，选择SPI 接口用作从机。PWM2脉宽调制器输出2EINT2外部中断2 输入P0.833

39、OOITxD1UART1 的发送器输出PWM4脉宽调制器输出4AD1.1A/D 转换器1 输入1。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.934IOIRxD1UART1 的接收器输入PWM6脉宽调制器输出6EINT3外部中断3 输入P0.1035OIIRTS1UART1 请求发送输出CAP1.0定时器1 捕获输入0AD1.2A/D 转换器1 输入2。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.1137III/OCTS1UART1 的清零发送输入CAP1.1定时器1 捕获输入1SCL1I2C1 时钟输入/输出。开漏输出P0.1238IOIDSR1UART1 的数据设备就绪输入MAT1.0定时器1 匹配输

40、出0AD1.3A/D 转换器1 输入3。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.1339OOIDTR1UART1 的数据终端就绪输出MAT1.1定时器1 匹配输出1AD1.4A/D 转换器1 输入4。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.1441III/ODCD1UART1 数据载波检测输入EINT1外部中断1 输入SDA1I2C1 数据输入/输出。开漏输出P0.1545IIIRI1UART1 铃声指示输入EINT2外部中断2 输入AD1.5A/D 转换器1 输入5。该模拟输入总是连接到相应的管脚。P0.1646IOIEINT0外部中断0 输入MAT0.2定时器0 匹配输出2CAP0.2定时器0

41、 捕获输入2P0.1747II/OOCAP1.2定时器1 捕获输入2SCK1SSP串行时钟，主机输出或从机输入的时钟MAT1.2定时器1 匹配输出2P0.1853II/OOCAP1.3定时器1 捕获输入3MISO1SSP 主机输入/从机输出，从机到主机的数据传输MAT1.3定时器1 匹配输出3P0.1954OI/OIMAT1.2定时器1 匹配输出2MOSI1SSP主机输出/从机输入，主机到从机的数据传输CAP1.2定时器1 捕获输入2P0.2055OIIMAT1.3定时器1 匹配输出3SSEL1SSP从机选择，选择SSP 接口用作从机。EINT3外部中断3 输入P0.211OIIPWM5脉宽调

42、制器输出5AD1.6A/D 转换器1 输入6。该模拟输入总是连接到相应的管脚。CAP1.3定时器1 捕获输入3P0.222IIOAD1.7A/D 转换器1 输入7。该模拟输入总是连接到相应的管脚。CAP0.0定时器0 捕获输入0MAT0.0定时器0 匹配输出0P0.2358I/O通用数字输入/输出口。P0.3015IIIAD0.3A/D 转换器0 输入3。该模拟输入总是连接到相应的管脚。EINT3外部中断3 输入CAP0.0定时器0 捕获输入0P1.2528IEXTIN0外部触发输入。带内部上拉的标准I/O 口。RESET57I外部复位输入：该管脚的低电平将器件复位，并使I/O 口和外围功能恢

43、复默认状态，处理器从地址0 开始执行。带迟滞的TTL 电平，管脚可承受5V 电压。XTAL162I振荡器电路和内部时钟发生器的输入。XTAL261O振荡放大器的输出。RTXC13IRTC 振荡电路的输入。RTXC25ORTC 振荡电路的输出。VSS6,18,25,42 50I地：0V 参考点。VSSA59I模拟地：0V 参考点。标称电压与VSS 相同，但应当互相隔离以减少噪声和故障。VDD23,43 51I3.3V 电源：内核和I/O 口的电源电压。VDDA7I模拟3.3V 端口电源：标称电压与VDD 相同，但应当互相隔离以减少噪声和故障。该电压也用来向片内PLL 供电。VREF63IA/D

44、转换器参考电压：标称电压与VDD 相同，但应当互相隔离以减少噪声和故障。该管脚的电平用作A/D 和D/A 转换器的参考电压。VBAT49IRTC 电源：RTC 的3.3V 电源端。3.2.2 LPC2138晶振电路设计LPC2138芯片可使用外接晶振电路产生时钟。硬件连接如图3-4所示。据相关资料显示说明 ，微处理器内部电路只允许提供的振荡频率范围在1K30MHZ之间。同时在容栅位移传感器的栅极板发射极需要外部提供频率为1KHZ的正弦信号，故可选取晶振频率为1KHZ，由于芯片内部已经集成了反馈电阻，所以只需在外部连接一个晶体和电容C2、C3就形成了基本模式的振荡。外部晶振两端线路应连接在LPC

45、2138芯片的RTXC1引脚，即排线管脚的3号引脚。图3-4晶振电路3.2.3 LPC2138复位电路设计一些微控制器在上电时会产生复位信号，但大多数控制器需要外部输入复位信号。对于我们所设计的测量系统，通常会对物体的测量完毕之后动栅极板需要归零位，但是由于系统误差的原因，可能显示数据与动栅极板的零点不对应，于是，需要外接强制复位电路对数据进行校准归零。这一动作会使微控制器初始化恢复为某种状态。也即这一信号的稳定性和可靠性对微控制器有着重要的作用。其SP708S芯片管脚RST连接LPC2138芯片的P1.25管脚，也即外部排线管脚28管脚。我们在测量实物的时候，经常性的带动动栅极板运动并且移动

46、速度不稳定，从而产生测量过程中输出信号的波动，使得整个信号处理系统极为不稳定，于是SP708S芯片属于微控制器监控器件，可有效的监测处理系统和供电功能，从而提高系统的可靠性。其复位电路如图3-5所示。图3-5外部复位电路3.2.4 LPC2138电源电路设计电源系统为整个系统的基本工作平台，非常重要。设计电源电路必须要注意输出的电压、电流、功率；输入的电压、电流、功率；电磁抗干扰性能；体积限制；功耗标准；成本控制。于是采用SPX1117M3-3.3稳压电源芯片可给系统提供稳定的电源电压。提供电源的管脚连接LPC2138芯片的VDD23、43、51引脚。其电路图如图3-6所示。图3-6电源电路

47、3.2.5 LPC2138显示电路设计由于设计最终是通过数字形式显示测量结果的，所以我们运用LPC2138智能化显示系统来对测量数据进行显示。LM032L的LCD芯片工作温度在0 40C范围之内，存储温度在-20C 60C范围之内，很适合我们在测量环境下的正常工作。所以选择LM032L作为显示芯片。LM032L芯片与LPC2138芯片的显示电路连接如图3-7所示。（LM032L芯片的参数指标见附录3LM032L）图3-7显示电路3.3 LPC2138外围信号处理电路模块设计在电路设计部分，主要是针对采集信号的处理。处理中首先是需要对信号放大，放大后的信号由于不能有效位有序工作做铺垫，根据分析，

48、最终需要得到可计数的信号。就想到采用整形和微分电路。在测量过程中，需要解决的重大问题就是位移的辨向。选取合适的辨向电路可充分运用尖脉冲信号的产生过程，从而实现正逆向位移测量。最后涉及到数据的显示，需要运用到所学的ARM嵌入式系统进行相关编程。下面就主要讲述几大重要模块。3.3.1 放大整形电路模块设计由于采集到的信号极为微弱，因此需要采用放大电路对其信号进行放大处理。放大处理过程中，为了尽量保证信号的准确性，采用仪用放大电路较为合适。因为，仪用放大器有以下几大优点：.非线性度非常好。.温漂小。.放大器引起的电压漂移值小。AD620集成芯片是一款低成本、高精度、底失调电压和低失调漂移的仪表放大器

49、。仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低。于是我们在放大电路中采用AD620集成芯片作为放大器。其外部结构如图3-7所示。图3-7 AD620封装图在制作实物时，2管脚接地处理。将传感器采集的信号送入3管脚进行放大，放大后的信号如图3-8所示。图3-8 放大信号波形由于容栅传感器直接采集的电压信号一般在mV级，我们在测量过程中尽量以V级读取，所以需要对信号的放大的倍数一般在1000倍以上。根据其放大器闭环 增 益表达式： Af=-（1+2 R1/RG）R5/ R4。 (3-1)因此，我们在此设置

50、可变电阻RG 的电阻变化值在010K。R1= R2=100K; R4= R6=1K; R5= R7=100K。电路如图3-9所示。图3-9 仪用放大器电路图在放大后的信号，需要通过过零比较器才能获得方波信号14。LM339在电压比较器芯片中具有一定代表性。因为LM339具有以下特点：（1）电压失调小，一般是2mV；（2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；（3）他对比较信号源的内阻限制很宽；（4）LM339 vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；（5）输出端电位可灵活方便地选用。（6）差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc；所以选择LM339芯片作为过零比较器

51、处理信号。经过LM339处理后的信号如图3-10所示图3-10通道输出的方波信号3.3.2 微分电路模块设计在得到方波信号下，由于最终需要得到有效的信号，于是采用典型的光栅处理方式RC微分将其整形为尖脉冲。其运算微分电路15如下3-11图所示。AD620RR4R3u iu o+C2 图3-11 微分电路原理用虚短和虚断的概念及电容两端电压与电流的关系可得： uo=（1/R3C2）*dui/dt微分运算 (3-2)R4为平衡电阻，R4=R3。在此电路中，由于最后需要的信号为尖脉冲。因此对输出的幅值没有太大影响，所以设置R4、R3为常规值 R4=R3=100K. （3-3）电容值 C2=10F.

52、（3-4）其微分电路如图3-12所示。图3-12 AD620微分电路经过微分处理的信号最终以如图3-13所示的信号形式输入到触发器从而实现计数处理。图3-13 处理后的脉冲信号3.3.3 辨向电路模块设计由上所述可知向左移时，U1/信号从一开始就是高电平，而U/信号开始为为底电平，通过或门电路Y1，可使U1/信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现加计数。向右移时，U/信号开始就为高电平，而U1/信号开始为低电平，通过或门电路Y2，可使U/信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现减计数。以通道1和通道2的信号作为参照标准。其辨向16原理框图如图3-14所示，硬件电路如图3-

53、15所示。（74LS192芯片简介见附录174LS192，74HC74芯片简介见附录274HC74）。图3-14 辨向原理电路模块图图3-15微分辨向电路可逆计数器74LS192的CR端为复位输入端，因此CR端与LPC2138芯片的复位输入端相连。TCU、TCP计数引脚与LPC2138芯片的P0.3即26引脚相连。通过LPC2138芯片内的捕获指令读取计数值。 3.4 本章小结硬件电路是整个设计的重要组成部分。在该测量系统，主要是围绕容栅位移传感器采集输出的信号的处理。没有相关的处理电路是根本无法达到系统的测量要求。本章重点介绍了信号的放大整形和微分处理方法以及测量过程中出现的辨向问题的解决思路，最后讲述了相关的数据通过嵌入式系统的显示输出。总体来讲，基本满足设计任务要求。4系统软件设计现代智能化仪器17很大程度上都依赖于软件系统。在硬件电路的基础上，需要使其完成某种较为复杂化的抽象功能，软件的开发可以说是为解决很多困难奠定了良好的基石。本章围绕测量的计数结果通过Proteus 7.4和VC+6.0 作为开发平台实现数显进行相关阐述。4.1 系统开发平台简介4.1.1 Proteus 7.4简介本系统设计将采用Proteus