基于ARM的直线式时栅位移传感器A／D转换电路设计
２０１５年 第１期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１５
Ｎｏ畅１
基金项目：国家自然科学基金（编号５１２７５５５１）资助项目；重庆市自然科
学基金（编号ｃｓｔ２０１２ｊｊＡ４００６２）资助项目收稿日期：２０１４－０１－２０ 收修改稿日期：２０１４－１１－０６
基于ARM 的直线式时栅位移传感器A ／D 转换电路设计
张天恒，黄 沛，王先全，武 亮，鲁 进
（重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054） 摘要：利用时空转换思想，以时间基准测量空间位移量，设计了基于ＡＲＭ的直线式时栅传感器Ａ／Ｄ转换电路。采用ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＶＧＴ６型ＡＲＭ处理器与ＡＤ７２９８ＢＣＰＺ型１２位Ａ／Ｄ转换芯片相结合，利用嵌入式Ｌｉｎｕｘ实时操作系统的移植，使得系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明：设计的Ａ／Ｄ转换电路，最小分辨时间为２畅４４ｎｓ．能够更好的实现传感器的高速、高分辨率采样，实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿，为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。
关键词：ＡＲＭ；Ａ／Ｄ转换；直线式时栅位移传感器；嵌入式操作系统；实时误差修正与补偿中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１５）０１－０００１－０３
Design of A ／D Conversion Circuit for Linear Typed Time
Grating Displacement Sensor Based on ARM
ＺＨＡＮＧＴｉａｎ－ｈｅｎｇ，ＨＵＡＮＧＰｅｉ，ＷＡＮＧＸｉａｎ－ｑｕａｎ，ＷＵＬｉａｎｇ，ＬＵＪｉｎ
（Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment ，Ministy of Education
Chongqing Key Laboratory of Time －Grating Sensing and Advanced Testing Technology
Chongqing University of Technology ，Chongqing 400054，China ）
Abstract ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｉｍｅ－ｔｏ－ｓｐａｃｅｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ，ａｎＡ／ＤｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｕｓｉｎｇＡＲＭｐｒｏｃｅｓｓｏｒｆｏｒｔｈｅｌｉｎｅａｒｔｙｐｅｄｔｉｍｅｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｂｙｔｉｍｅｓｐａｃｅ．Ｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ＡＲＭｐｒｏｃｅｓ－ｓｏｒＳＴＭ３２Ｆ４０ＶＧＴ６ａｎｄ１２ｂｉｔＡ／ＤｃｈｉｐＡＤ７２９８ＢＣＰＺｗｅｒｅｕｓｅｄ，ａｎｄｅｍｂｅｄｄｅｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＬｉｎｕｘｗａｓｔｒａｎｓｐｌａｎ－ｔｅｄ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓ２．４４ｎｓ，ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｓａｍ－ｐｌｉｎｇｉｓｂｅｔｔｅｒ．Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｏｆｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｏｒｅｒｒｏｒａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌｉｎ－ｅａｒｔｉｍｅ－ｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Key words ：ＡＲＭ；Ａ／Ｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｌｉｎｅａｒｔｙｐｅｄｔｉｍｅｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｅｒｒｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄ
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ0 引言
Ａ／Ｄ转换电路是智能仪器的基本部件，直接关系到测量的
准确度、分辨率和速度。在传统的数据采集系统中，Ａ／Ｄ转换器有双积分和逐次逼近式，双积分式虽然精度高，但转换速度较慢；逐次逼近式是一种速度较快，转换时间在１０～１００μｓ之间。数据的转存和模数转换（Ａ／Ｄ）的控制都通过微控制器单元（ＭＣＵ）来完成，这种方式一方面占用太多中央处理器（ＣＰＵ）资源，另一方面远不能满足高速采样的速度要求，因此数据采集系统的性能指标在很大程度上取决于控制器与Ａ／Ｄ芯片的选取
［１］
。
为了使直线式时栅传感器能够更好的实时修正，这就需要采样的数据越多越好。研发高精度直线式时栅传感器的关键技术在于精确实时的测量其目标点，保证时间测量的精度达到纳秒级。如何选用符合要求的控制器与Ａ／Ｄ转换电路来设计数据采集系统达到高速高分辨率的实时数据采集至关重要。
1 直线式时栅传感器的原理
根据“直线型交流电动机”的原理，将交流电机的外壳沿直线展开，就可以进一步设计直线式时栅传感器。
如图１所示，通电后，行波磁场Ｍ起于ｃ点而终于ｄ点，沿着直线每经过时间T ，前进一个节距W ．当行波相继通过动尺ａ和定尺ｂ就会产生具有正弦波特性的电信号，得到瞬时时刻值T ０和T i
［２］
。
图1 直线式时栅传感器原理图
其数学模型为：
x ＝v （T i －T ０）＝v ΔT ＝W T ΔT ＝W
T
∑P t
（１）
式中：x 为测量位移量；v 为速度量；∑P t 是一系列的时钟脉冲
表示时间差ΔT ．
利用对时钟脉冲的计量从而得出空间位移量，由于场式行