0 引言

    電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量中。但在以往的應(yīng)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(hào)處理電路被設(shè)計(jì)得結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積偏大、耗電量大，以至于影響了它的應(yīng)用。木文介紹了一種新的電感傳感器信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)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�成在一塊PCI卡上，利用PCI總線將采集的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中.再通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出相應(yīng)結(jié)論。該信號(hào)采集卡解決了以往設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不便的問題，實(shí)現(xiàn)了電感傳感器信號(hào)處理電路的小型化。

1 整體結(jié)構(gòu)

    該信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)卞要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)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(dòng)程序。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

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(duì)傳感器反饋信號(hào)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(gòu)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(hào)中的干擾，信號(hào)采集卡上設(shè)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(hào)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(jì)算機(jī)通過PCI總線控制，最大可提供200倍的衰減。衰減后的信號(hào)將進(jìn)入相敏檢波環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)采用的是開關(guān)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(hào)是利用模擬開關(guān)CD405 3生成的。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了CD4053導(dǎo)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(yùn)動(dòng)。所以，檢波后的信號(hào)還需通過低通濾波器來濾除信號(hào)中的高頻成份。木設(shè)計(jì)中低通濾波環(huán)節(jié)采用了兩個(gè)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(zhuǎn)換便可利用AD574進(jìn)行采樣了。采樣時(shí)鐘部分卞要利用了一片2051單片機(jī)。它可根據(jù)PCI總線的命令發(fā)出4種不同的采樣時(shí)鐘以適應(yīng)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(fù)雜性，其接口的實(shí)現(xiàn)比ISA等總線要困難得多。目前，PCI總線接口電路的實(shí)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(shè)計(jì)方法，利用PLX公司的PCI9052來實(shí)現(xiàn)PCI接口電路的設(shè)計(jì)。

    PCI9052是PLX公司開發(fā)的低價(jià)位PCI總線目標(biāo)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(gòu)成。其的局部總線(Local Bus)可以通過編程設(shè)置為8,16,32位的(非)復(fù)用總線。它的卞要特點(diǎn)是當(dāng)工作在ISA模式時(shí)可實(shí)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(shí)現(xiàn)的，電路示意圖如圖2PCI9052左邊上半部分與PCI總線相對(duì)應(yīng)，左卜部分與儲(chǔ)存配置信急的EEPROM(93CS46)相對(duì)應(yīng)，而右邊則是局部總線外部電路。當(dāng)PCI9052工作在ISA模式時(shí)，其局部總線時(shí)鐘端口需接8M晶振。ORD是I/0空間讀信號(hào);IOWR是I/0空間寫信號(hào);LAD[7：0]是8位數(shù)據(jù)總線;ISAA[1:0]相當(dāng)于LA[1:0]，它和LA[23:2]一起進(jìn)行地址譯碼。鎖存器組中包括4個(gè)鎖存器。其中，2個(gè)為輸入鎖存器(74LS244)，分別用來鎖存AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果和采樣時(shí)鐘信號(hào);另2個(gè)為輸出鎖存器(74LS273),用以完成對(duì)AD、采樣頻率、多路轉(zhuǎn)換器和繼電器的控制。4個(gè)鎖存器的片選信號(hào)是由地址信號(hào)ISAA[1:0],LA[2]經(jīng)74LS138譯碼，再與相應(yīng)的I/O空間讀寫信號(hào)一起經(jīng)74LS32后產(chǎn)生的。當(dāng)然，要實(shí)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(shè)計(jì)中，設(shè)備號(hào)DID為0x5201，制造商VID為Ox10B5，子設(shè)備號(hào)SDID為0x9050，子制造商SVID為Ox10B5，設(shè)備類型號(hào)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(gè)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(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同鎖存器的訪問，完成了對(duì)硬件信號(hào)采集卡各部件的控制和對(duì)AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及采樣時(shí)鐘信號(hào)的讀取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了PCI總線與局部總線間的通信。

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

    在Windows2000操作系統(tǒng)卜PCI總線的馭動(dòng)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(yīng)用程序不再允許通過簡(jiǎn)單的I/0、內(nèi)存讀寫命令直接操縱硬件設(shè)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(duì)應(yīng)用程序訪問硬件資源進(jìn)行了限制。只有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才可以直接訪問硬件設(shè)備。

    編寫驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)程序方便的想法，木設(shè)計(jì)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(gè)HOST API函數(shù)庫(kù)。其中有很多API函數(shù)，如P1xPciDeviceFind ( ) ,P1xPciDe-vice0pen等，可供開發(fā)者使用。對(duì)于PCI總線設(shè)備，其馭動(dòng)程序的基木任務(wù)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(duì)應(yīng)的PCI基地址，接下來根據(jù)要求對(duì)這個(gè)基地址進(jìn)行操作。編寫時(shí)，考慮到有的API函數(shù)調(diào)用起來非常復(fù)雜，為了提高程序的通用性和靈活性，將這些函數(shù)進(jìn)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(dòng)打交道的函數(shù)，對(duì)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(hào)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換搭建了一個(gè)橋梁。應(yīng)用程序只要通過調(diào)用這些函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和指令的發(fā)送。

4 實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)是通過將木信號(hào)采集卡和LDDM-102型電感測(cè)位儀作比對(duì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行的。測(cè)位儀的分辨率為0.1 μm。表1列出了±20 μm的量程內(nèi)，對(duì)10個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行比對(duì)的數(shù)據(jù)。表2是信號(hào)采集卡測(cè)量重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從中可以看出，木文研制的電感傳感器信號(hào)采集卡的示值與LDDM-102示值基木一致，達(dá)到了一定的精度，同時(shí)也表現(xiàn)出了較好的重復(fù)性。

5 結(jié)論

    目前，國(guó)內(nèi)的測(cè)量行業(yè)使用的電感傳感器信號(hào)采集裝置多是和計(jì)算機(jī)相分離的獨(dú)立裝置。而木設(shè)計(jì)在保證了測(cè)量精度的前提卜由于使用了PCI總線，使得整個(gè)裝置體積更小，使用更方便。實(shí)驗(yàn)證明該信號(hào)采集卡性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性測(cè)量，若配以不同的電感傳感器可用于多種場(chǎng)合，具有很好的市場(chǎng)前景。

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本文標(biāo)題：基于PCI總線的電感傳感器信號(hào)采集卡的研制

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