USB接口的多功能容柵傳感器測量系統

摘要：根據容柵傳感器的原理與帶USB模塊的C8051F321單片機，設計了一套基于USB接口的測量系統。該系統能實現最大數跟蹤、最小數跟蹤、示值保持和清零等功能，通過USB接口與上位機交換數據。系統中采用LM393芯片將傳感器信號電平轉換為CMOS電平，采用光耦隔離技術等增強系統的抗干擾能力。
關鍵詞：容柵傳感器；電平轉換；C8051F321

引言
容柵測量器具有測量可靠、體積小、功耗低、功能多等特點。隨著測量技術向精密化、高速化、多功能化發展，具有多種優良特性的容柵傳感器應用得越來越廣泛。由于容柵傳感器數據的傳輸多采用RS232／RS485總線方式，而USB總線方式方便、高效，并有取代串口通信方式的趨勢，因此設計一款帶USB接口的容柵傳感器測量系統具有實際應用價值。

1 容柵傳感器測量原理
容柵傳感器的工作原理是根據平板電容理論而來。一般容柵傳感器的結構包括動柵板和定柵板。動柵板包含發射極和接收極，定柵板包含反射極。反射極分別和發射極、接收極形成平板電容器。通過在發射極上施加n相激勵信號，反射極將此信號反射到接收極，隨著動柵板的移動，接收極的感應信號的幅度變化不大，而相位變化與位移量成一定函數關系：
θ(x)=arctan[(1-2x／w)／(1+√2)] (1)
其中，x為位移量，w為小發射極寬度。當位移發生一個w寬度變化時，接收極產生360°／n的相差。設激勵信號的周期為T，則有：
T=N·β (2)
式中：β為最小計時單位，N為常數。而每周期代表位移量為L(本系統為0．508 mm)，在每周期中β代表一個小相位，則一個周期被分解為N個小相位，每個小相位代表位移量即最小分辨率：
△l=L／N (3)
本系統N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對于最大測量速度Vmax，因為在一個周期內最多能分辨N個相位，所以有：
Vmax=L／T (4)

2 系統硬件設計
2．1 C8051F321芯片介紹
C8051F321片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其他數字外設，采用交叉開關實現I／O端口的靈活配置，自帶USB2．0收發器、控制處理器和內部上拉電阻，可在全速(12MHz)或低速(1.5MHz)下運行，支持8個靈活通用的USB端點，內置1K的USB專用緩沖寄存器。
2．2 傳感器信號處理模塊設計
容柵傳感器接口為B531，信號線有4根：電源線(1．5 V)、地線(0 V)、時鐘線(CK)、串行數據線(DATA)，并且通過控制CK、DATA信號線的電平可以實現容柵傳感器的不同功能比，如最大值跟蹤、最小值跟蹤、數據保持和清零等。
由于容柵傳感器內部的專用控制芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而后續數據采集系統工作電壓為5 V，要進行數據交換則必須進行電平轉換，電平轉換原理圖如圖1所示。電路中采用LM393芯片轉換電壓，LM393芯片實質上為2個比較器，比較電壓為容柵傳感器工作電壓的一半左右，設為0．6V。通過比較電壓0．6V與CK和DATA信號線電平比較，即可將CK、DATA信號線的電壓轉換為0V或者5V。

2．3 硬件抗干擾電路設計
由于系統經常工作在工業現場等領域，各種電磁干擾很常見，為了使系統能穩定工作，采用光耦隔離技術將傳感器和單片機隔離。光耦隔離原理圖如圖2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦，輸出引腳OUT1和OUT2經過上拉電阻處理后，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機處理。