C8051F020 在磁致伸縮液位傳感器中的應用

       磁致伸縮液位傳感器是利用智能材料的維德曼(W iedem ann) 效應、維拉里(V iuary) 效應及超聲效應,將液位信息轉換成最易高精度測量的時間量, 來實現對液位、界位的超高精度計量 , 其測量分辨率可以達到甚至優于 0. 1mm。另外因為磁致伸縮液位傳感器幾乎沒有可動的機械部件, 故具有可靠性高、安裝維護方便、適用范圍廣等特點, 是當前最理想的接觸型大罐液位測量裝置之一。作為一種高精度智能型數字傳感器, 要求其核心處理器必須具有速度快、功耗低、運算處理能力強、具有較大的 RAM , ROM 以及掉電不丟失的數據存儲器等特點。同時由于傳感器的主要工作是高精度時間計量, 所以要求M CU 必須具有很好的信號捕捉功能。這些都是傳統 8051 單片機所不能勝任的。美國Cygnal 公司最新推出的C8051F020 系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片 (SoC) , 具有與8051 兼容的高速 CIP - 51 內核, 與M CS- 51 指令集完全兼容, 除具備傳感器所需的全部特性及功能外, 還提供 2 個獨立UA R T , 為傳感器信號遠傳提供了極大的方便。而其具有的片內調試電路, 使得設計人員通過4 腳的 JTA G 接口就可以進行非侵入式、全速的在系統調試。這些特性都使得C8051F020 成為磁致伸縮液位傳感器核心處理器的理想選擇。

1、磁致伸縮液位傳感器工作原理

       磁致伸縮液位傳感器由傳感頭、波導管、磁致伸縮波導絲以及內含磁鐵的浮子組成。工作時, 傳感頭中的脈沖發生器首先在磁致伸縮波導絲上施加一個電脈沖信號, 根據電磁場理論, 此電脈沖同時伴隨一個環型磁場以光速沿磁致伸縮波導絲向下傳遞。當該環形磁場遇到浮子中磁鐵產生的縱向磁場時,將與之進行矢量疊加, 形成一個螺旋形的磁場。根據磁致伸縮原理, 當磁致伸縮材料所處的磁場發生變化時,磁致伸縮材料本身的物理尺寸也會跟著發生變化 ,即維德曼(W iedem ann) 效應。因此當合成磁場發生變化形成螺旋形磁場時, 磁致伸縮波導絲會產生伸縮變形, 而沿螺旋形磁場的伸縮, 將導致波導絲產生扭曲形變, 從而激發扭轉波。該扭轉波沿波導絲以超聲波的形式回傳到傳感頭中的感應線圈時, 將轉換成橫向應力。

       根據維拉里 (V iuary) 效應, 磁致伸縮材料發生物理形變時, 會在此致伸縮材料內引起磁場強度的變化,因此通過傳感器線圈的磁通將發生變化。超聲扭轉波的傳播速度為一常數, 因此只需通過測量從發射電脈沖到檢測到感應電動勢 Ε的時間差 T , 就可根據L = T ·V = T ·GΘ, 精確地計算出浮子的位置。測量精度僅與計時精度相關, 超聲扭轉波的傳播速度一般在 1800～2000m s, 所以當計時精度達到 0. 05Λm 時, 液位儀的測量分辨率就可以達到甚至優于 0. 1mm。

2、C8051F020 功能特性

C8051F020 單片機是完全集成的混合信號系統級M CU 芯片, 與傳統 8051 單片機相比具有以下特性:

12 位ADC

·1L SB INL

·無失碼

·可編程轉換速率最大 100ksp s

·8 個外部輸入可編程為單端輸入或差分輸入

·可編程放大器增益

·數據相關窗口中斷發生器

·內置溫度傳感器

8 位ADC

·可編程轉換速率最大 500ksp s

·8 個外部輸入

·可編程放大器增益

兩個 12 位DAC

·可以用定時器同步輸出產生波形時可避免兩路輸出發生顫抖

兩個比較器

內部電壓基準

精確的VDD 監視器和節電降壓檢測器

片內 JTA G 調試和邊界掃描

·片內 JTA G 調試電路提供全速非侵入式的電路內調試不需要仿真器

·支持斷點單步觀察

·觀察修改存儲器和寄存器

·完全符合 IEEE1149. 1 邊界掃描標準，高速 8051 微控制器內核

·流水線指令結構 70% 的指令的執行時間為一個或兩個系統時鐘周期

·速度可達 25MIPS

·22 個矢量中斷源

存儲器

·4352 字節內部數據 RAM

·64k 字節在系統可編程 FLASH 程序存儲器

·外部并行數據存儲器接口可達 5MB

數字外設

·64 個 IO 口線所有口線均容許 5V 電壓

·可同時使用的硬件 SMBus、I2C, 兼容 SPITM及兩個UART串口

·16 位可編程的計數器定時器陣列帶 5 個捕獲/比較模塊

·5 個通用 16 位計數器定時器

·專用的看門狗定時器雙向復位時鐘源

·內部可編程振蕩器 2～ 16MH z 供電電壓

·2. 7～ 3. 6V

·典型工作電流 10mA @25MH z

·多種節電休眠和停機模式

100 腳 TQFP 封裝有 64 腳的 TQFP 封裝溫度范圍-40~+85℃

3、C8051F020 在磁致伸縮液位傳感器中的應用

       根據磁致伸縮液位傳感器的工作原理, 設計傳感器控制系統結構框圖, C80F020 通過 I管腳, 產生激勵信號, 同時啟動 PCA 計數器, 開始捕捉計數。激勵信號經放大電路以及脈沖激勵電路處理后,形成 1 個激勵脈沖, 施加到磁致伸縮絲上。其返回的扭曲應力信號經逆磁致伸縮換能裝置變換為電脈沖信號后經比較電路整形, 施加在8051F020 的 PCA 捕捉管腳上, 產生捕捉中斷。此時捕捉計數器中的值, 即與液位值相對應。經軟件濾波算法, 計算處理后可得到高精度的液位值。

       本系統利用 C8051F020 豐富的 IO 資源, 可同時提供三種信號遠傳方式。即通過DAC 轉換器的 4～20mA 模擬儀表信號接口、通過UART0的 RS485 數字信號接口以及通過UART1 和TCPIP 協議轉換模塊的基于網絡的數字信號接口。單片機系統采用 3. 3V 電源, 在不啟用通訊功能時, 系統的平均功耗小于10mA。

4、結論

        本文根據磁致伸縮液位傳感器液位測量的實際需要, 選擇美國Cygnal 公司的C8051F020 作為傳感器中央處理器利用其速度快、功耗低、運算處理能力強以及有高速信號捕捉功能等特點, 構成整個傳感器系統, 實現了液位的在線高精度測量。實驗證明, 此設計是行之有效的。