中心議題：

• USB接口的多功能容柵傳感器測量係統

解決方案：

• 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係統的抗幹擾能力

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。由於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，並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係統具有實際應用價值。

1 容柵傳感器測量原理
   
容rong柵zha傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo原yuan理li是shi根gen據ju平ping板ban電dian容rong理li論lun而er來lai。一yi般ban容rong柵zha傳chuan感gan器qi的de結jie構gou包bao括kuo動dong柵zha板ban和he定ding柵zha板ban。動dong柵zha板ban包bao含han發fa射she極ji和he接jie收shou極ji，定ding柵zha板ban包bao含han反fan射she極ji。反fan射she極ji分fen別bie和he發fa射she極ji

、接收極形成平板電容器。通過在發射極上施加n相xiang激ji勵li信xin號hao
，反fan射she極ji將jiang此ci信xin號hao反fan射she到dao接jie收shou極ji

，隨sui著zhe動dong柵zha板ban的de移yi動dong，接jie收shou極ji的de感gan應ying信xin號hao的de幅fu度du變bian化hua不bu大da，而er相xiang位wei變bian化hua與yu位wei移yi量liang成cheng一yi定ding函han數shu關guan係xi：
    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(本係統為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)
    本係統N為512，即最小分辨率約為0．001 mm。對於最大測量速度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 係統硬件設計

2．1 C8051F321芯片介紹
   
C8051F321片內集成了數據采集和控製係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、控製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專用緩衝寄存器。

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)、時鍾線(CK)

、串行數據線(DATA)
，並且通過控製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。
   
由於容柵傳感器內部的專用控製芯片輸出的信號電壓為1．5 V，而後續數據采集係統工作電壓為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。


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2．3 硬件抗幹擾電路設計
   
youyuxitongjingchanggongzuozaigongyexianchangdenglingyu
，gezhongdianciganraohenchangjian

，weileshixitongnengwendinggongzuo，caiyongguangougelijishujiangchuanganqihedanpianjigeli。guangougeliyuanliturutu2所示。光耦器件采用HCPL2631高速光耦，輸出引腳OUT1和OUT2經過上拉電阻處理後

，將CK2和DATA2信號傳輸給C8051F321單片機處理。
3 係統軟件設計

3．1 數據采集程序
   
容柵傳感器時序圖如圖3所示。其中包含3個CK信號說明和1個DATA信號說明。CK(a)表示要發送的完整數據間的時序關係；CK(b)表示一個完整數據內部各個數據組的時序關係；CK(c)和DATA表示一個數據組內的時序關係和對采樣點的說明。由圖可知數據每隔250 ms發送一次
，在時鍾CK的上升沿數據有效。數據由LSB到MSB依次發送，總共24位二進製數據，分成6組
，每組數據間隔820μs。其中前5組為數據位
，第6組為控製位組(包含符號位和公英製位)，控製位組的第0位的“0”表示正數，“1”表示負數，第3位“0”表示公製單位mm，最小單位0．01 mm，“1”表示英製單位inch，最小單位0．000 5 inch，x表示無效。為了能夠實時采集數據，采用中斷方式檢測CK信號
，邊沿觸發。檢測CK信號的高電平持續超過820μs時，當出現下降沿時觸發中斷，進入中斷程序
，再持續檢測低電平直到出現上升沿，讀取DATA信號電平並存儲
，總共采集24位。返回主函數根據符號位和公英製位進行相應處理。相關程序代碼如下： 3．2 USB程序
   
因為C8051F321的USB模塊高度集成化，所以對USB接口的設計主要是USB固件程序的設計。其中最重要的是USB描述符和USB傳輸中斷的處理。當USB中斷到達時，C8051F321首先讀取3個中斷寄存器(CMINT、IN1INT和OUT1INT)來判斷中斷來源(USB複位中斷、端點0中斷、端點1輸入中斷、端點2輸出中斷)，然後跳入相應的處理模塊進行處理。USB中斷程序流程如圖4所示。 [page]
端點0主要用於主機對USB設備的配置

、狀態信息的獲取和設備錯誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控製輸出和控製輸入2部分組成。每次傳輸由設置事務開始
，然後根據設置事務數據包中的USB標準命令請求判斷該次傳輸是控製輸入還是控製輸出。USB複位中斷將相關USB變量
、寄存器和各端點的狀態恢複為初始狀態。端點1輸入中斷和端點2shuchuzhongduanjunweipiliangchuanshuzhongduan
，qizhuyaozuoyongshizaishoudaozhongduanshi，zaigeziyudingyihaodehuanchongquzhongxieruyaochuanshugeizhujideshujuhuoduquchuanshuguolaideshuju。

3．3 主程序
   
係統程序主要包括主程序、時鍾初始化子程序、端口初始化子程序、USB控製器配置初始化子程序、延時子程序
、采集數據中斷子程序
、USB中斷子程序和附加功能子程序。由於采集數據實時性要求比較高，所以將采集數據中斷設為高優先級。
   
附加功能子程序包括正常計數
、數據保持、最大值跟蹤、最小值跟蹤和清零的功能。對附加功能的實現均是通過控製CK和DATA信號線完成
，附加功能轉換流程如圖5所示。給CK信號線一個負脈衝，即可完成清零操作
；在正常計數狀態下將DATA信號線置為高電平
，容柵傳感器將進入保數功能
；如果再將CK信號線置為低電平
，容柵傳感器進入最大值跟蹤功能；內部專用芯片將用新測得的數據與上一個數據進行比較
，如果新測得數據大
，則替換掉
，否則丟棄。可以在上位機上通過USB測ce試shi軟ruan件jian發fa送song相xiang關guan命ming令ling來lai控kong製zhi係xi統tong進jin行xing操cao作zuo。程cheng序xu中zhong設she定ding一yi個ge字zi節jie的de變bian量liang來lai存cun放fang從cong上shang位wei機ji接jie收shou到dao的de命ming令ling，當dang判pan斷duan是shi其qi中zhong的de一yi個ge命ming令ling時shi就jiu調tiao用yong相xiang應ying的de處chu理li程cheng序xu完wan成cheng操cao作zuo。 3．4 軟件抗幹擾
   
環境的幹擾使單片機程序很容易“跑飛”，為了控製程序正常運行，除了硬件上使用光耦隔離技術之外，軟件上可采用設置“軟件陷阱”的de辦ban法fa來lai將jiang跑pao飛fei的de程cheng序xu拉la入ru正zheng常chang軌gui道dao，即ji在zai程cheng序xu代dai碼ma空kong間jian使shi用yong跳tiao轉zhuan指zhi令ling將jiang跑pao飛fei的de程cheng序xu拉la到dao程cheng序xu執zhi行xing的de開kai始shi位wei置zhi，具ju體ti操cao作zuo方fang法fa是shi在zai所suo有you未wei被bei使shi用yong的de代dai碼ma空kong間jian處chu寫xie入ru“LJMP 0000H”指令。另外，可利用單片機自帶的“看門狗”功能看住程序，一旦程序跑飛，看門狗將強製單片機複位。也就是說，在程序代碼中每隔一定時間就設置一個“喂狗指令”

，清除看門狗計時器值
，不讓其達到最大值而發出複位信號。

結語
   
使(shi)用(yong)主(zhu)機(ji)上(shang)的(de)軟(ruan)件(jian)測(ce)試(shi)出(chu)該(gai)係(xi)統(tong)軟(ruan)硬(ying)件(jian)能(neng)夠(gou)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)地(di)運(yun)行(xing)，點(dian)擊(ji)測(ce)試(shi)軟(ruan)件(jian)的(de)相(xiang)關(guan)功(gong)能(neng)按(an)鈕(niu)
，容(rong)柵(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)完(wan)成(cheng)相(xiang)應(ying)的(de)功(gong)能(neng)操(cao)作(zuo)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)RS232／RS485tongxinfangshixiangbijiao，gaifanganjiejuelebudaichuanxingtongxinfangshideshangweijidetongxinxiannan
，kangganraonengligengqiang，weixitongtigonggengwendingdedianyuan，shiyongyueliehuanjingxiadegongyexianchangdegaojingduceliang。