长距离磁阵列位置传感系统自动诊断技术

王 捷，曹大平

（武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072）

1 引言

用于测量直线位置的装置在工业生产领域有广泛的应用，如大型港口机械、重型冶金机械、大型水利机械、工厂生产用航车、大型数控加工设备、大型坐标测量等。但在具有油污、粉尘、振动、或潮湿等应用场合，如原材料生产车间和大型加工车间，传统的以光为传递信号的光栅传感器和以机械接触传动的编码盘等常用位移测量装置在精度、可靠性或使用寿命等方面大大降低[1]。由于磁场的传播不受非磁性实物介质的影响，以磁场作为传递信号的传感器具有独特优势[2-3]。在一个物体上安装具有永磁体阵列的动尺，在另一个物体上安装具有磁敏元件阵列及电路的静尺，静尺上磁敏元件阵列接收动尺上永磁体阵列的周期磁场并进行信号处理从而测量两物体相对位移的技术应用十分广泛，这类装置具有无磨损、抗恶劣环境、响应速度快、测量精度高等优点，这类系统在长距离测量的情况下通常采用级联的方法来进行测量长度扩展，该系统结构示意图，如图1 所示。现有技术在进行长度扩展时使用带插针电路板焊接把节电路板直接级联，避免了采用多个永磁体阵列所产生的问题，并且采用单片机级联来进行长距离上电扫描；采用缓冲器来减小长线传输干扰以提高长距离扫描上电的可靠性[4-5]。但现有技术中采用单片机级联来进行长距离扫描上电，会增加硬件电路及软件设计的复杂度并增加设计成本，而且单片机也易受干扰从而降低系统稳定性；另一方面该系统无法对其他电路干扰以及个别元件损坏等扫描上电错误情况进行识别，从而造成系统长距离扫描上电可靠性低。因此提出采用移位寄存器级联来进行扫描长度扩展以简化硬件电路和软件设计并降低成本，并采用节地址与扫描输出信号回传的方案，来对扫描输出信号的因电路干扰或损坏所发生的错误进行识别，以此来确保系统长距离扫描上电的可靠性，通过人为设置错误所进行的实验表明该方案是正确的。所以该技术应用于长距离磁阵列位置传感系统，使得该系统不仅具有原本已有的优点，还具备成本低、抗干扰能力强、可靠性高等诸多优点。

2 磁阵列位置传感系统的框图及工作原理

磁阵列位置传感系统的框图，如图2 所示。整个电路系统由微处理器、磁传感器阵列、扫描电路、回传电路、节地址电路等组成。微处理器主要负责控制以及对位置信息的处理和通信[6]。磁传感器阵列负责接收磁场信号，输出动作信号。扫描电路负责对磁传感器阵列进行扫描上电。节地址电路用于给各个节电路板编址，从而起到节电路板识别的作用。回传电路负责对扫描电路的扫描输出信号以及节地址电路输出的节地址信号进行采集，并将采集到的信号传递给微处理器。

图1 长距离磁阵列位置传感系统结构示意图Fig.1 Structure Diagram Of Long-Distance Magnetic Array Position Sensing System

图2 磁阵列位置传感系统框图Fig.2 Block Diagram Of Magnetic Array Position Sensing System

磁阵列位置传感系统的工作原理为：微处理器启动扫描电路对磁传感器阵列进行上电扫描，同时微处理器通过回传电路采集扫描电路的扫描输出信号以及所在节电路的节地址，并对采集回的数据进行处理以判断对磁传感器阵列的上电扫描是否有误，如果上电扫描正确并且磁传感器阵列探测到磁场信号，微处理器读取磁传感器阵列的输出并进行处理得到位置信息，最后通过输出口输出位置信息进行实时显示。

3 自动诊断技术的实现

3.1 自动诊断硬件电路设计

磁阵列位置传感系统中实现自动诊断功能的主要硬件电路原理图，如图3 所示。微处理器选用PIC16F884 单片机，其具有指令集简单、功耗低、驱动能力强等优点[7]。扫描电路由缓冲器及两片74HC194 四位通用移位寄存器组成，把所有的74HC194 级联组成“长移位寄存器”与PIC16F884 单片机连接，由单片机控制在“长移位寄存器”内往复移位给磁传感器阵列上电，使其输出位置信号。缓冲器可以减小信号的长距离传输损失并提高抗干扰能力。在设计中要使缓冲器与移位寄存器的延迟时间相匹配。

回传电路由两片74HC166 八位并行输入串行输出移位寄存器以及组合逻辑组件组成，该电路可以监视74HC194 输出驱动引脚处于低电平的情况，用于查找扫描错误。PIC16F884 单片机通过SPI 口对74HC194 输出驱动上电信号以及节地址进行采集。组合逻辑组件设计的目的是为了使74HC166 只监视有效的上电信号即低电平，并且使得本节电路不影响下一节级联电路的过境回传信号的正常传递，这样可以提高诊断速度以及保证信号传递的有效性。节地址电路由两电阻排及“搭接器”组成。

图3 自动诊断硬件电路原理图Fig3 Principle Diagram of Automatic Diagnosis Circuit

3.2 自动诊断算法设计

系统主程序和诊断程序流程图，如图4、图5 所示。在主程序中，初始化完毕后就启动对磁敏元件阵列进行上电扫描，同时对扫描正确与否进行验证，如果发现错误则继续扫描，如果扫描正确并且探测到磁场信号，则读取磁敏元件阵列输出信号并处理得到位置信息进行数据发送，否则继续扫描。

图4 主程序流程图Fig4 Flow Chart of Main Program

图5 诊断程序流程图Fig5 Flow Chart of Diagnosis Program

在诊断程序中，首先定义一个诊断标志位，当出现扫描错误时诊断标志位置1，否则标志位为0。那么在程序开始后先对诊断标志位进行复位清0，然后对扫描电路中“长移位寄存器”的四个相邻上电驱动引脚信号以及节地址进行实时SPI 采集，再把采集回来的信号序列与预设值进行比较，如果一样说明没有出现错误可以进行位置信息的读取，如果不一样就把诊断标志置1 说明筛选出错误，并返回主程序。

4 调试验证及结果分析

为检验系统是否具有自动诊断功能，设计了一个试验来对其进行测试。试验只测试两段节电路级联的情况，因为更多节电路级联的情况完全可以类推。具体操作过程如下：让系统进行循环运行，如果上电扫描正确则向上位PC 机通信发送字符串“Ok”，如果扫描有误则向上位PC 机发送字符串“Err”，操作原理图，如图6 所示。为了进行对比验证，在系统循环扫描到“长移位寄存器”第十三个输出驱动引脚时人为的引入扫描错误，然后继续系统循环扫描，当系统下次扫描到第十三个驱动引脚时同样引入扫描错误，然后继续扫描。

图6 验证操作原理图Fig6 Principle Diagram of Verification

利用PC 机作为超级终端与系统进行串口通信接收系统发来的数据并显示[8]，为保证通信的正确，超级终端采用与系统相同的通信协议，显示结果，如图7 所示。从图7 中红色线所框部分可以明显看出系统具有筛选错误的能力，因为对应的筛选出错误的时刻正好是扫描到第十三个驱动引脚的时刻，即引入错误的时刻，之所以会连续四次检测出扫描上电错误，是因为两段节电路总共包括四片74HC194，由其级联构成的“长移位寄存器”有十六个输出驱动引脚，当第十三个驱动引脚出现错误后导致后面三次扫描出现混乱从而也产生错误，当扫描完第十六个引脚后系统会初始化重新开始扫描，所以检测出四次扫描错误后下一次扫描检测为正确。由此可以看出试验结果与设计刚好吻合。系统中两次引入错误两次筛选出来也证明系统诊断能力的可重复性。

图7 验证结果显示Fig7 Display of Verification Results

5 结论

创新性的提出了一种自动诊断技术并将其应用于长距离磁阵列位置传感系统中。描述了自动诊断硬件电路的设计以及相应诊断算法的设计，并通过人为设置错误所进行的实验进行了较好的验证。实验结果表明本设计是正确的，系统具有自动诊断的功能，能正确查出扫描输出信号的因电路干扰或损坏所发生的错误。技术可以显著提高长距离磁阵列位置传感系统扫描上电的可靠性，对下一步的系统优化以及实用推广具有很好的指导意义。

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