ssi的磁致伸缩位移测量系统设计
系负责人： ， 年 月 摘 要随着现代工业的不断发展，位移测量技术在工业生产和科学研究中越来越重要。位移传感器种类众多，其中磁致伸缩位移传感器因其非接触、寿命长、精度高、稳定性好、性价比高和安装维护方便等优点，在石油化工、工程机械、电力水利和航空航天等行业得到广泛应用[1]。课题针对传统磁致伸缩位移传感器在输出接口、数据显示和网络通信等方面的不足，设计一种基于SSI的磁致伸缩位移测量系统。系统主要由信号调理模块和SSI接口组成，采用具有SSI接口的基于ARM Cortex-M4 的TM4C1294微控制器为核心控制器，设计了脉冲激励电路、脉冲驱动电路、回波检测及信号放大电路和电压比较电路，实现了位移值测量和SSI接口输出等功能。由于系统测试需要，还用液晶5110设计了SSI数据显示模块，用以太网模块W5500设计了网络输出接口，用MCGS组态软件设计了基于Modbus-TCP通信协议的上位机测试软件，完善了系统的接口功能。课题综合运用了单片机、传感器和计算机网络等技术，设计了具备SSI接口、网络输出接口和液晶显示的磁致伸缩位移测量系统。经过测试验证，系统能稳定运行，基本达到了设计要求，具备继续开发的意义，对同类课题有一定的参考作用。
Keywords: magnetostrictive; displacement measurement; sensor; SSI; ModbusTCP 目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 磁致伸缩位移传感器概述 1
1.3 国内外研究现状 4
1.4 本文研究内容和章节安排 5
第2章 系统总体设计 7
2.1 系统总体架构设计 7
2.2 系统硬件架构设计 7
2.3 系统软件架构设计 8
第3章 磁致伸缩位移测量系统硬件设计 10
3.1 TM4C1294最小系统 10
3.1.1 设备核心处理器选型 10
3.1.2 单片机最小系统 11
3.2 电源模块设计 12
3.3 信号调理模块设计 12<
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br /> 3.3.1 脉冲激励电路设计 13
3.3.2 脉冲驱动电路设计 13
3.3.3 回波检测及信号放大电路设计 14
3.3.4 电压比较电路设计 15
3.4 SSI接口设计 16
3.5 SSI数据显示模块设计 16
3.6 网络输出接口设计 17
第4章 磁致伸缩位移测量系统软件设计 19
4.1 SSI协议分析 19
4.2 ModbusTCP通讯协议分析 19
4.3 位移测量系统软件设计 21
4.3.1 脉冲激励软件设计 21
4.3.2 位移测量系统主程序流程设计 23
4.3.3 位移测量系统初始化 23
4.3.4 信号脉冲的采集和处理 24
4.3.5 网络输出接口数据发送 26
4.4 SSI数据显示模块软件设计 28
4.4.1 SSI数据显示模块主程序流程设计 28
4.4.2 SSI数据显示模块初始化 28
4.4.3 SSI接口数据接收和处理 29
4.4.4 SSI数据显示 29
4.5 上位机测试软件设计 30
4.5.1 MCGS组态软件介绍 30
4.5.2 上位机测试软件界面及功能 30
4.5.3 ModbusTCP通信设置 31
第5章 系统测试 34
5.1 信号调理模块测试 34
5.2 SSI接口测试 36
5.3 网络输出接口测试 37
5.3.1 网络通信测试 37
5.3.2 上位机测试软件调试 38
第6章 总结与展望 40
6.1 总结 40
6.2 本文的不足与展望 40
参考文献 42
致 谢 45
附录1 实物图 46
附录2 外文翻译 47
第1章 绪论
本章首先简要介绍了本课题研究背景及意义，然后讨论了磁致伸缩传感器及其国内外研究现状，另外还介绍了本文研究内容和章节安排。
1.1 课题研究背景及意义
随着信息技术的日益进步，传感器在工业生产和日常生活中越来越重要，人们对传感器的要求也越来越高。传感器技术也在不断发展，在智能化、数字化和微型化的过程中取得不少成果[2]。作为传感器家族的重要组成部分，位移传感器被广泛应用于工业自动化、工程机械、电力水利和建筑桥梁等重要领域，在工业生产和科学研究中越来越重要。
位移传感器也是种类众多，其中磁致伸缩位移传感器因其非接触、寿命长、精度高、稳定性好、性价比高和安装维护方便等优点，在石油化工、工程机械、电力水利和航空航天等行业得到广泛应用。但是由于国内磁致伸缩位移传感技术发展时间不长，还没有取得创新性的突破，所以市面上的国产磁致伸缩位移传感器普遍量程较小，精度不高，而且输出方式比较单一，与国外厂家的高精度大量程的磁致伸缩位移传感器相比还是有不少差距，这也导致了不少工业应用场合不得不选择价格昂贵的进口磁致伸缩位移传感器，成本被大大提高[3]。而且，国外厂家生产的磁致伸缩位移传感器的输出接口标准、输出方式也存在差异，可能无法完全兼容已有设备，即无法完全实现相互间的数据传输，如果要构成综合自动化系统会比较困难，只能通过相同的通信方式才能实现，则在传感器的选取上要仔细核对。
本课题在工业生产对磁致伸缩位移传感器的量程、精度和输出等的高要求的背景下提出的，根据磁致伸缩位移测量原理，并针对传统磁致伸缩位移传感器在输出接口、数据显示和网络通信等方面的不足，设计一种基于SSI的磁致伸缩位移测量系统。
1.2 磁致伸缩位移传感器概述
（1）位移传感器的分类
根据不同的工作原理，位移传感器可以分为很多种类[3]。常见的线性位移传感器有：
1、差动变压器式位移传感器：该类型位移传感器优点是测量精度较高，可以用于微小位移测量，而且使用简单方便，缺点是它的线性度较低，动态性能较差。
2、电阻应变式位移传感器：该类型位移传感器分辨力低，而且通过元件接触测量，磨损损耗大，使用寿命较低。
3、电容式位移传感器：该类型位移传感器能将位移量变化转换成电容值变化，灵敏度高，分辨力强，结构简单，非接触式测量，而且能在恶劣条件下工作，但是测量范围较小，线性度较低。
4、光栅式位移传感器：该类型位移传感器测量量程大、测量精度高，分辨力高，可靠性高而且是非接触式测量，还易于实现系统的数字化和自动化，但是它对使用环境的要求非常高，使用时还需要密封，防止灰尘、水、油污和铁屑等污染光栅尺面，引起测量误差。
5、激光干涉仪位移传感器：该类型位移传感器各种性能比较优异，但是成本昂贵，而且维护性较差。
Keywords: magnetostrictive; displacement measurement; sensor; SSI; ModbusTCP 目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 磁致伸缩位移传感器概述 1
1.3 国内外研究现状 4
1.4 本文研究内容和章节安排 5
第2章 系统总体设计 7
2.1 系统总体架构设计 7
2.2 系统硬件架构设计 7
2.3 系统软件架构设计 8
第3章 磁致伸缩位移测量系统硬件设计 10
3.1 TM4C1294最小系统 10
3.1.1 设备核心处理器选型 10
3.1.2 单片机最小系统 11
3.2 电源模块设计 12
3.3 信号调理模块设计 12<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
br /> 3.3.1 脉冲激励电路设计 13
3.3.2 脉冲驱动电路设计 13
3.3.3 回波检测及信号放大电路设计 14
3.3.4 电压比较电路设计 15
3.4 SSI接口设计 16
3.5 SSI数据显示模块设计 16
3.6 网络输出接口设计 17
第4章 磁致伸缩位移测量系统软件设计 19
4.1 SSI协议分析 19
4.2 ModbusTCP通讯协议分析 19
4.3 位移测量系统软件设计 21
4.3.1 脉冲激励软件设计 21
4.3.2 位移测量系统主程序流程设计 23
4.3.3 位移测量系统初始化 23
4.3.4 信号脉冲的采集和处理 24
4.3.5 网络输出接口数据发送 26
4.4 SSI数据显示模块软件设计 28
4.4.1 SSI数据显示模块主程序流程设计 28
4.4.2 SSI数据显示模块初始化 28
4.4.3 SSI接口数据接收和处理 29
4.4.4 SSI数据显示 29
4.5 上位机测试软件设计 30
4.5.1 MCGS组态软件介绍 30
4.5.2 上位机测试软件界面及功能 30
4.5.3 ModbusTCP通信设置 31
第5章 系统测试 34
5.1 信号调理模块测试 34
5.2 SSI接口测试 36
5.3 网络输出接口测试 37
5.3.1 网络通信测试 37
5.3.2 上位机测试软件调试 38
第6章 总结与展望 40
6.1 总结 40
6.2 本文的不足与展望 40
参考文献 42
致 谢 45
附录1 实物图 46
附录2 外文翻译 47
第1章 绪论
本章首先简要介绍了本课题研究背景及意义，然后讨论了磁致伸缩传感器及其国内外研究现状，另外还介绍了本文研究内容和章节安排。
1.1 课题研究背景及意义
随着信息技术的日益进步，传感器在工业生产和日常生活中越来越重要，人们对传感器的要求也越来越高。传感器技术也在不断发展，在智能化、数字化和微型化的过程中取得不少成果[2]。作为传感器家族的重要组成部分，位移传感器被广泛应用于工业自动化、工程机械、电力水利和建筑桥梁等重要领域，在工业生产和科学研究中越来越重要。
位移传感器也是种类众多，其中磁致伸缩位移传感器因其非接触、寿命长、精度高、稳定性好、性价比高和安装维护方便等优点，在石油化工、工程机械、电力水利和航空航天等行业得到广泛应用。但是由于国内磁致伸缩位移传感技术发展时间不长，还没有取得创新性的突破，所以市面上的国产磁致伸缩位移传感器普遍量程较小，精度不高，而且输出方式比较单一，与国外厂家的高精度大量程的磁致伸缩位移传感器相比还是有不少差距，这也导致了不少工业应用场合不得不选择价格昂贵的进口磁致伸缩位移传感器，成本被大大提高[3]。而且，国外厂家生产的磁致伸缩位移传感器的输出接口标准、输出方式也存在差异，可能无法完全兼容已有设备，即无法完全实现相互间的数据传输，如果要构成综合自动化系统会比较困难，只能通过相同的通信方式才能实现，则在传感器的选取上要仔细核对。
本课题在工业生产对磁致伸缩位移传感器的量程、精度和输出等的高要求的背景下提出的，根据磁致伸缩位移测量原理，并针对传统磁致伸缩位移传感器在输出接口、数据显示和网络通信等方面的不足，设计一种基于SSI的磁致伸缩位移测量系统。
1.2 磁致伸缩位移传感器概述
（1）位移传感器的分类
根据不同的工作原理，位移传感器可以分为很多种类[3]。常见的线性位移传感器有：
1、差动变压器式位移传感器：该类型位移传感器优点是测量精度较高，可以用于微小位移测量，而且使用简单方便，缺点是它的线性度较低，动态性能较差。
2、电阻应变式位移传感器：该类型位移传感器分辨力低，而且通过元件接触测量，磨损损耗大，使用寿命较低。
3、电容式位移传感器：该类型位移传感器能将位移量变化转换成电容值变化，灵敏度高，分辨力强，结构简单，非接触式测量，而且能在恶劣条件下工作，但是测量范围较小，线性度较低。
4、光栅式位移传感器：该类型位移传感器测量量程大、测量精度高，分辨力高，可靠性高而且是非接触式测量，还易于实现系统的数字化和自动化，但是它对使用环境的要求非常高，使用时还需要密封，防止灰尘、水、油污和铁屑等污染光栅尺面，引起测量误差。
5、激光干涉仪位移传感器：该类型位移传感器各种性能比较优异，但是成本昂贵，而且维护性较差。
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