位移传感器数据高精度采集电路设计

位移传感器数据高精度采集电路设计

张斌;栾红民;李玉霞;吴庆林;王晶;曲云昭

【摘要】High precision acquisition of displacement transducer data is the key link to realize the position monitoring and controlling of the primary mirror of large telescope. Input requirements of the acquisition circuit, according to which hardwares are designed,are analyzed in detail. The displacement transducer signal is conditioned by scaling and filtering,then inputs to the ADC chip ADS1259 to realize A/D conversion. DSP chip TMS320F28069 is used to read the digital data output by ADS1259,and to sent them to PC for processing and display after decoding. Meanwhile,the CAN bus interface is designed to establish the LAN between distributed acquisition circuit. After testing,the effective resolution can reach 17

bi t,and acquisition displacement error less than 2 μm,the relative error is less than 0.01%, the acquisition circuit could collect the displacement transducer signal with high precision,and provides the guarantee and foundation for the telescope primary mirror monitoring and controlling.%对位移传感器数据进行高精度采集是实现大型望远镜主镜位置监控的关键环节.详细分析了位移传感器数据采集电路的输入需求并依此设计硬件电路.将位移传感器信号经过缩放、滤波等调理后输入至ADC芯片ADS1259完成A/D转换;使用DSP芯片TMS320F28069读取ADS1259输出的数字信号,解码后发送给PC机进行处理与显示.同时设计了CAN总线接口,用来实现分布式采集电路组建局域网.经过测试,采集电路的有效分辨率可达到17 bit,位移采集误差小于2μm,相对误差小

于0.01%,能够实现对位移传感器信号的高精度采集,为望远镜主镜监控提供保证和依据.

【期刊名称】《电子器件》

【年(卷),期】2017(040)005

【总页数】5页(P1204-1208)

【关键词】位移传感器;数据采集;信号调理;CAN;望远镜

【作者】张斌;栾红民;李玉霞;吴庆林;王晶;曲云昭

【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京101400;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京101400;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京101400

【正文语种】中文

【中图分类】TN710

望远镜是进行深空观测与天文研究的最重要的、最基本的工具,其口径越大,集光能力越强,分辨能力越高[1]。在大型望远镜系统中,主镜是整个主光学系统的基准[2],主镜与镜室的位置关系稳定是保证光学成像质量的前提,所以需要对主镜的位置进行实时监控。主镜位置通过X、Y、Z、θX、θY、ΔR共6个自由度描述,这 6个自由度的获得需要通过安装在主镜底部与侧部的6个位移传感器的数据进行解算得出[3],图1为位移传感器布局示意图。因此对位移传感器的数据采集是实现主镜位

置监控的关键环节与前提,其准确与否直接影响解算出的主镜位置的准确性,进而影响对主镜位置的监控,影响大望远镜的成像质量。

针对大型望远镜主镜位置监控的需求,设计位移传感器数据的高精度采集电路。位移传感器采用NovoTechnic公司的F205-1g型位移传感器,其线性量程为-2.5 mm～+2.5 mm,灵敏度为4.5 V/mm,输出差分电压信号,幅值在-11.25 V～

+11.25 V之间;根据望远镜主镜相对镜室发生位移的特点,位移传感器输出的信号能量主要在几百赫兹以下,属于低频信号,但是受到的干扰特别强,如主镜支撑结构的震动所造成的干扰、工频干扰以及信号接地不良所引起的干扰等[4]。所以,设计位移传感器数据采集电路主要实现以下功能:对信号进行缩放与滤波,将其从噪声中提取出来并满足ADC输入的幅值要求;然后输入至ADC芯片完成A/D转换过程;此外采用DSP处理器对转换后的数字信号进行读取与处理。

因为要对主镜上6个位置的位移信息进行采集,所以采集电路的设计有两种方案:其一,设计多通道数据采集电路,然后通过长导线连接至位移传感器;其二,设计单通道的数据采集电路,分别与每个位移传感器就近连接,然后利用总线技术将分布式采集电路组网。方案一使用一套PCB板即可,但是位移传感器与采集电路之间的长导线受外界影响会引入噪声,影响测量结果[5];此外位移传感器输出电压信号,经过长距离传输产生的衰减也会造成测量误差。方案二需要使用6套采集电路,成本较高,但是位移传感器与采集电路之间的连线短,布线简单,而且引入的噪声较方案一大幅度降低,测量结果更为精确。综上,采用第2种方案进行设计,即设计单通道的位移传感器数据采集电路,然后利用总线技术组网实现主镜6个自由度位移信息的测量。

有多种总线可实现局域网组建,本文主要分析3种总线技术:以太网、RS485以及CAN总线。以太网支持TCP/IP的一系列协议,其中的TCP协议设计成熟,使用广泛,可以10 Mbit/s的速率进行数据传输,并且能够纠错检错保证可靠性。但是TCP协议传输的每条信息都需要附加至少70 byte的帧头[6],而在本文所设计的采集电路