基于STM32的电涡流测距传感器设计

2019年4月基于STM32的电涡流测距传感器设计

伍凯（安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖241000；合肥芯碁微电子装备有限公司，安徽合肥230000）

【摘要】电涡流式传感器是一款很经典的非接触式测量传感器。它具有灵敏度高，对使用环境抗干扰力强等优点，在很多行业都得到广泛的应用。本文介绍一种以STM32处理器为核心的电涡流传感器设计方案，可以将测量的数值直接显示出来，使得电涡流传感器更加数字化和智能化。

【关键词】电涡流传感器；STM32处理器；数字化；智能化

【中图分类号】TP212【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）04-0250-02

1引言

电涡流的物理现象由来已久,很早就已经有人对其进行研究。近代以来,随着电子技术的快速发展,对电涡流效应的应用也上了一大台阶,形成了一种新型的非接触式测量传感器,即电涡流式传感器,它能非接触、高性能的测量被测金属导体距探头表面的距离。近些年以来,电子技术的发展日新月异,各种各样的应用让人眼花缭乱,特别是出现了以微处理器为核心的结合了模数电路的一种新型的电涡流测量系统,使得传感器更加的数字化,方便了在实际中的使用。

本次设计的电涡流传感器包括信号发生模块,信号采集模块,STM32嵌入式处理器,人机交互模块等。用最小二乘算法拟合模数转换器输出的电信号与测量距离之间的函数关系,结合实验数据推导出多项式方程,并将该方程存储于STM32处理器中;软件部分通过KeiluVision4编程实现。

2电涡流测距传感器的工作原理

在给传感器测量系统通电后,传感器的前置器内会产生一个高频激励信号I1,该激励信号传递给探头的信号发射线圈后,会在探头的线圈附近产生一个交变磁场H1。在该线圈下方放置一个金属导体,根据法拉第电磁感应定律,产生的交变磁场H1会在该金属导体的表面产生一个感应电流I2,这种现象便称为电涡流现象,新产生的电涡流I2也会产生新的交变磁场H2,其方向与H1的方向相反。这种新产生的H2对交变磁场H1的反作用,会使得电涡流传感器线圈的高频电流的幅度和相位发生很大程度的改变。这种变化与金属导体的电导率σ、磁导率μ、激励电流频率f、线圈尺寸r、电流强度I以及线圈到金属导体的距离x有关。实际测量中,所有参数保持不变,每次只改变其中某一个参数,则可得到阻抗Z与该参数间的唯一对应函数关系,再使用对应公式计算出该参数,其表达式为:Z=F(μ,σ,x,r,I,f)。

3测距传感器函数关系的确立

3.1概述

主要是确立模数转换器输出的电信号与探头所测得的距离之间的函数关系的确立,通过理论推导与大量实验数据相结合拟合出所需的函数关系方程,再将确立的函数方程存储到单片机中。

3.2最小二乘法建模原理

最小二乘法是一种简便的数学算法。在数学中通过误差平方使误差达到最小值与寻找数学函数最佳的数据相匹配。我们可以通过最小二乘法的方法可以快速得到解得未知的数据与函数,并且使解得的数据结果与所求实际的数学函数数据结果两者之间的误差平方和达到函数最佳的值。

实际测量中,得到的一系列离散型数据(x1,y1),(x2, y2)......(x m,y m)建立这些离散数据的数学函数模型,确立离散数据的函数关系为y=f(x),其中y a为函数的输出值,x a为函数的被测值。从这些数据中可以找出n次多项式:

P(x)=h0+h1x+h2x2+…+h n x n(n

ϕ(h0,h1,...,h n)=m

i=1

∑[px i-y i]2(2)

此即为最小二乘拟合多项式。

4电涡流测距传感器的总体设计方案4.1硬件设计

硬件系统框图如图1所示。

4.1.1STM32处理器的选取

本文选用意法半导体公司的STM32F103系列单片机, STM32的MCU融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低

电压于一身。

4.1.2信号发生模块

信号发生模块由信号源电路、幅度放大电路和功率放大电路。其中信号源电路用的是AD9833集成芯片,该芯片可以产生满足设计需要的正弦波信号;幅度放大电路采用AD8606集成芯片,由同相比例运算电路和反相比例运算电路组成;功率放大电路采用的是互补功率放大电路。

4.1.3信号采集模块

信号采集模块由仪表放大电路、整流电路、模数转换电路组成。其中仪表放大电路由AD6202放大器配合外围电路组成;整流电路由AD8606集成芯片配合外围电路组成;模数转换电路由TXB0106和MAX11636组成。

4.1.4人机交互模块

本设计使用RS232电路由MAX3232芯片结合外围电路组成,主要目的是:从串口发出命令经USB到RS232再到STM32,这样就可以读取之前所有测量后保存在FLASH里的数据,做到精准数据查询。

4.2软件

设计

图1系统硬件设计框图

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2019年4月

该系统应用程序在PC 机上编写,首先在KeiluVision4环境下运行成功后再送入仿真器内仿真调试,并达到预期要完成的功能后,用编程器将程序写入STM32内部的EPROM 进行独立运行。

整体流程图如图2所示。

5总结

本文主要致力于设计一款电涡流传感器,能实现测量数据的实时显示,还能将大量数据存储起来,计算机通过RS232串口可以读取存储的数据。随着数字电路的迅速发展,出现了以单片机、DSP 等微处理器为核心的数模结合的电涡流测量电路,极大提高了测量电路的精度和自适应能力。传感器与微处理器的结合形成的智能化传感系统再采用强大的软件优势来赋予传感器更加数字化和智能化的功能。

参考文献

[1]王洪波.亚拉米精度电涡流传感器的理论和设计研究[D].中国科学技术大学,2015,5.

[2]Ditchburn R.J ,Burke S.K.Planar Rectangular Spiral Coils in Eddy -Current Non-DestructiveInspection[J].NDT&E International ,2005,38.[3]于亚婷,杜平安,李代生.电涡流传感器线圈阻抗计算方法[J].机械工程学报,2007,43(2).

[4]徐洋,马跃.STM32F103系列微控制器在应用编程技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,13(8).

[5]王美燕.基于单片机的电涡流式微位移传感器测量系统的研究[D].东华大学,2013,1.

收稿日期：

2019-3-14

图2主程序流程图

非线性编辑系统中的数字视频压缩技术探讨

蒋

杰（长兴传媒集团，浙江湖州313100）

【摘要】目前对于非线性编辑系统条件下的数字视频压缩技术的算法很多，

而应用于节目的数字视频压缩算法主要有Motion JPEG 和MPEG -2P@ML 两种。本次研究对上述的两种方法进行了比较，

对于目前非线性编辑系统中的数字视频压缩过程中因格式不兼容而带来的问题进行了简要探讨并给出了相应的解决方法。通过本文的阅读，希望能够给研究非线性编辑系统中数字视频压缩技术相关工作的研究人员提供一定的帮助和启发。

【关键词】非线性编辑系统；数字视频；

压缩技术【中图分类号】TN941.1【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2019）04-0251-02

前言

数字视频技术目前在节目的录制、编辑和特效处理中都十分常见,能够给观众更好的观看体验。但是在实际的视频存储管理和传输处理过程中,我们发现数字视频数据量非常巨大,基本上是一个天文数字,一般来讲,短短一秒钟的数字视频的大小就要达到几个G 的字节,这是一个相当恐怖的数据量,如果不对视频进行压缩处理,那么一个几十分钟的数字视频几乎无法完成储存和传输工作,所以数字视频的压缩技术是整个处理工作中的重中之重。

1基本概念

1.1非线性编辑

非线性编辑系统简称NLE ,它的概念通常是相对于线性编辑系统而言的,一般来讲,利用计算机、高速硬盘或者专业视频卡等对节目进行制作和处理的系统,我们就把它叫做非线性编辑系统。

1.2Motion JPEG

Motion JPEG 数字视频压缩算法主要是利用了人们的一个视觉习惯,当人眼观看图像的时候,相比于色彩的变化,肉

眼对亮度的变化会更加敏感,利用这样的一个视觉习惯,对数字视频中的每一帧图像都进行压缩,压缩的主要依据就是保留图像的亮度变化,弱化图像中的色彩变化,从而实现压缩数字视频的同时,在视觉上并不会发生变化。

从技术层面来讲,之所以Motion JPEG 算法能够实现数字视频压缩的同时保证视觉上无变化,是因为该技术在对每一帧的图像进行处理的时候,都会将图像分成亮度和色彩两个量化矩阵进行采样,将更多的数据留给亮度分量,而减少色度分量的数据,从而实现了对视频大小的压缩。

1.3MPEG-2P@ML

MPEG-2P@ML 算法的前身是MPEG-2算法,该算法最初的开发目的是用于视频数据传输,其特点并不适用于节目制作,主要的问题在于用该算法压缩的数字视频帧精度不高,而且在不断的压缩和解压缩的过程中,图像会出现失真,无法满足视频播放和编辑的要求。经过相关的研究人员的不懈努力,在传统的MPEG-2的算法的基础上,增加了MPEG-2P@ML 子集,这次更新是具有划时代意义的,完美的解决了传统的MPEG-2算法在节目制作上存在的巨大问题,不仅保

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