摘要：從彈簧片測(cè)試系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)分析入手，推導(dǎo)出了測(cè)試公式，介紹了硬件結(jié)構(gòu)框圖和主要軟件功能。

　　引言

　　在石油勘探用的磁電式地震檢波器的生產(chǎn)過(guò)程中，為了最大限度地減小傳感器的失真度，要求裝入傳感器腔體中的上下兩個(gè)彈簧片，當(dāng)懸體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它們的兩個(gè)支承面應(yīng)處在同一個(gè)水平面位置上，這就要求根據(jù)傳感器的諧振頻率和芯體的懸體質(zhì)量，對(duì)上下彈簧片進(jìn)行搭配，使裝配出的傳感器的頻率和中心度參數(shù)，都能符合設(shè)計(jì)要求?；?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/單片機(jī)">單片機(jī)C8051F350的彈簧片自動(dòng)測(cè)試與分選系統(tǒng)，充分發(fā)揮了該單片機(jī)內(nèi)置的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，精度高，速度快，能對(duì)彈簧片的支撐力和彈性系數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試與分選，滿足了生產(chǎn)的需要。

　　1 基本測(cè)試原理和測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)胡克定理，存在如下公式：

　　式中：k為彈性系數(shù);F為作用力;x為位移。

　　由公式(1)可知，通過(guò)對(duì)位移量和作用力的設(shè)置和測(cè)量，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，即可計(jì)算出彈簧片處在同一個(gè)水平面位置時(shí)，所能支承起的等效物體質(zhì)量和彈性系數(shù)。

　　根據(jù)傳感器的性能要求，在實(shí)際使用中，主要使用其處在同一個(gè)水平面位置的性能參數(shù)，這就意味著在測(cè)算彈簧片的彈性系數(shù)時(shí)，所能改變的位移量很小，一般在0.5毫米以下，如此計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，才能近似等于彈簧片處在同一個(gè)水平面位置時(shí)的彈性系數(shù)。顯然，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)位移和作用力的設(shè)定和測(cè)量，有著極高的精度要求，尤其對(duì)位移量的要求，應(yīng)能分辨0.05毫米。我國(guó)檢波器生產(chǎn)企業(yè)最早引進(jìn)和仿制的彈簧片測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備，其核心部件是高精度位移傳感器和加力器，加力器是一種自制的電磁式施力部件，當(dāng)電流通過(guò)加力器的線圈時(shí)，產(chǎn)生的電磁力帶動(dòng)施力桿，使其沿著測(cè)試頭軸線方向上下移動(dòng)，由位移傳感器對(duì)彈簧片產(chǎn)生的變形進(jìn)行測(cè)量。我們提出的采用步進(jìn)電機(jī)和荷重傳感器結(jié)合、基于單片機(jī)C8051F350的技術(shù)方案，克服了這種測(cè)試設(shè)備存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高和自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。

　　測(cè)量機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由固定機(jī)架、零位傳感器、承片盤(pán)、加力步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加力桿和荷重傳感器等組成。單片機(jī)接到操作者的啟動(dòng)命令以后，控制加力步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使加力步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)加力桿從零位傳感器的零位開(kāi)始，向下運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，給放置在承片盤(pán)上的彈簧片加力，荷重傳感器將代表壓力的毫伏電壓信號(hào)輸出給單片機(jī)。單片機(jī)計(jì)算出支撐力和彈性系數(shù)，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的分選板的坐標(biāo)原點(diǎn)及分檔步距參數(shù)，計(jì)算出具體分選坐標(biāo)值，并通過(guò)串行接口，把坐標(biāo)信息發(fā)送給矩陣邏輯電路。此后，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)加力步進(jìn)電機(jī)，使加力桿返回到零位傳感器的零位，從而消除了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的積累誤差，等待下一次測(cè)試命令。矩陣邏輯電路在接到單片機(jī)發(fā)來(lái)的分選坐標(biāo)后，驅(qū)動(dòng)10×20掛釘矩陣板上相應(yīng)的LED閃爍，提醒操作者將彈簧片掛在該LED對(duì)應(yīng)的掛釘上。

　　2 單片機(jī)C8051F350的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口

　　C8051F350是高度集成的片上系統(tǒng)混合信號(hào)單片機(jī)[1]，它采用了與8051單片機(jī)兼容的專利內(nèi)核CIP-51，但其性能遠(yuǎn)超普通8051系列單片機(jī)，速度可高達(dá)50MIPS，它的最大亮點(diǎn)是具有一個(gè)8路輸入的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含可編程增益放大器和多路選擇器，采樣速度可達(dá)1ksps。此外，它還有兩路8位電流輸出型DAC;有17個(gè)耐5V電壓的數(shù)字I/O口，8k系統(tǒng)可編程的FLASH存儲(chǔ)器，含非易失性存儲(chǔ)器，768字節(jié)的片上RAM，4個(gè)16位通用定時(shí)器，帶有3個(gè)捕捉/比較模塊的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列;片上看門(mén)狗定時(shí)器，電源監(jiān)視器，電壓比較器，溫度傳感器，高精度內(nèi)部振蕩器，2.7V～3.6V的低壓供電;有增強(qiáng)型的硬件串行接口SPI，SMBus/I2C和UART，片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描系統(tǒng)等。該系列的單片機(jī)在電子儀器儀表和智能傳感器等領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　C8051F350單片機(jī)的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器最高位數(shù)是24位，最大轉(zhuǎn)換速度為1ksps，并具有單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換功能，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。在其輸入級(jí)配備有BURNOUT電流源，主要用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行短路和開(kāi)路故障的檢測(cè);為了給輸入信號(hào)提供高輸入阻抗，輸入級(jí)還有可選擇的輸入緩沖器;可變?cè)鲆娣糯笃髂芴峁┌思?jí)增益倍數(shù)，最大為128倍;參考電壓可以配置為內(nèi)部2.5V，也可選用外部參考電源;具有內(nèi)部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于內(nèi)部校正;調(diào)制器的時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻電路而來(lái);輸出級(jí)的濾波器有快速濾波和SINC3濾波兩種方式，前者速度快，后者精度高。