基于单片机C8051F350的弹簧片测试与分选系统

        摘要：从弹簧片测试系统的理论基础分析入手，推导出了测试公式，介绍了硬件结构框图和主要软件功能。

　　引言

　　在石油勘探用的磁电式地震检波器的生产过程中，为了最大限度地减小传感器的失真度，要求装入传感器腔体中的上下两个弹簧片，当悬体处于静止状态时，它们的两个支承面应处在同一个水平面位置上，这就要求根据传感器的谐振频率和芯体的悬体质量，对上下弹簧片进行搭配，使装配出的传感器的频率和中心度参数，都能符合设计要求。基于单片机C8051F350的弹簧片自动测试与分选系统，充分发挥了该单片机内置的24位Δ-Σ模数转换器的特点，精度高，速度快，能对弹簧片的支撑力和弹性系数等参数，进行测试与分选，满足了生产的需要。

　　1 基本测试原理和测试系统结构

　　根据胡克定理，存在如下公式：

　　式中：k为弹性系数;F为作用力;x为位移。

　　由公式(1)可知，通过对位移量和作用力的设置和测量，采用适当的数学模型，即可计算出弹簧片处在同一个水平面位置时，所能支承起的等效物体质量和弹性系数。

　　根据传感器的性能要求，在实际使用中，主要使用其处在同一个水平面位置的性能参数，这就意味着在测算弹簧片的弹性系数时，所能改变的位移量很小，一般在0.5毫米以下，如此计算得出的数据，才能近似等于弹簧片处在同一个水平面位置时的弹性系数。显然，测试系统对位移和作用力的设定和测量，有着极高的精度要求，尤其对位移量的要求，应能分辨0.05毫米。我国检波器生产企业最早引进和仿制的弹簧片测试系统设备，其核心部件是高精度位移传感器和加力器，加力器是一种自制的电磁式施力部件，当电流通过加力器的线圈时，产生的电磁力带动施力杆，使其沿着测试头轴线方向上下移动，由位移传感器对弹簧片产生的变形进行测量。我们提出的采用步进电机和荷重传感器结合、基于单片机C8051F350的技术方案，克服了这种测试设备存在的结构复杂、故障率高和自动化程度低等缺点，已经成功应用到生产实际中。

　　测量机构的机械结构由固定机架、零位传感器、承片盘、加力步进电机、滚珠丝杠传动机构、加力杆和荷重传感器等组成。单片机接到操作者的启动命令以后，控制加力步进电机驱动器，使加力步进电机转动，并通过丝杠传动机构，带动加力杆从零位传感器的零位开始，向下运动到预定位置，给放置在承片盘上的弹簧片加力，荷重传感器将代表压力的毫伏电压信号输出给单片机。单片机计算出支撑力和弹性系数，再根据预先设定的分选板的坐标原点及分档步距参数，计算出具体分选坐标值，并通过串行接口，把坐标信息发送给矩阵逻辑电路。此后，单片机驱动加力步进电机，使加力杆返回到零位传感器的零位，从而消除了机械运动的积累误差，等待下一次测试命令。矩阵逻辑电路在接到单片机发来的分选坐标后，驱动10×20挂钉矩阵板上相应的LED闪烁，提醒操作者将弹簧片挂在该LED对应的挂钉上。

　　2 单片机C8051F350的模数转换器接口

　　C8051F350是高度集成的片上系统混合信号单片机[1]，它采用了与8051单片机兼容的专利内核CIP-51，但其性能远超普通8051系列单片机，速度可高达50MIPS，它的最大亮点是具有一个8路输入的24位Δ-Σ模数转换器，内含可编程增益放大器和多路选择器，采样速度可达1ksps。此外，它还有两路8位电流输出型DAC;有17个耐5V电压的数字I/O口，8k系统可编程的FLASH存储器，含非易失性存储器，768字节的片上RAM，4个16位通用定时器，带有3个捕捉/比较模块的可编程定时器/计数器阵列;片上看门狗定时器，电源监视器，电压比较器，温度传感器，高精度内部振荡器，2.7V～3.6V的低压供电;有增强型的硬件串行接口SPI，SMBus/I2C和UART，片内JTAG调试和边界扫描系统等。该系列的单片机在电子仪器仪表和智能传感器等领域，有着广泛的应用前景。

　　C8051F350单片机的Δ-Σ模数转换器最高位数是24位，最大转换速度为1ksps，并具有单次转换和连续转换功能，其原理结构如图1所示。在其输入级配备有BURNOUT电流源，主要用于对输入信号进行短路和开路故障的检测;为了给输入信号提供高输入阻抗，输入级还有可选择的输入缓冲器;可变增益放大器能提供八级增益倍数，最大为128倍;参考电压可以配置为内部2.5V，也可选用外部参考电源;具有内部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于内部校正;调制器的时钟由系统时钟经过分频电路而来;输出级的滤波器有快速滤波和SINC3滤波两种方式，前者速度快，后者精度高。