引 言
    目前，廣泛用于位置測(cè)量的傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵光電編碼器、磁柵尺、磁致伸縮位置傳感器、靜磁柵絕對(duì)編碼器等。以物體的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器的馬盤(pán)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并轉(zhuǎn)換為連續(xù)的有方向的脈沖信號(hào)，以表示物體的位置，這種形式的編碼器稱(chēng)為增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。還有一種絕對(duì)位置旋轉(zhuǎn)編碼器能將物體的位置直接用數(shù)字表達(dá)，即使掉電編碼也不丟失。其量程和精度由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度比和加工精度決定。旋轉(zhuǎn)編碼器的最大缺點(diǎn)是需要一套將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，安裝成本頗高，機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)間隙誤差相當(dāng)程度地削減了旋轉(zhuǎn)編碼器固有的分辨度，同時(shí)，長(zhǎng)期使用還容易造成碼盤(pán)破損之類(lèi)的機(jī)械損傷。另外，還需要接觸測(cè)量。
    光柵光電編碼器的標(biāo)尺光柵和指示光柵都是由窄的矩形不透明的線(xiàn)紋和其等寬的透明間隔所組成，一旦被灰塵遮蓋或油漬浸泡，就影響其使用；并且在測(cè)量中不能掉電，一旦掉電，將會(huì)丟失掉電期間位移發(fā)生改變的數(shù)值。磁柵尺是在非導(dǎo)磁材料上涂一層10～20μm的磁膠，通過(guò)交流磁頭讀取刻錄在磁帶上的位置信息，當(dāng)這種位置傳感器處在惡劣環(huán)境中，如海水，這將嚴(yán)重影響交流磁頭與磁帶間的磁場(chǎng)傳播。磁致伸縮位置傳感器不僅響應(yīng)速度低而且成本高。
    靜磁柵絕對(duì)編碼器的靜磁柵源與靜磁柵尺之間非接觸工作，在安裝使用方面，有很高的相對(duì)間隙寬容度和相對(duì)姿態(tài)寬容度。無(wú)論量程多長(zhǎng)，只要保證安裝精度，就能獲得非常小的示值誤差，而且不受外界溫度、濕度、雜散磁場(chǎng)、電磁干擾等因素影響，具有很強(qiáng)的防震，防撞擊，防水，抗污染，抗干擾，抗惡劣環(huán)境能力，可以在水下1 000 m范圍內(nèi)工作。但是它的位置信息是用絕對(duì)磁柵編碼來(lái)確定，因此會(huì)存在響應(yīng)速度低，測(cè)量精度差等缺點(diǎn)，并且價(jià)格也偏高。在此設(shè)計(jì)一種抗惡劣環(huán)境的位置測(cè)量裝置游標(biāo)磁尺。該磁尺不僅克服了靜磁柵絕對(duì)編碼器的缺點(diǎn)，而且測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，還具有靜磁柵絕對(duì)編碼器的優(yōu)點(diǎn)。

1 游標(biāo)磁尺的結(jié)構(gòu)
    游標(biāo)磁尺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中RS 485／RS 232轉(zhuǎn)換器主要是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信而設(shè)置。它可以分為上、下位機(jī)兩個(gè)部分，上、下位機(jī)分工明確。作為下位機(jī)核心器件的PIC單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)位置信息的處理和通信，而上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)PIC單片機(jī)處理得到位置值的實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示功能主要利用基于圖形界面的Windows系統(tǒng)下的Visual Basic制作的實(shí)時(shí)顯示操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。上、下位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通信傳遞信息。單片機(jī)和PC機(jī)的通信是通過(guò)單片機(jī)的串口和PC機(jī)串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)的。其實(shí)際結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，實(shí)物圖中沒(méi)有拍下位置顯示平臺(tái)。

2 工作原理
    游標(biāo)磁尺測(cè)量原理：使用開(kāi)關(guān)型霍爾元件陣列作為“靜尺”；使用無(wú)源釹鐵硼磁鐵作為永磁體陣列(“動(dòng)尺”)。作為“靜尺”的霍爾元件陣列是一種磁傳感器能檢測(cè)出“動(dòng)尺”的磁場(chǎng)及其變化，當(dāng)“動(dòng)尺”沿“靜尺”軸線(xiàn)作無(wú)接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由“靜尺”的霍爾元件陣列記錄“動(dòng)尺”的數(shù)字化位置信息。位置的“整數(shù)部分”由最開(kāi)始動(dòng)作的霍爾元件所處的位置確定，位置的“小數(shù)部分”由位置匹配序列確定。所謂位置匹配序列就是“動(dòng)尺”要滿(mǎn)足一定的規(guī)格和要求?！皠?dòng)尺”所在的位置值與“盯尺”的霍爾元件陣列動(dòng)作信息序列匹配，如“小數(shù)部分”的2 mm，可以用00111110001100序列對(duì)應(yīng)。因此“小數(shù)部分”的O～8需要9個(gè)相應(yīng)的序列對(duì)應(yīng)，確定位置值后將其位置值傳送到PC機(jī)。一段“靜尺”中包含4組霍爾元件陣列，每組霍爾元件陣列由16個(gè)霍爾元件組成，每個(gè)霍爾元件之間的間隔為9 mm。因此一段的測(cè)量長(zhǎng)度為567 mm。若要測(cè)量更長(zhǎng)范圍可以采用多段連接進(jìn)行擴(kuò)展。
    其“整數(shù)部分”計(jì)算結(jié)果D可以由式(1)求出：

   
式中：l表示最開(kāi)始動(dòng)作的霍爾元件處在第幾段；m表示處在l段的第幾組；n表示處在m組的第幾個(gè)。
    兩個(gè)霍耳元件之間的位置值相當(dāng)于“游標(biāo)磁尺”的“小數(shù)”部分，其值d可以由位置匹配序列給出。因此游標(biāo)磁尺的位置值為K可以由式(2)求出。
   
式中：D表示磁尺的“整數(shù)部分”；d磁尺的“小數(shù)部分”。

3 磁尺的硬件電路
    用于該磁尺位置信息處理的微處理器主要是采用美國(guó)Microchip Technology Incorporated公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)。利用PIC16F884單片機(jī)對(duì)“動(dòng)尺”作用區(qū)域的霍爾元件陣列的動(dòng)作信息進(jìn)行位置匹配算法處理得到位置數(shù)據(jù)；然后通過(guò)．PIC16F884的異步串口(LISART)經(jīng)過(guò)MAX3471芯片轉(zhuǎn)變成RS 485協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，到達(dá)目的地后在經(jīng)過(guò)RS 485／RS 232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS 232協(xié)議；在傳送到PC機(jī)上顯示其位置值。其硬件原理圖如圖3所示。

4 位置匹配算法和顯示的程序設(shè)計(jì)
4．1 PC機(jī)部分(Visual Basic)
    該裝置的PC部分利用微軟公司推出的可視化、面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Visual Basic來(lái)制作顯示平臺(tái)。因?yàn)閂isual Basic軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)不僅快捷、編程工作量??；且提供了串行通信控件MSComm，通過(guò)對(duì)此控件的屬性和事件進(jìn)行編程，就可以輕松的實(shí)現(xiàn)串口通信。
4．1．1 MSComm簡(jiǎn)介
    MSComm控件(Microsoft Communications Con-trol)是Microsoft公司提供的ActiveX控件，目的是為了簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程。它既可以用來(lái)提供簡(jiǎn)單的串行通信功能，也可以用來(lái)創(chuàng)建完備的、事件驅(qū)動(dòng)的高級(jí)通信工具。它通過(guò)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。它提供兩種處理通信的方式，分別是事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢(xún)方式Ⅲ。
4．1．2 顯示平臺(tái)介紹
    該平臺(tái)采用多文檔界面(MDI)制作，MDI應(yīng)用程序主要由“父窗口”及“子窗口”構(gòu)成，子窗口的活動(dòng)范圍被限定在父窗口之內(nèi)。顯示平臺(tái)界面如圖4所示。

    從界面圖中可以看到“父窗口”包含參數(shù)初始化和數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)“子窗口”。參數(shù)初始化窗口主要負(fù)責(zé)設(shè)置端口、波特率、數(shù)據(jù)格式、和數(shù)據(jù)的接收方式；數(shù)據(jù)顯示窗口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和顯示。顯示平臺(tái)的使用在相應(yīng)的窗口中均有說(shuō)明。沒(méi)有霍爾元件動(dòng)作時(shí)，顯示界面中的數(shù)據(jù)顯示區(qū)初始化顯示為…*hh<CR><LF>。有霍爾元件動(dòng)作時(shí)，顯示界面實(shí)時(shí)顯示其動(dòng)作的情況。該平臺(tái)使用簡(jiǎn)單，極易操作。
4．1．3 MSComm控件的程序設(shè)計(jì)
    Visual Basic設(shè)計(jì)串行通信程序時(shí)依然遵循四個(gè)主要步驟，分別是對(duì)象、屬性、事件和方法。因此，第一步是添加控件。由于Visual Basic的串行通信控件不在工具箱中，當(dāng)使用MSComm控件時(shí)，首先要把它加入到工具箱中。添加步驟是：選擇“工程”菜單下的“部件…”子菜單，在彈出的“部件”對(duì)話(huà)框中，在“控件”選項(xiàng)卡屬性中選中“MicrosoftCommControl 6．0”復(fù)選框，然后單擊“確定”按鈕后，在工具箱中就出現(xiàn)了一個(gè)形似“電話(huà)”的圖標(biāo)，它就是MSComm控件。在窗體中加載MSComm控件對(duì)象。第二步是為MSComm控件的屬性賦值。第三步利用OnComm事件程序來(lái)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的位置數(shù)據(jù)。由于篇幅限制，在此沒(méi)有給
出相關(guān)程序。
4．2 PIC單片機(jī)部分
    單片機(jī)采用PIC系列單片機(jī)。該單片機(jī)具有指令集少、功耗低和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)程序使用匯編語(yǔ)言編程，采用其內(nèi)部的異步串口(USART)進(jìn)行串行通信。由于該系統(tǒng)用于遠(yuǎn)距離，故串口通信采用的是的RS 485串口通信標(biāo)準(zhǔn)，因此在單片機(jī)的串口端加了一個(gè)半雙工通信的MAX3471芯片。單片機(jī)接收到PC機(jī)發(fā)送來(lái)的波特率標(biāo)志值和自身設(shè)定的值比較，然后校正自身的波特率以和PC機(jī)的波特率相匹配。單片機(jī)除了校正自身波特率和發(fā)送相關(guān)信息程序，還要提供獲得霍爾元件動(dòng)作情況以及位置值等重要程序。圖5是單片機(jī)匯編程序流程圖。為了提高顯示平臺(tái)接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，單片機(jī)數(shù)據(jù)采用ASCII字符進(jìn)行傳送。

    以下僅給出串行通信初始化程序代碼：
    串行通信初始化程序?yàn)椋?/p>

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)只是測(cè)試了一段，實(shí)驗(yàn)階段為了確定游標(biāo)磁尺
的測(cè)量精度，在圖2的結(jié)構(gòu)圖中加了一把參照鋼尺。鋼尺測(cè)量的位置讀數(shù)與游標(biāo)磁尺測(cè)量的位置讀數(shù)之間的關(guān)系如圖6所示。

橫軸為磁尺位置讀數(shù)，縱軸為鋼尺位置讀數(shù)。理論情況應(yīng)該是鋼尺與游標(biāo)磁尺的測(cè)量位置值相等，即測(cè)量曲線(xiàn)應(yīng)該為一條理想的直線(xiàn)，從圖6可知游標(biāo)“磁尺”測(cè)量位置與實(shí)際值略有一點(diǎn)偏差，幾乎接近一條直線(xiàn)。由于霍爾元件在實(shí)際焊接時(shí)的固定位置與理論制版固定位置總有些偏差，因此總會(huì)存在一點(diǎn)誤差，但偏差很小。

6 結(jié) 語(yǔ)
    由測(cè)試結(jié)果表明游標(biāo)磁尺在位置測(cè)量中有獨(dú)特的優(yōu)越性。在惡劣的環(huán)境下要求響應(yīng)速度快和分辨率為毫米量級(jí)的位置測(cè)量時(shí)，游標(biāo)磁尺有很好的應(yīng)用前景。