基于巨磁电阻传感器的油管转动圈数检测系统
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【摘要】为了更好的实现对油管转动圈数的隔离检测，采用巨磁电阻传感器，MSP430系列单片机以及低功耗信号处理器件组件检测系统，同时在结构上采用4个巨磁电阻传感器芯片均匀分布与内管的方式提高系统的可靠性，实际使用情况表明该系统具有体积小，构建简单和可靠性高等优点。
【关键词】巨磁电阻传感器；隔离检测；转动圈数；低功耗
1.概述
油管的转动过程中，需要获知其转动的圈数，传统的方法是采用机械触点的方式进行检测，然后累加触点被触发的次数最终获知油管转动的圈数，但是这种方法的弊端是触点经过一定时间的使用后会产生接触不良的现象，而且体积较大，不易密封。因此，常采用磁敏检测德方式进行非接触隔离检测。
巨磁电阻（GMR）效应是某些合金材料的电阻比在磁场作用下急剧增大的一种特性。巨磁电阻传感器是基于巨磁电阻效应研制而成，具有灵敏度高和良好的温度适应性，在磁场测量领域具有广泛的用途。相对于其他常用的磁场检测传感器而言，GMR传感器能实现更远距离的磁开关量检测，因此，在开关量磁场检测方面，GMR传感器具有十分明显的优势，本文将以东方微磁公司生产的VA系列巨磁电阻磁传感器为例，介绍其特性、测试及相关应用。
2.系统介绍
油管内管在转动过程中需要检测油管的转动圈数，控制系统根据所转动的圈数对负载系统进行控制。油管由内外管组成，如图1所示，为提高检测的可靠性，检测用的磁钢嵌入外管内，4个GMR传感器芯片嵌入内管内，并做好密封，使用过程中转动外圈，磁钢依次转过1号，2号，3号和4号GMR传感器，当磁钢第二次转过1号GMR传感器后，圈数记为1，依次转动，当圈数为2时，控制系统给出控制信号，同时驱动显示模块进行状态显示。
4个GMR传感器应均布在内圈上，磁钢应固定不动，控制板和供电系统在内圈上，避免内圈转动造成绞线，内圈和外圈之间距离在较大，因此，磁钢和传感器探头之间的距离应尽量近，增大传感器的感应信号幅度。同时，在系统设计时考虑两个可能出现的问题。一是在转动内管过程中，有可能出现抖动，造成传感器计数出现失误；二是在转动内管过程中，操作人员在换手时，可能出现内管往回转动的情况。
3.硬件系统
3.1 GMR传感器的结构
VA系列巨磁电阻磁传感器采用惠斯通桥式结构，如图2所示的。图2中，R1和R3是两个阻值一样的电阻，可随外界磁场的变化输出一个差分电压信号，R2和R4由于屏蔽层的作用不感应外界磁场的变化。
3.2 屏蔽层的作用
图2中的R2和R4上的阴影部分是传感器的合金屏蔽层，它有两个作用，一是屏蔽外磁场对电阻R2和R4的影响，使其不能感应待测场的变化；二是作为一个磁通聚集器，将待测场聚集在R1和R3周围，使传感器输出幅值增大，提高传感器的灵敏度。
3.3 控制模块
系统采用TI公司的430系列低功耗单片机作为数据采集处理的主处理芯片，该单片机自带A/D采样，休眠时功耗只有数十个uA；磁传感器采用东方微磁公司的高灵敏度GMR传感器，信号处理单元采用低功耗器件。原理框图如图3所示。
电源模块包括DC/DC转换单元和上电控制单元，其中DC/DC转换单位为系统提供稳定的3V供电，上电控制单元主要为GMR传感器提供间歇式供电，以降低系统的功耗。状态指示模块主要为用户提供系统实时的状态提示，便于操作者对系统的监控。驱动模块主要主要根据系统的控制要求，为外部负责提供相应的功率驱动。
4.软件
系统软件开发平台是TI公司的IAR EW430，为提高软件的可靠度，便于后续的维护，采用模块化方式将软件设计分为若干个模块分别编程和调试。软件主要由主程序，定时器中断程序和外部触发中断程序组成。针对可能出现的抖动和反转，主程序在设计时对每个传感器只采样一次信号，1号GMR传感器采样完成后等待2号GMR传感器，同样只采样一次，以此类推，四个传感器检测四次信号为一圈，八次信号为两圈，同时设定一个时间超时门限值T，两圈的转动没超过时间T，继续下一个步骤，超过了，计数清零，重新开始。控制系统主程序流程图如图4所示，中断程序省略。
5.结论
为实现油管转动圈数隔离式检测系统，本文利用GMR传感器，MSP430单片机以及低功耗的信号处理芯片，搭建了相应的控制电路，实现了对油管转动圈数的检测，相对于传统的接触式检测系统而言，该系统具有构建简单，可靠性高，体积小，使用寿命长等特点，在现场使用过程中具有良好的性能。
参考文献
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