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专利名称：一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202311810447.0

专利申请（专利权）人：白城福佳开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：吉林省白城市洮北区西青龙路20号

专利发明（设计）人：徐信,宿刚,李明杰,陈曦,周柄含,宋傲,马成聪,李树波

专利摘要：本发明公开了一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，涉及电缆生产领域，该用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统包括：发射板，用于驱动发射线圈产生电磁波信号；发射线圈，用于发射幅值15V、频率150KHZ的正弦电磁波信号，接收线圈，用于通过硫化管内线芯导磁作用，上下两个接收线圈接收到来自线芯传递的正弦电磁波信号，上下两个接收线圈根据和线芯距离远近输出大小不同的150KHZ电压信号，供给接收板；本发明的有益效果是：本发明中发射板、接收板使用贴片型电子元器件，减少了因焊接、芯片质量等问题产生的悬垂系统使用寿命短、抗干扰能力差和良品率偏低的问题；发射板使用DDS芯片其频率准确度和频率稳定度高。

主权利要求：
1.一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，其特征在于，该用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统包括：发射板，用于驱动发射线圈产生电磁波信号；
发射线圈，用于发射幅值15V、频率150KHZ的正弦电磁波信号，
接收线圈，用于通过硫化管内线芯导磁作用，上下两个接收线圈接收到来自线芯传递的正弦电磁波信号，上下两个接收线圈根据和线芯距离远近输出大小不同的150KHZ电压信号，供给接收板；
接收板，用于检测上下两接收线圈中频率为150KHZ的电压信号强度并作差放大，获取作差放大电压信号，输出给信号调理板；
信号调理板，用于根据作差放大电压信号，控制下牵引驱动器工作状态；
下牵引驱动器，用于工作时根据控制信号驱动下牵引机工作；
下牵引机，用于牵引线芯，使线芯在硫化管中处于悬链状态；
发射板连接发射线圈，发射线圈固定在硫化管前端，并与硫化管绝缘，两个接收线圈固定在硫化管后端，水平方向上下对称于硫化管道固定，电感值相等，同样与硫化管绝缘；接收线圈连接接收板，接收板连接信号调理板，信号调理板连接下牵引驱动器，下牵引驱动器连接下牵引机；
接收板包括：
解调电路，用于接收上下两个接收线圈输出的150KHZ、大小不同的电压信号，解调后获取调制信号；
方波产生和取样保持电路，用于通过100HZ的切换信号SIG?DIV辅助解调电路完成电压信号解调，对解调信号采样后，得到上下两个接收线圈中电压幅值信号Volt?L与Volt?R，送入运算电路；
运算电路，用于对电压幅值信号Volt?L与Volt?R作差并放大，获取作差放大电压信号，输出给微控制器MCU2；
微控制器MCU2，用于对作差放大电压信号读。涑龈牍芟允镜缏、信号输出电路；
数码管显示电路，用于显示作差放大电压信号大。
信号输出电路，用于将作差放大电压信号输出给信号调理板；
解调电路的第一输入端连接上下两个接收线圈，解调电路的第二输入端连接方波产生和取样保持电路的第一输出端，解调电路的输出端连接方波产生和取样保持电路的输入端，方波产生和取样保持电路的第二输出端连接运算电路的输入端，运算电路的输出端连接微控制器MCU2的AIN端口，微控制器MCU2的GPIO端口连接数码管显示电路的输入端，微控制器MCU2的SPI端口连接信号输出电路的输入端，信号输出电路的输出端连接信号调理板；
运算电路包括仪表放大器，仪表放大器的型号为AD8220，仪表放大器的IN+端连接运算放大器A6的输出端、电阻R32的一端，电阻R32的另一端连接电阻R33的一端、运算放大器A6的反相端，电阻R33的另一端连接电位器RP3的滑动端，电位器RP3的一端连接5V电压，电位器RP3的另一端接地，运算放大器A6的同相端通过电阻R28连接方波产生和取样保持电路的第二输出端；仪表放大器的IN?端连接运算放大器A5的输出端、电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电阻R17的一端、运算放大器A5的反相端，电阻R17的另一端连接电位器RP1的滑动端，电位器RP1的一端连接5V电压，电位器RP1的另一端接地，运算放大器A5的同相端通过电阻R20连接方波产生和取样保持电路的第二输出端；仪表放大器的REF端连接电位器RP2的滑动端，电位器RP2的一端连接5V电压，电位器RP2的另一端接地，仪表放大器的VOUT端连接微控制器MCU2的AIN端口；
运算放大器A5和A6是两个减法电路，将Volt?L和Volt?R分别减去一个偏置电压，即：
(3)
其中VREF?L和VREF?R通过电位器RP1和RP3进行调节，调节范围在0?5V之间；
VLO和VRO送入仪表放大器AD8220中进行相减和放大，另外AD8220的REF端连接一个电位器RP2进一步调零，调节范围在0?5V之间，输出电压VAIN能够表示为：
(4)
其中G为AD8220的放大倍数，放大公式为：
(5)
其中RG为AD8220连接的增益控制电阻，用电阻R23、R24、R25和2位拨码开关一起控制，放大倍数4档可调，由2位拨码开关控制；
信号输出电路包括DAC芯片、放大芯片，DAC芯片型号为DAC60501，放大芯片型号为LM7332，DAC芯片的DIN、SYNC、SCLK端连接微控制器MCU2的SPI端口，DAC芯片的输出端连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端连接电阻R56的一端、运算放大器A7的同相端，电阻R56的另一端连接电阻R63的一端、电阻R64的一端，电阻R63的另一端连接?5V电压，电阻R64的另一端接地，运算放大器A7的反相端连接电阻R48的一端、电阻R41的一端，电阻R48的另一端接地，电阻R41的另一端连接运算放大器A7的输出端、电阻R52的一端、电阻R57的一端，电阻R52的另一端连接放大芯片的第一同相端，放大芯片的第一反相端连接电阻R42的一端、电阻R43的一端，电阻R42的另一端接地，电阻R43的另一端连接放大芯片的第一输出端、信号调理板，电阻R57的另一端连接放大芯片的第二反相端、电阻R62的一端，放大芯片的第二同相端接地，电阻R62的另一端连接放大芯片的第二输出端、信号调理板；
微控制器MCU2通过SPI接口控制DAC60501输出模拟电压，DAC60501的输出电压VDAC1范围为0?3V，运算放大器A7构成一个具有2倍放大倍数的加法电路，被加电压由电阻R63、R64对?
5V电压进行分压得到，分压为?1.25V，则运算放大器A7的输出电压VDAC2为：
(6)
高输出电流放大芯片LM7332内部由两个运算放大器，一路连接成电压跟随器，一路连接为增益为?1的反向放大器，两路差分输出电压为： (7)
其中LM7332每个通道最高输出电流可达70mA，VP+和VP?的输出电压范围为?2.5V到+
2.5V，VP+和VP?的值与步骤6中的VAIN的关系为：
(8)
VAIN的电压范围为0?3300mV，当VAIN=1650mV时VP+=0，根据等式(8)确定VP+和VP?，进一步根据等式(6)和(7)确定VDAC1，即可采用微控制器MCU2对DAC60501进行设置。
2.根据权利要求1所述的用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，其特征在于，发射板包括微控制器MCU1、DDS芯片、运算放大器A、功率放大器，微控制器MCU1的SPI端口连接DDS芯片的输入端，DDS芯片的输出端连接运算放大器A的输入端，运算放大器A的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接发射线圈的一端、二极管D101的正极，发射线圈的另一端接地，二极管D101的负极连接电阻R101的一端，电阻R101的另一端连接电阻R102的一端、电容C101的一端、微控制器MCU1的AIN端口，电阻R102的另一端接地，电容C101的另一端接地，微控制器MCU1的GPIO端口连接LED指示灯。
3.根据权利要求1所述的用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，其特征在于，解调电路包括耦合电感CT1、耦合电感CT2、耦合电感CT3、模拟乘法器、中频AM解调器，模拟乘法器型号为MC1496，中频AM解调器型号为TDA1046；
耦合电感CT2的输入侧一端连接上接收线圈的一端，上接收线圈的另一端接地，耦合电感CT2的输入侧另一端接地，耦合电感CT2的输出侧一端连接5V电压，耦合电感CT2的输出侧另一端连接电容C19的一端、模拟乘法器的SIN+端，电容C19的另一端连接5V电压；
耦合电感CT3的输入侧一端连接下接收线圈的一端，下接收线圈的另一端接地，耦合电感CT3的输入侧另一端接地，耦合电感CT3的输出侧一端连接5V电压，耦合电感CT3的输出侧另一端连接电容C25的一端、模拟乘法器的SIN?端，电容C25的另一端连接5V电压；
模拟乘法器的CIN?端连接10V电压，模拟乘法器的CIN+端连接电阻R2的一端、电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端连接方波产生和取样保持电路的第一输出端，模拟乘法器的VEE端接地，模拟乘法器的OUT+端连接电容C14的一端、耦合电感CT1的输入侧一端，模拟乘法器的OUT?端连接电容C14的另一端、15V电压、耦合电感CT1的输入侧另一端，耦合电感CT1的输出侧一端接地，耦合电感CT1的输出侧另一端通过电容C11连接中频AM解调器的FI?端，中频AM解调器的UQNF端连接电容C15的一端、运算放大器A1的同相端，电容C15的另一端接地，运放放大器A1的反相端连接方波产生和取样保持电路的输入端、运算放大器A1的输出端、电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运算放大器A2的同相端，运算放大器A2的反相端连接稳压二极管DZ1的正极，稳压二极管DZ1的负极连接运算放大器A2的输出端、电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接电容C22的一端、中频AM解调器的ZFRV1端。
4.根据权利要求1所述的用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，其特征在于，方波产生和取样保持电路包括计数器、模拟开关、施密特触发器，计数器型号为CD4017，模拟开关型号为CD4016、施密特触发器型号为CD40106，施密特触发器、电阻R19、电容C29构成RC振荡电路，RC振荡电路的输出端连接另一个施密特触发器的输入端，另一个施密特触发器的输出端连接计数器的CLK端，计数器的CO端连接解调电路的第二输入端，计数器的3端连接二极管D1的正极，计数器的4端连接二极管D2的正极，二极管D1的负极连接二极管D2的负极模拟开关的S0端，计数器的8端连接二极管D3的正极，计数器的9端连接二极管D4的正极，二极管D3的负极连接二极管D4的负极、模拟开关的S1端，模拟开关的IO0、IO1端连接解调电路的输出端，模拟开关的OI0端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接运算放大器A3的同相端，运算放大器A3的反相端连接运算放大器A3的输出端、运算电路的输入端，模拟开关的OI1端连接电阻R31的一端，电阻R31的另一端连接运算放大器A4的同相端，运算放大器A4的反相端连接运算放大器A4的输出端、运算电路的输入。 说明书 : 一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统技术领域[0001] 本发明涉及电缆生产领域，具体是一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统。背景技术[0002] 在悬链式交联电缆生产线中，需要控制线芯在硫化管中处于悬链状态，整个生产过程不能与管壁接触。悬垂控制器可以通过探测线芯位置，将控制信号送入下牵引机，微调下牵引机的转速，控制线芯始终保持在硫化管中间位置附近。[0003] 现有悬垂技术中，通常使用模拟器件产生正弦波励磁信号对发射线圈激励，其频率准确度和稳定度较差，需要改进。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，以解决上述背景技术中提出的问题。[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0006] 一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，包括：[0007] 发射板，用于驱动发射线圈产生电磁波信号；[0008] 发射线圈，用于发射幅值15V、频率150KHZ的正弦电磁波信号，[0009] 接收线圈，用于通过硫化管（金属管）内线芯导磁作用，上下两个接收线圈接收到来自线芯传递的正弦电磁波信号，上下两个接收线圈根据和线芯距离远近输出大小不同的150KHZ电压信号，供给接收板；[0010] 接收板，用于检测上下两接收线圈中频率为150KHZ的电压信号强度并作差放大，获取作差放大电压信号，输出给信号调理板；[0011] 信号调理板，用于根据作差放大电压信号，控制下牵引驱动器工作状态；[0012] 下牵引驱动器，用于工作时根据控制信号驱动下牵引机工作；[0013] 下牵引机，用于牵引线芯，使线芯在硫化管中处于悬链状态；[0014] 发射板连接发射线圈，发射线圈固定在硫化管前端，并与硫化管绝缘，两个接收线圈固定在硫化管后端，水平方向上下对称于硫化管道固定，电感值相等，同样与硫化管绝缘；接收线圈连接接收板，接收板连接信号调理板，信号调理板连接下牵引驱动器，下牵引驱动器连接下牵引机。[0015] 作为本发明再进一步的方案：发射板包括微控制器MCU1、DDS芯片、运算放大器A、功率放大器，微控制器MCU1的SPI端口连接DDS芯片的输入端，DDS芯片的输出端连接运算放大器A的输入端，运算放大器A的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接发射线圈的一端、二极管D101的正极，发射线圈的另一端接地，二极管D101的负极连接电阻R101的一端，电阻R101的另一端连接电阻R102的一端、电容C101的一端、微控制器MCU1的AIN端口，电阻R102的另一端接地，电容C101的另一端接地，微控制器MCU1的GPIO端口连接LED指示灯。[0016] 作为本发明再进一步的方案：接收板包括：[0017] 解调电路，用于接收上下两个接收线圈输出的150KHZ、大小不同的电压信号，解调后获取调制信号；[0018] 方波产生和取样保持电路，用于通过100HZ的切换信号SIG?DIV辅助解调电路完成电压信号解调，对解调信号采样后，得到上下两个接收线圈中电压幅值信号Volt?L与Volt?R，送入运算电路；[0019] 运算电路，用于对电压幅值信号Volt?L与Volt?R作差并放大，获取作差放大电压信号，输出给微控制器MCU2；[0020] 微控制器MCU2，用于对作差放大电压信号读。涑龈牍芟允镜缏、信号输出电路；[0021] 数码管显示电路，用于显示作差放大电压信号大。籟0022] 信号输出电路，用于将作差放大电压信号输出给信号调理板；[0023] 解调电路的第一输入端连接上下两个接收线圈，解调电路的第二输入端连接方波产生和取样保持电路的第一输出端，解调电路的输出端连接方波产生和取样保持电路的输入端，方波产生和取样保持电路的第二输出端连接运算电路的输入端，运算电路的输出端连接微控制器MCU2的AIN端口，微控制器MCU2的GPIO端口连接数码管显示电路的输入端，微控制器MCU2的SPI端口连接信号输出电路的输入端，信号输出电路的输出端连接信号调理板。[0024] 作为本发明再进一步的方案：解调电路包括耦合电感CT1、耦合电感CT2、耦合电感CT3、模拟乘法器、中频AM解调器，模拟乘法器型号为MC1496，中频AM解调器型号为TDA1046；[0025] 耦合电感CT2的输入侧一端连接上接收线圈的一端，上接收线圈的另一端接地，耦合电感CT2的输入侧另一端接地，耦合电感CT2的输出侧一端连接5V电压，耦合电感CT2的输出侧另一端连接电容C19的一端、模拟乘法器的SIN+端，电容C19的另一端连接5V电压；[0026] 耦合电感CT3的输入侧一端连接下接收线圈的一端，下接收线圈的另一端接地，耦合电感CT3的输入侧另一端接地，耦合电感CT3的输出侧一端连接5V电压，耦合电感CT3的输出侧另一端连接电容C25的一端、模拟乘法器的SIN?端，电容C25的另一端连接5V电压；[0027] 模拟乘法器的CIN?端连接10V电压，模拟乘法器的CIN+端连接电阻R2的一端、电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端连接方波产生和取样保持电路的第一输出端，模拟乘法器的VEE端接地，模拟乘法器的OUT+端连接电容C14的一端、耦合电感CT1的输入侧一端，模拟乘法器的OUT?端连接电容C14的另一端、15V电压、耦合电感CT1的输入侧另一端，耦合电感CT1的输出侧一端接地，耦合电感CT1的输出侧另一端通过电容C11连接中频AM解调器的FI?端，中频AM解调器的UQNF端连接电容C15的一端、运算放大器A1的同相端，电容C15的另一端接地，运放放大器A1的反相端连接方波产生和取样保持电路的输入端、运算放大器A1的输出端、电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运算放大器A2的同相端，运算放大器A2的反相端连接稳压二极管DZ1的正极，稳压二极管DZ1的负极连接运算放大器A2的输出端、电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接电容C22的一端、中频AM解调器的ZFRV1端。[0028] 作为本发明再进一步的方案：方波产生和取样保持电路包括计数器、模拟开关、施密特触发器，计数器型号为CD4017，模拟开关型号为CD4016、施密特触发器型号为CD40106，施密特触发器、电阻R19、电容C29构成RC振荡电路，RC振荡电路的输出端连接另一个施密特触发器的输入端，另一个施密特触发器的输出端连接计数器的CLK端，计数器的CO端连接解调电路的第二输入端，计数器的3端连接二极管D1的正极，计数器的4端连接二极管D2的正极，二极管D1的负极连接二极管D2的负极模拟开关的S0端，计数器的8端连接二极管D3的正极，计数器的9端连接二极管D4的正极，二极管D3的负极连接二极管D4的负极、模拟开关的S1端，模拟开关的IO0、IO1端连接解调电路的输出端，模拟开关的OI0端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接运算放大器A3的同相端，运算放大器A3的反相端连接运算放大器A3的输出端、运算电路的输入端，模拟开关的OI1端连接电阻R31的一端，电阻R31的另一端连接运算放大器A4的同相端，运算放大器A4的反相端连接运算放大器A4的输出端、运算电路的输入端。[0029] 作为本发明再进一步的方案：运算电路包括仪表放大器，仪表放大器的型号为AD8220，仪表放大器的IN+端连接运算放大器A6的输出端、电阻R32的一端，电阻R32的另一端连接电阻R33的一端、运算放大器A6的反相端，电阻R33的另一端连接电位器RP3的滑动端，电位器RP3的一端连接5V电压，电位器RP3的另一端接地，运算放大器A6的同相端通过电阻R28连接方波产生和取样保持电路的第二输出端；仪表放大器的IN?端连接运算放大器A5的输出端、电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电阻R17的一端、运算放大器A5的反相端，电阻R17的另一端连接电位器RP1的滑动端，电位器RP1的一端连接5V电压，电位器RP1的另一端接地，运算放大器A5的同相端通过电阻R20连接方波产生和取样保持电路的第二输出端；仪表放大器的REF端连接电位器RP2的滑动端，电位器RP2的一端连接5V电压，电位器RP2的另一端接地，仪表放大器的VOUT端连接微控制器MCU2的AIN端口。[0030] 作为本发明再进一步的方案：信号输出电路包括DAC芯片、放大芯片，DAC芯片型号为DAC60501，放大芯片型号为LM7332，DAC芯片的DIN、SYNC、SCLK端连接微控制器MCU2的SPI端口，DAC芯片的输出端连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端连接电阻R56的一端、运算放大器A7的同相端，电阻R56的另一端连接电阻R63的一端、电阻R64的一端，电阻R63的另一端连接?5V电压，电阻R64的另一端接地，运算放大器A7的反相端连接电阻R48的一端、电阻R41的一端，电阻R48的另一端接地，电阻R41的另一端连接运算放大器A7的输出端、电阻R52的一端、电阻R57的一端，电阻R52的另一端连接放大芯片的第一同相端，放大芯片的第一反相端连接电阻R42的一端、电阻R43的一端，电阻R42的另一端接地，电阻R43的另一端连接放大芯片的第一输出端、信号调理板，电阻R57的另一端连接放大芯片的第二反相端、电阻R62的一端，放大芯片的第二同相端接地，电阻R62的另一端连接放大芯片的第二输出端、信号调理板。[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中发射板、接收板使用近年来性能稳定、产品一致性高的贴片型电子元器件，减少了因焊接、芯片质量等问题产生的悬垂系统使用寿命短、抗干扰能力差和良品率偏低的问题；[0032] 发射板使用DDS芯片（直接数字频率合成）实现中频正弦波的产生，代替现有的模拟振荡单路；其频率准确度和频率稳定度高，正弦波波形标准，使得频带更加狭窄，高次谐波。芰坷寐矢，增加了接收端接收信号的信噪比，提高了悬垂系统的抗干扰能力；[0033] 接收板相比现有技术相比，初始信号经过了解调电路二次选频，并进行了二次放大，提高了其信噪比，运算电路设置了多档位输出，增加了输出电压的显示功能和多个零点调节口，简化了安装调试难度和产品适应性。附图说明[0034] 图1为一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统的结构框图。[0035] 图2为发射板的原理框图。[0036] 图3为接收板的原理框图。[0037] 图4为接收板的解调电路的原理图。[0038] 图5为接收板的方波产生和取样保持电路的原理图。[0039] 图6为接收板的运算电路的原理图。[0040] 图7为接收板的信号输出电路的原理图。[0041] 图8为接收板的数码管显示电路的原理图。[0042] 图9为接收板的电源电路的原理图。[0043] 图10为接收板的信号时序图。具体实施方式[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0045] 请参阅图1，一种用于电缆生产设备的数字化悬垂控制器系统，包括：[0046] 发射板，用于驱动发射线圈产生电磁波信号；[0047] 发射线圈，用于发射幅值15V、频率150KHZ的正弦电磁波信号，[0048] 接收线圈，用于通过硫化管（金属管）内线芯导磁作用，上下两个接收线圈接收到来自线芯传递的正弦电磁波信号，上下两个接收线圈根据和线芯距离远近输出大小不同的150KHZ电压信号，供给接收板；[0049] 接收板，用于检测上下两接收线圈中频率为150KHZ的电压信号强度并作差放大，获取作差放大电压信号，输出给信号调理板；[0050] 信号调理板，用于根据作差放大电压信号，控制下牵引驱动器工作状态；[0051] 下牵引驱动器，用于工作时根据控制信号驱动下牵引机工作；[0052] 下牵引机，用于牵引线芯，使线芯在硫化管中处于悬链状态；[0053] 发射板连接发射线圈，发射线圈固定在硫化管前端，并与硫化管绝缘，两个接收线圈固定在硫化管后端，水平方向上下对称于硫化管道固定，电感值相等，同样与硫化管绝缘；接收线圈连接接收板，接收板连接信号调理板，信号调理板连接下牵引驱动器，下牵引驱动器连接下牵引机。[0054] 在具体实施例中：现有悬垂技术中，通常使用模拟器件产生正弦波励磁信号对发射线圈激励，其频率准确度和稳定度较差；接收板上的接收电路同样由模拟器件搭建，调试时需要调节多种电路参数，使用额外工具对输出信号检测，并且发射板接收板往往采用直插电子元器件，电路板抗干扰能力差，容易产生因焊接不牢导致的质量问题。[0055] 本发明研制了一种使用（DDS）直接数字频率合成技术产生励磁信号、经过二次选频放大后通过包络检波技术检测接收线圈信号来探测交联电缆生产线硫化管中线芯位置，将反映位置信息的电压信号给入到信号调理板，在调理板中进行PID计算后对下牵引机转速进行调节，控制线芯处于硫化管中间位置的悬垂系统。其发射板和接收板中大量使用数字电路，利用单片机（微控制器）实时监测输出电压，并通过LED或者数码管提示操作员必要信息，发射板、接收板选用贴片元器件，其可靠性高、调试方便、抗干扰能力强且扩展性良好。信号调理板是用来实现PID计算的控制板，可由全模拟电路或者模拟结合数字电路来实现，在工业领域具有一定普遍性，本发明阐述的悬垂系统侧重点在于线芯位置检测，故后续不对信号调理板进行说明。[0056] 发射线圈固定在硫化管前端，电感值为70uh左右，并与硫化管绝缘。两个接收线圈固定在硫化管后端，水平方向上下对称于硫化管道固定，电感值相等，为20uh左右，同样与硫化管绝缘。由发射板驱动发射线圈产生中频电磁波信号，驱动信号为幅值15V、频率150KHZ的正弦波；由于硫化管中线芯的导磁作用，上下两个接收线圈会接收到来自线芯传递的正弦波电磁信号，其感应电压信号的幅值与线芯和线圈的距离正相关，由接收板检测两接收线圈中频率为150KHZ的信号强度并作差，从而估算出线芯在硫化管中的位置偏移。[0057] 在本实施例中：请参阅图2，发射板包括微控制器MCU1、DDS芯片、运算放大器A、功率放大器，微控制器MCU1的SPI端口连接DDS芯片的输入端，DDS芯片的输出端连接运算放大器A的输入端，运算放大器A的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接发射线圈的一端、二极管D101的正极，发射线圈的另一端接地，二极管D101的负极连接电阻R101的一端，电阻R101的另一端连接电阻R102的一端、电容C101的一端、微控制器MCU1的AIN端口，电阻R102的另一端接地，电容C101的另一端接地，微控制器MCU1的GPIO端口连接LED指示灯。[0058] 通过微控制器MCU1（微控制器即单片机）驱动DDS(直接数字频率合成)芯片，产生频率为150KHZ的正弦波，通过运算放大器A放大后送入功率放大器，对发射线圈输出幅值为14V左右，频率为150KHZ的电压驱动信号。同时通过MCU1自带的ADC(模拟?数字转换器)对输出电压进行监控，如果电压幅度异常，则通过LED指示灯报错。[0059] 在本实施例中：请参阅图3和图10，接收板包括：[0060] 解调电路，用于接收上下两个接收线圈输出的150KHZ、大小不同的电压信号，解调后获取调制信号；[0061] 方波产生和取样保持电路，用于通过100HZ的切换信号SIG?DIV辅助解调电路完成电压信号解调，对解调信号采样后，得到上下两个接收线圈中电压幅值信号Volt?L与Volt?R，送入运算电路；[0062] 运算电路，用于对电压幅值信号Volt?L与Volt?R作差并放大，获取作差放大电压信号，输出给微控制器MCU2；[0063] 微控制器MCU2，用于对作差放大电压信号读。涑龈牍芟允镜缏、信号输出电路；[0064] 数码管显示电路，用于显示作差放大电压信号大。籟0065] 信号输出电路，用于将作差放大电压信号输出给信号调理板；[0066] 解调电路的第一输入端连接上下两个接收线圈，解调电路的第二输入端连接方波产生和取样保持电路的第一输出端，解调电路的输出端连接方波产生和取样保持电路的输入端，方波产生和取样保持电路的第二输出端连接运算电路的输入端，运算电路的输出端连接微控制器MCU2的AIN端口，微控制器MCU2的GPIO端口连接数码管显示电路的输入端，微控制器MCU2的SPI端口连接信号输出电路的输入端，信号输出电路的输出端连接信号调理板。[0067] 上下两个接收线圈会接收来自于线芯传导的来自于发射线圈的150KHZ的电磁波信号，接收线圈中感应到的信号强度正相关于接收线圈和线芯的距离，接收线圈中感应信号频率同样为150KHZ，其包络线反映了其信号强度，为提取该信号包络的电压幅值，将该信号视作经过幅度调制，载波为150KHZ的已调信号，经过解调电路解调后得到调制信号，即接收线圈中感应到的通过线芯传导的来自于发射线圈的信号强度，方波产生和取样保持电路通过100HZ的切换信号SIG?DIV复用解调电路对两线圈中电压信号解调，采样保持后，得到两线圈中电压幅值信号Volt?L与Volt?R，送入运算电路作差并放大，通过微控制器MUC2中ADC将此电压差值读取出来，经过信号输出电路差分输出并在数码管显示电路中显示出来。[0068] 在本实施例中：请参阅图4，解调电路包括耦合电感CT1、耦合电感CT2、耦合电感CT3、模拟乘法器、中频AM解调器，模拟乘法器型号为MC1496，中频AM解调器型号为TDA1046；[0069] 耦合电感CT2的输入侧一端连接上接收线圈的一端，上接收线圈的另一端接地，耦合电感CT2的输入侧另一端接地，耦合电感CT2的输出侧一端连接5V电压，耦合电感CT2的输出侧另一端连接电容C19的一端、模拟乘法器的SIN+端，电容C19的另一端连接5V电压；[0070] 耦合电感CT3的输入侧一端连接下接收线圈的一端，下接收线圈的另一端接地，耦合电感CT3的输入侧另一端接地，耦合电感CT3的输出侧一端连接5V电压，耦合电感CT3的输出侧另一端连接电容C25的一端、模拟乘法器的SIN?端，电容C25的另一端连接5V电压；[0071] 模拟乘法器的CIN?端连接10V电压，模拟乘法器的CIN+端连接电阻R2的一端、电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端连接方波产生和取样保持电路的第一输出端，模拟乘法器的VEE端接地，模拟乘法器的OUT+端连接电容C14的一端、耦合电感CT1的输入侧一端，模拟乘法器的OUT?端连接电容C14的另一端、15V电压、耦合电感CT1的输入侧另一端，耦合电感CT1的输出侧一端接地，耦合电感CT1的输出侧另一端通过电容C11连接中频AM解调器的FI?端，中频AM解调器的UQNF端连接电容C15的一端、运算放大器A1的同相端，电容C15的另一端接地，运放放大器A1的反相端连接方波产生和取样保持电路的输入端、运算放大器A1的输出端、电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运算放大器A2的同相端，运算放大器A2的反相端连接稳压二极管DZ1的正极，稳压二极管DZ1的负极连接运算放大器A2的输出端、电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接电容C22的一端、中频AM解调器的ZFRV1端。[0072] 上下接收线圈接入可调耦合电感CT2和CT3，耦合电感CT2和电容C19，耦合电感CT3和电容C25分别构成LC谐振电路，谐振频率：[0073] (1)[0074] 发射线圈的工作频率为150kHz，电容C19和C25为28.8nF，调节耦合电感CT2和CT3的输出侧为39μH时谐振频率约为150kHz，实现选频的作用。[0075] 模拟乘法器MC1496将两路谐振信号与10V直流信号进行相乘，进一步实现放大。SIG?DIV为频率为100Hz占空比为50%的方波信号，波形如附图10所示，SIG?DIV的变化使MC1496分别输出两路谐振信号，耦合电感CT1的初级和电容C14构成LC谐振电路，谐振频率为150kHz，对MC1496的输出信号进一步选频，输出信号Volt?A的时序图如附图10所示，即为振幅调制信号，载波频率150kHz，已调信号频率100Hz。中频振幅解调器TDA1046实现对信号Volt?A解调，解调出Volt?A信号的包络线Volt?C，信号Volt?C的时序图如附图10所示。Volt?C在SIG?DIV高电平时刻的幅值Volt?L代表上接收线圈的信号强度，Volt?C在SIG?DIV低电平时刻的幅值Volt?R代表下接收线圈的信号强度，根据Volt?L和Volt?R的值就可以判别交联电缆的位置。[0076] 在本实施例中：请参阅图5和图10，方波产生和取样保持电路包括计数器、模拟开关、施密特触发器，计数器型号为CD4017，模拟开关型号为CD4016、施密特触发器型号为CD40106，施密特触发器、电阻R19、电容C29构成RC振荡电路，RC振荡电路的输出端连接另一个施密特触发器的输入端，另一个施密特触发器的输出端连接计数器的CLK端，计数器的CO端连接解调电路的第二输入端，计数器的3端连接二极管D1的正极，计数器的4端连接二极管D2的正极，二极管D1的负极连接二极管D2的负极模拟开关的S0端，计数器的8端连接二极管D3的正极，计数器的9端连接二极管D4的正极，二极管D3的负极连接二极管D4的负极、模拟开关的S1端，模拟开关的IO0、IO1端连接解调电路的输出端，模拟开关的OI0端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接运算放大器A3的同相端，运算放大器A3的反相端连接运算放大器A3的输出端、运算电路的输入端，模拟开关的OI1端连接电阻R31的一端，电阻R31的另一端连接运算放大器A4的同相端，运算放大器A4的反相端连接运算放大器A4的输出端、运算电路的输入端。[0077] 施密特触发器CD40106、电容C29、电阻R19构成RC振荡电路，振荡频率为：[0078] (2)[0079] 通常k=0.8～2.0之间，当R19=47kΩ，C29=22nF时输出CLK频率为1kHz，信号CLK的时序图如附图10所示。[0080] CD4017为10位计数器，SIG?DIV为CLK的10分频信号，频率为100Hz，信号SIG?DIV的时序图如附图10所示。二极管D1、D2、D3、D4构成或逻辑，得到信号EN?L和EN?R，信号时序图如图10所示。EN?L和EN?R分别控制多路模拟开关CD4016的两路开关，Volt?C信号分别被EN?L和EN?R的高电平选择导通模拟开关，模拟开关输出两路信号送入由运算放大器A3和A4组成的取样保持电路，得到信号Volt?L和Volt?R。[0081] 在本实施例中：请参阅图6，运算电路包括仪表放大器，仪表放大器的型号为AD8220，仪表放大器的IN+端连接运算放大器A6的输出端、电阻R32的一端，电阻R32的另一端连接电阻R33的一端、运算放大器A6的反相端，电阻R33的另一端连接电位器RP3的滑动端，电位器RP3的一端连接5V电压，电位器RP3的另一端接地，运算放大器A6的同相端通过电阻R28连接方波产生和取样保持电路的第二输出端；仪表放大器的IN?端连接运算放大器A5的输出端、电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电阻R17的一端、运算放大器A5的反相端，电阻R17的另一端连接电位器RP1的滑动端，电位器RP1的一端连接5V电压，电位器RP1的另一端接地，运算放大器A5的同相端通过电阻R20连接方波产生和取样保持电路的第二输出端；仪表放大器的REF端连接电位器RP2的滑动端，电位器RP2的一端连接5V电压，电位器RP2的另一端接地，仪表放大器的VOUT端连接微控制器MCU2的AIN端口。[0082] 由于上下接收线圈存在差异、外部环境存在差异，当交联电缆位于中间位置时Volt?L和Volt?R的值可能存在差异，为此需要运算电路进行调零运算，另外由于发射线圈的功率存在不确定性、接收线圈与发射线圈的距离存在变化、外部环境对磁场强度的影响不确定性，需要对接收信号的放大倍数进行调节来保证微控制器ADC端口模拟电压的读取范围。[0083] 运算放大器A5和A6是两个减法电路，将Volt?L和Volt?R分别减去一个偏置电压，即：[0084] (3)[0085] 其中VREF?L和VREF?R通过电位器RP1和RP3进行调节，调节范围在0?5V之间。[0086] VLO和VRO送入仪表放大器AD8220中进行相减和放大，另外AD8220的REF端连接一个电位器RP2进一步调零，调节范围在0?5V之间，输出电压VAIN能够表示为：[0087] (4)[0088] 其中G为AD8220的放大倍数，放大公式为：[0089] (5)[0090] 其中RG为AD8220连接的增益控制电阻，用电阻R23、R24、R25和2位拨码开关一起控制，放大倍数4档可调，由2位拨码开关控制，放大倍数如表1所示：[0091][0092] 即放大倍数分别位2倍、3倍、4倍和5倍。[0093] 在本实施例中：请参阅图7，信号输出电路包括DAC芯片、放大芯片，DAC芯片型号为DAC60501，放大芯片型号为LM7332，DAC芯片的DIN、SYNC、SCLK端连接微控制器MCU2的SPI端口，DAC芯片的输出端连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端连接电阻R56的一端、运算放大器A7的同相端，电阻R56的另一端连接电阻R63的一端、电阻R64的一端，电阻R63的另一端连接?5V电压，电阻R64的另一端接地，运算放大器A7的反相端连接电阻R48的一端、电阻R41的一端，电阻R48的另一端接地，电阻R41的另一端连接运算放大器A7的输出端、电阻R52的一端、电阻R57的一端，电阻R52的另一端连接放大芯片的第一同相端，放大芯片的第一反相端连接电阻R42的一端、电阻R43的一端，电阻R42的另一端接地，电阻R43的另一端连接放大芯片的第一输出端、信号调理板，电阻R57的另一端连接放大芯片的第二反相端、电阻R62的一端，放大芯片的第二同相端接地，电阻R62的另一端连接放大芯片的第二输出端、信号调理板。[0094] 微控制器MCU2通过SPI接口控制DAC芯片(DAC60501)输出模拟电压，DAC60501的输出电压[0095] VDAC1范围为0?3V，运算放大器A7构成一个具有2倍放大倍数的加法电路，被加电压由电阻R63、R64对?5V电压进行分压得到，分压为?1.25V，则运算放大器A7的输出电压VDAC2为：[0096] (6)[0097] 高输出电流放大芯片LM7332内部由两个运算放大器，一路连接成电压跟随器，一路连接为增益为?1的反向放大器，两路差分输出电压为：[0098] (7)[0099] 其中LM7332每个通道最高输出电流可达70mA，VP+和VP?的输出电压范围为?2.5V到+2.5V。VP+和VP?的值与步骤6中的VAIN的关系为：[0100] (8)[0101] VAIN的电压范围为0?3300mV，当VAIN=1650mV时VP+=0，根据等式(8)确定VP+和VP?，进一步根据等式(6)和(7)确定VDAC1，即可采用微控制器MCU2对DAC60501进行设置。[0102] 在本实施例中：请参阅图8，数码管显示电路采用5位数码管，最高位为符号位，后4位为VP+的电压值，单位为mV，采用数码管显示方便对电位器和拨码开关进行调节时实时观察。[0103] 在本实施例中：请参阅图9，接收板还包括电源电路，电源电路由AC?DC（交流转直流）隔离电源模块提供±24V的电压源；通过LDO线性稳压器芯片78M15、78M10、78M05、79M15、79M05来实现24V转15V、15V转10V、10V转5V、?24V转?15V和?15V转?5V的电压转换，为各部件供电。使用DC?DC（直流转直流）降压芯片TPS5430，将24V电压降至3.3V，为微控制器MCU2供电。[0104] 本发明的工作原理是：发射板用于驱动发射线圈产生电磁波信号；发射线圈用于发射幅值15V、频率150KHZ的正弦电磁波信号，接收线圈用于通过硫化管内线芯导磁作用，上下两个接收线圈接收到来自线芯传递的正弦电磁波信号，上下两个接收线圈根据和线芯距离远近输出大小不同的150KHZ电压信号，供给接收板；接收板用于检测上下两接收线圈中频率为150KHZ的电压信号强度并作差放大，获取作差放大电压信号，输出给信号调理板；信号调理板用于根据作差放大电压信号，控制下牵引驱动器工作状态；下牵引驱动器用于工作时根据控制信号驱动下牵引机工作；下牵引机用于牵引线芯，使线芯在硫化管中处于悬链状态。[0105] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。[0106] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

专利地区：吉林

专利申请日期：2023-12-27

专利公开日期：2024-06-21

专利公告号：CN117784686B