基于C8051F060的高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜 恒，李樹軍，徐永新

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)是一種由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成的高副機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，因而廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化、半自動(dòng)化機(jī)械裝置中。凸輪機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)中從動(dòng)件的慣性力急劇增大，構(gòu)件彈性形變的影響會(huì)使輸出端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律偏離預(yù)定的要求，產(chǎn)生嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)偏差[2]。針對(duì)高速凸輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論分析研究，但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究比較缺乏。

本文介紹了一種利用C8051F060單片機(jī)以及美國(guó)NI公司的LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)工具構(gòu)建的高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)，通過該測(cè)試系統(tǒng)獲得凸輪機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)高速動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析研究，為高速凸輪動(dòng)力學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)通過測(cè)量凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速、位移以及加速度來研究高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，1為直流電機(jī)，直流電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)4凸輪軸旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1∶3，因此凸輪軸的最高轉(zhuǎn)速為1000r/min。凸輪7通過鍵與凸輪軸4連接，利用緊定螺釘軸向固定，可以方便地更換凸輪。飛輪6可以通過撥桿5方便的從系統(tǒng)中加載或移除，從而改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。8為滾子擺桿，兩端裝有滾子，可以減少磨損。滾子擺桿一端與凸輪接觸，另一端與直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相接觸。直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由直線運(yùn)動(dòng)軸9、砝碼10和彈簧12組成，可將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速由增量式光電編碼器2測(cè)量。加速度與位移通過固連在砝碼上的加速度傳感器11和位移傳感器13測(cè)量。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、傳感器適配器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)組成。由于測(cè)試系統(tǒng)的最小采樣周期為0.16ms，常用的數(shù)據(jù)“采集卡+Windows操作系統(tǒng)”的方法無(wú)法滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。因此本測(cè)試系統(tǒng)選用以高速單片機(jī)為核心搭建數(shù)據(jù)采集卡。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)適配器放大后，由高速單片機(jī)進(jìn)行采集，所得的數(shù)據(jù)首先存入單片機(jī)的外存儲(chǔ)器。采集工作結(jié)束后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理。通過這種方法滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。

本系統(tǒng)以美國(guó)Silicon Laboratories 公司的C8051F060單片機(jī)作為核心。該型號(hào)單片機(jī)其片上集成有與高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（速度可達(dá)25MIPS）； 2個(gè)16位、1Msps的ADC；5個(gè)通用的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；1個(gè)帶6個(gè)比較/捕捉模塊的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器陣列[4]，完全符合本系統(tǒng)的要求。

光電編碼器輸出的信號(hào)經(jīng)四倍頻電路細(xì)分后由單片機(jī)內(nèi)部集成的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，加速度傳感器和位移傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后由16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0和ADC1進(jìn)行采集。由于ADC0和ADC1的啟動(dòng)方式可以設(shè)置為定時(shí)器T3溢出啟動(dòng)，因此選擇定時(shí)器T3控制信號(hào)的采樣周期。系統(tǒng)工作時(shí)，首先測(cè)得凸輪機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速平均值，通過轉(zhuǎn)速平均值計(jì)算出系統(tǒng)的采樣周期，進(jìn)而確定定時(shí)器T3的初值。定時(shí)器T3發(fā)生溢出時(shí)，執(zhí)行定時(shí)器T3中斷服務(wù)程序，存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，自動(dòng)開啟ADC0和ADC1，待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后將所得的結(jié)果存入外存儲(chǔ)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出時(shí)，采樣過程結(jié)束，并將所得的全部數(shù)據(jù)經(jīng)RS232總線發(fā)送至上位機(jī)，系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 四倍頻細(xì)分電路設(shè)計(jì)

在高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量是其中的關(guān)鍵。測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要功能就是測(cè)試凸輪機(jī)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況。考慮到測(cè)試系統(tǒng)采用增量式光電編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)速，為提高系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度，根據(jù)光電編碼器輸出的A相和B相信號(hào)相位相差90°的基本原理，設(shè)計(jì)了光電編碼器四倍頻細(xì)分電路。四倍頻電路如圖3所示。

在圖3所示的電路中，光電編碼器輸出的A、B相信號(hào)首先經(jīng)過整形隔離電路后得到A1、B1信號(hào)。由于A1、B1信號(hào)相位相差90°，因此將A1、B1信號(hào)接入異或門電路74LS86進(jìn)行異或運(yùn)算，輸出的信號(hào)C其頻率為輸入信號(hào)頻率的兩倍。

兩倍頻信號(hào)C經(jīng)過兩路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221分別檢測(cè)出上升沿和下降沿。該觸發(fā)器由于內(nèi)部的補(bǔ)償作用，輸出脈沖的寬度穩(wěn)定性好。脈沖寬度的大小取決于電阻Rt和電容Cext的大小。實(shí)際應(yīng)用中，Rt的值選為4.7K，Cext的值選為75pF。74LS221負(fù)脈沖輸出端輸出的兩路信號(hào)D、E接入與門電路74LS08獲得四倍頻信號(hào)F。信號(hào)F最終接入單片機(jī)計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2 模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在測(cè)試系統(tǒng)中，由于加速度傳感器的輸出信號(hào)為-5～+5V，位移傳感器的輸出信號(hào)為0～+5V，而ADC1和ADC2的輸入信號(hào)范圍為0～VREF（VREF的值為2.5V），因此必須設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路將±5V信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2.5V。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

在圖4所示的電路中，輸入的±5V信號(hào)首先經(jīng)LT1991降壓后轉(zhuǎn)換為±1.25V，LT1991是一款精準(zhǔn)、增益可選放大器，通過改變引腳的接法可以獲得不同的增益，當(dāng)按圖示的接法連接電路時(shí)，其增益為0.25。輸入信號(hào)經(jīng)LT1991降壓后，在通過集成運(yùn)算放大器LT1363同1.25V的基準(zhǔn)電壓做反相加法運(yùn)算，將±1.25V的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～-2.5V。最后經(jīng)反相比例運(yùn)算電路調(diào)整為0～2.5V，輸入C8051F060的AIN0和AIN1引接進(jìn)行采集。其中1.25V和2.5V的基準(zhǔn)電壓分別由電壓基準(zhǔn)芯片REF2912和REF2925產(chǎn)生。

2.3 外存儲(chǔ)芯片選型

由于C8051F060內(nèi)部集成的外存存儲(chǔ)器容量為4K，無(wú)法滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求，所以必須擴(kuò)展外存容量。本方案中，考慮到C8051F060可擴(kuò)展的外存容量為64K，因此選用IDT71V124SA12PH實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。IDT71V124SA12PH是一款3.3V供電的、CMOS靜態(tài)RAM，其存儲(chǔ)容量為128K，完全符合測(cè)試系統(tǒng)的要求。C8051F060通過專用的EMIF接口配置外存儲(chǔ)器，包括復(fù)用方式與非復(fù)用方式得選擇、存儲(chǔ)模式的選擇以及時(shí)序的設(shè)置。

2.4 通信接口電路設(shè)計(jì)

由于測(cè)試系統(tǒng)全部的數(shù)據(jù)顯示工作都由上位機(jī)完成，因此必須保證下位機(jī)與上位機(jī)的通信功能。本系統(tǒng)采用RS232的通信方式。接口芯片選擇MAXIM公司的MAX3232。MAX3232芯片是一款3.0V至5.5V供電、低功耗、1Mbps、真RS232收發(fā)器。在使用時(shí)，只需要外接4只0.1uF的電容，就可以完成數(shù)據(jù)傳輸、通信的功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)（即C8051F060）軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)是四倍頻脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)程序。系統(tǒng)選用的編碼器為美國(guó)EPC公司的15S系列編碼器，每轉(zhuǎn)輸出10000個(gè)脈沖信號(hào)。而上位機(jī)顯示的凸輪運(yùn)動(dòng)周期最多為3個(gè)周期，因此凸輪旋轉(zhuǎn)3周，電機(jī)旋轉(zhuǎn)9周，編碼器輸出90000個(gè)脈沖，經(jīng)四倍頻細(xì)分電路后輸出360000個(gè)脈沖。C8051F060內(nèi)部集成的計(jì)數(shù)器均為16位，最多能計(jì)數(shù)65536個(gè)脈沖信號(hào)，無(wú)法滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)利用C8051F060內(nèi)部的計(jì)數(shù)器PCA0和T0搭建了一個(gè)24位的計(jì)數(shù)器，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件算法，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)360000個(gè)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。

可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器陣列PCA0的時(shí)基信號(hào)可以由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0溢出獲得，即T0每溢出一次，PCA0計(jì)數(shù)值加1。因此可以設(shè)置由T0對(duì)四倍頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，T0工作在8位自動(dòng)重裝載方式下，重載值和初值均為56，即T0每計(jì)數(shù)200個(gè)脈沖信號(hào)產(chǎn)生一次溢出。PCA0的時(shí)基信號(hào)由T0溢出獲得，PCA0的計(jì)數(shù)初值設(shè)置為63736，即PCA0計(jì)數(shù)值達(dá)到1800時(shí)，針對(duì)四倍頻信號(hào)的計(jì)數(shù)達(dá)到360000。某一時(shí)刻的計(jì)數(shù)值由以下公式確定：計(jì)數(shù)值＝(PCA0－63736) ×200＋TL0－56 （1）

PCA0為當(dāng)前PCA0寄存器的計(jì)數(shù)值，T0L為當(dāng)前T0寄存器的計(jì)數(shù)值。這種計(jì)數(shù)方法的突出特點(diǎn)是兩個(gè)計(jì)數(shù)器的連接完全通過單片機(jī)內(nèi)部配置寄存器實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在單片機(jī)外部進(jìn)行連線，從而提升了系統(tǒng)的計(jì)數(shù)精度和抗干擾性能。

綜上所述，下位機(jī)軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序、采樣周期設(shè)置程序、ADC初始化程序、定時(shí)器T3中斷服務(wù)程序以及PCA0中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)工作時(shí)，首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化子程序。在系統(tǒng)初始化程序中需要配置系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O端口、EMIF接口、串行接口UART0、定時(shí)器T3、定時(shí)器T0、PCA0以及中斷優(yōu)先級(jí)寄存器。在系統(tǒng)采樣周期設(shè)置程序中通過測(cè)量凸輪的平均轉(zhuǎn)速確定好采樣周期，并設(shè)置定時(shí)器T3的初值。在ADC初始化程序中確定AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和啟動(dòng)方式。在定時(shí)器3中斷服務(wù)程序中，每當(dāng)定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，PCA0和TL0的計(jì)數(shù)值存入外存，自動(dòng)開啟ADC0和ADC1進(jìn)行采樣，待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后將寄存器ADC0、ADC1的值存入外存。在PCA0中斷服務(wù)程序中，當(dāng)PCA0發(fā)生中斷時(shí)，通過串行接口UART0將外存中的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。下位機(jī)程序的流程圖如圖5所示。

3.2 上位機(jī)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

在測(cè)試系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)C8051F060需要進(jìn)行通信。上位機(jī)需要發(fā)送控制指令下位機(jī)。下位機(jī)采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，需要發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，運(yùn)算，并以曲線的形式進(jìn)行顯示。通過上位機(jī)測(cè)控軟件可以方便的實(shí)現(xiàn)上述功能。本測(cè)試系統(tǒng)利用虛擬儀器開發(fā)工具LabWindows/CVI編寫了一套高速凸輪試驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)測(cè)控軟件。

LabWindows/CVI是 美 國(guó) NI（National Instrument）公司推出的32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，可以在多個(gè)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，利用C語(yǔ)言編程，可以方便快速搭建自定義測(cè)控平臺(tái)。此外模塊化的數(shù)據(jù)處理方法，使軟件開發(fā)效率得到極大的提升且易于升級(jí)[7]。

本上位機(jī)軟件的功能是，通過配置打開串口，向下位機(jī)發(fā)送控制指令，接收下位機(jī)傳送的凸輪機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)。通過函數(shù)OpenComConfig（）打開串口并進(jìn)行相關(guān)的配置。數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送則是通過函數(shù)ComRd（）與ComWrt（）實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、運(yùn)算，最終在圖形框中以曲線的方式進(jìn)行顯示。上位機(jī)的界面如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方案的可行性，制作了采集系統(tǒng)樣機(jī)并與現(xiàn)有的高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。圖7是高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其測(cè)試條件為凸輪轉(zhuǎn)速247r/min，試驗(yàn)凸輪為圓偏心凸輪，未加飛輪，顯示周期為2周期。

圖7(a)為采用單倍頻計(jì)數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線，圖7(b)為采用四倍頻計(jì)數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線。從圖中可以看出，當(dāng)采用四倍頻計(jì)數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線更加光滑，更加接近于理論曲線。從而表明采用四倍頻電路可以提高系統(tǒng)的采集精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

凸輪機(jī)構(gòu)是一種在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的機(jī)構(gòu)，有關(guān)于它的實(shí)驗(yàn)研究在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。本方案設(shè)計(jì)了基于C8051F060的高速凸輪測(cè)試系統(tǒng)并制作了樣機(jī)，對(duì)研究凸輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)行了初步研究。在后續(xù)調(diào)試中還要對(duì)采集卡以及程序的優(yōu)化進(jìn)行一系列改進(jìn)。

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