基于串行通信的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

韋曉茹，李朝明

(蘇州大學(xué) 信息光學(xué)工程研究所，江蘇 蘇州 215006)

壓電陶瓷由于其奇妙的壓電效應(yīng)被科學(xué)家們應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)等功能。壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一。利用這微小的變化可以制作精確控制機(jī)構(gòu)——壓電驅(qū)動(dòng)器，對于精密儀器和機(jī)械的控制等領(lǐng)域作用巨大。壓電驅(qū)動(dòng)器具有很高的位移分辨率以及抗干擾能力，并且控制方法簡單，非常適用于微位移驅(qū)動(dòng)，目前已被廣泛應(yīng)用于國防、生物醫(yī)學(xué)、光電子等諸多領(lǐng)域[1-2]。調(diào)節(jié)壓電陶瓷上的電壓可以采用手動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制的方式，隨著高性能D/A芯片的應(yīng)用，使得計(jì)算機(jī)控制更加精確。計(jì)算機(jī)和外部電路(含單片機(jī))的通信可以通過串口來實(shí)現(xiàn)。由于串行通信[3]具有高效可靠、價(jià)格便宜、遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，使得串口通信在系統(tǒng)控制[4-5]的范疇中一直占據(jù)著極其重要的地位。Visual Basic 6.0提供了串行通信控件，可以輕松實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的交換。本文介紹通過PC和單片機(jī)之間的串行通信來實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，其中計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)。

1 硬件基礎(chǔ)

圖1所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。由于上下位機(jī)串行口工作電平不一致，它們之間通過MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。單片機(jī)選擇了ATMEL公司的精簡指令集單片機(jī)ATmega16，該款單片機(jī)功耗低，在正常模式下只有1.1 mA，最高工作頻率可達(dá)16 MHz，具有可擦寫的16 KB的可編程Flash，其內(nèi)部的USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，使用起來非常方便。D/A芯片采用ANALOG公司的12 bit分辨率的AD5344，AD5344具有并行輸入接口，需要的控制線也不多，并且具有雙緩沖輸入邏輯，一片AD5344有4路輸出。計(jì)算機(jī)通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)放在內(nèi)部的SRAM中，接收完畢后，再將數(shù)據(jù)取出，通過數(shù)據(jù)端口輸出到D/A，D/A的模擬輸出信號(hào) (電壓)用來控制壓電陶瓷。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序的編寫采用Visual Basic 6.0的編程環(huán)境，使用Visual Basic6.0的MSComm通信控件，非常容易就能實(shí)現(xiàn)串口通信，使用時(shí)要對串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。每個(gè)通信控件對應(yīng)一個(gè)串口，如果要訪問多個(gè)通信口，則要設(shè)計(jì)多個(gè)通信控件。

2.1 程序流程及界面設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信采用查詢的工作方法，計(jì)算機(jī)為上位機(jī) (主機(jī))，單片機(jī)為下位機(jī) (從機(jī))。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令，以及數(shù)據(jù)的發(fā)送接收、處理、計(jì)算、數(shù)據(jù)的顯示等功能。上位機(jī)程序分為四個(gè)部分：界面設(shè)計(jì)、程序初始化、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理。程序流程如圖2所示。

主程序界面主要分為數(shù)據(jù)的輸入框和命令控件按鈕，輸入框用于輸入提供給壓電陶瓷電壓的數(shù)值，命令控件按鈕用于實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，界面還放置一個(gè)顯示通信狀態(tài)的文本框。程序界面如圖3所示。

圖3中的“設(shè)置”按鈕用于將文本框中的電壓值 (CH1～CH4)通過串口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)再把數(shù)據(jù)傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。“清零”按鈕用于將輸出數(shù)據(jù)都設(shè)置為零。

圖2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

圖3 程序界面

2.2 程序代碼

具體的程序代碼包括串口的初始化及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。串口的初始化代碼如下：

MSComm1.CommPort=1；使用 COM1串口

MSComm1.Settings="9600，n，8，1"；數(shù) 據(jù) 格 式 ： 波 特率 9 600 b/s，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1位停止位

MSComm1.OutBufferCount=0；清空發(fā)送緩沖區(qū)

MSComm1.InBufferCount=0；清空接收緩沖區(qū)

MSComm1.PortOpen=Tr ue；打開串口

MSComm1.InputMode=1；以二進(jìn)制形式取回?cái)?shù)據(jù)

MSComm1.InputLen=0；一次讀取緩沖區(qū)內(nèi)全部數(shù)據(jù)

由于篇幅的限制，關(guān)于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收部分的代碼不再給出了。

3 下位機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序包括初始化部分、數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)輸出部分等。

Atmega16內(nèi)部的USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，使用起來非常方便，單片機(jī)串行通信的波特率發(fā)生器可由其片內(nèi)時(shí)鐘產(chǎn)生，波特率寄存器UBRR用于設(shè)置所需要的波特率，對于異步正常模式波特率的計(jì)算公式為BAUD=fosc/16(UBRR+1)，對于 9 600 b/s的波特率(和上位機(jī)一致)，在 fosc=8 MHz 的情況下，UBRR的值為51。數(shù)據(jù)的傳送格式為：1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。程序流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

初始化部分程序代碼如下：

其他部分的代碼由于比較長，在這里就不列出了。

基于串行通信設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，使用Visual Basic 6.0提供的串行通信控件可以輕松實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)的開發(fā)周期短、效率高，并且串行通信程序的調(diào)試可以借助很多的工具軟件 (如串口調(diào)試助手)，因此使用串行通信好處很多。雖然現(xiàn)在有的計(jì)算機(jī)的主板并不帶串行接口(如筆記本電腦)，而由USB接口替代，但同樣可以使用串行通信。方法是采用USB轉(zhuǎn)串口的方法，硬件上需要一根轉(zhuǎn)接線，使用的時(shí)候要安裝驅(qū)動(dòng)，其串口號(hào)由Windows自動(dòng)分配，即系統(tǒng)虛擬了一個(gè)串行端口，這個(gè)端口和真實(shí)的串行端口使用方法完全一樣。

[1]陳修濤，侯再紅，譚逢富，等.一種基于壓電陶瓷的目標(biāo)精跟蹤系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(8-1)：32-33.

[2]朱華征，范大鵬，張智永，等.精密光路偏轉(zhuǎn)及焦距調(diào)整機(jī)構(gòu)的發(fā)展[J].激光與紅外，2009，39(10)：1028-1032.

[3]李肇慶，韓濤.串行端口技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[4]吳愛萍.基于VB與單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(8)：208-210.

[5]王平，張新東.基于智能儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2009(4)：9-10.