基于dsPIC30F6014A的普通外圓磨床在線測控系統設計

殷蘇民，趙梁楠，許潮鋒

(江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013)

磨削加工是機械加工的主要方法之一，但由于數控磨床價格方面等因素，很多企業的磨削加工還是以普通磨床為主要加工設備，尤其是小微型企業更是如此。普通磨床的操作完全依靠操作者操作，在大批量流水線作業中，操作單調，且可靠性較差，加工的產品質量難以保證。作者針對普通外圓磨床，以dsPIC30F6014A 單片機為控制器，提出了一種在磨削加工過程中對加工零件外圓尺寸進行在線測量和控制的設計方案，實現了在加工過程中對被磨削零件的在線檢測與輔助控制，并通過實驗驗證了該測控系統的使用效果。

1 設計方案

普通外圓磨床在線測控系統如圖1所示，包括測量裝置、控制裝置、驅動裝置和執行機構。

在磨削過程中，氣缸將測量裝置送入測量工位，測量裝置始終測量著工件的尺寸，并輸出信號送入A/D 芯片，由A/D 轉換后送入dsPIC30F6014A 進行數據分析和處理。處理后的數據顯示在觸摸屏上，另外根據數據分析結果通過脈沖輸出控制信號，調節砂輪架的進給量和進給速度，并根據觸摸屏設定的數據，使砂輪在開始階段快速進入粗磨階段，當磨削量達到下一個切換點后進入精磨，然后按照設定進入光磨，最后達到設定工件尺寸，測量裝置與砂輪架退出工位，完成一個工件的磨削過程［1］。

圖1 系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 dsPIC30F6014A

選用Microchip 公司的16 位數字信號控制器dsPIC30F6014A 作為控制單元。dsPIC30F6014A 處理器采用改進的哈佛架構，具有獨立的程序和數據存儲器總線，有效地消除了數據傳輸瓶頸。芯片既有16位閃存單片機的高性能，又兼有數字信號處理器的計算能力和吞吐能力。dsPIC30F6014A 運算速度最高可達30 MIPs，帶PLL(4 倍頻、8 倍頻和16 倍頻)。當內部最高時鐘頻率為120 MHz 時，進行一次16 bit ×16 bit 運算的時間為8.3 ns，從而提高了控制器的實時控制能力。內核包含DSP 引擎，極大地提高了內核的運算能力和吞吐能力。具有一個高速17 位×17位乘法器、一個40 位ALU、兩個40 位飽和累加器和一個40 位雙向桶形移位寄存器。DSP 指令可以無縫地與所有其他指令一起操作，且設計為能獲得最佳實時性能［2］。

選擇該芯片的原因是:首先考慮有更多的I/O 端口有利于擴展外圍電路;然后考慮單片機的驅動能力。dsPIC 系列采用CMOS 結構，延續了PIC 系列單片機2.5 ～5.5 V 的寬電壓供電、低功耗的優良傳統。單片機的I/O 端口有很強的驅動負載能力，單個引腳的輸出或者灌入電流能夠驅動20 ～25 mA 的負載;最后，對于連續面測量信號，dsPIC30F6014A 僅進行遞推平均濾波即可，但對于非連續面測量信號(表面有鍵槽零件、齒輪、花鍵等)的磨削加工，簡單的濾波已無法勝任。由于此處涉及數據繁多，算法復雜，僅依賴普通單片機無法完成邏輯控制、人機界面通信及數據處理，所以大量的數據處理過程需要應用DSP 指令完成，這也是選用dsPIC30F6014A 數字信號控制器的最終目的。

2.2 人機界面

觸摸屏能夠直觀地顯示系統運行參數和運行狀態，而且通過觸摸屏畫面可以直接修改系統運行參數，人機交互性好，故系統使用觸摸屏做為驅動控制系統的人機操作界面。選用的觸摸屏是HITECH 人機界面PWS6600T-S 型號產品，擁有RS232、RS485 通信接口，支持標準的Modbus 協議，可以開發基于Modbus 協議的觸摸屏與單片機通訊程序，能很好地實現實時狀態的顯示和系統參數的設定。

Modbus 協議包括ASCII、RTU、PLUS、TCP 等，并沒有規定物理層。該協議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。標準的Modbus 是使用RS-232C 兼容串行接口，RS-232C 規定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校驗等信息，Modbus 的ASCII、RTU 協議則在此基礎上規定了消息、數據結構、命令應答的方式。Modbus 控制器的數據通信采用Master/Slave(主/從)模式，即Master 端發出數據請求消息，Slave 端接收到正確消息后就發送相應數據到Master 端以響應請求;Master 端也可以直接發消息修改Slave 端的數據，實現雙向讀/寫［3］。

針對普通外圓磨床測控系統的功能需求，構建主/從通信結構。主機為PWS6600T-S 觸摸屏，主要用于系統參數設定、實時顯示與控制;從機為單片機系統，實現數據處理與輸出控制。主、從機之間通過RS-232C 串行接口進行連接，通信協議為Modbus 協議。設計的電路中，MAX232CSE 芯片T1IN 引腳接控制芯片 dsPIC30F6014A 的串行發送引腳 U1TX;R1OUT 引腳接dsPIC30F6014A 的串行發送引腳U1RX;T1OUT 引腳與RS-232 的U1TX 相連接，R1IN引腳與RS-232 的U1RX 引腳相連接。硬件接口電路如圖2所示。

圖2 dsPIC30F6014A 與觸摸屏間通信電路原理圖

2.3 測量裝置

測量裝置(如圖3)采用接觸式兩點測量法，傳感器選用線性可變差動變壓器式傳感器(LVDT)，DC-07 型，測量范圍±2.5 mm，重復性誤差0.2 μm。測量時，通過測桿，把工件軸徑變化的微小位移傳遞至LVDT。上、下測桿在彈簧力的作用下一端(A端)與工件相接觸，另一端(B 端)分別和傳感器的鐵芯、外殼相連接，當工件的直徑發生變化，杠桿結構將此變化轉化為鐵芯在線圈內部的相對位移，從而使LVDT 輸出電壓發生變化。

圖3 測量裝置

在測量一批零件軸徑時，必須先進行標定。即首先測量已知尺寸為D0的標準軸，將此時LVDT 輸出值存入控制器內存，做為基準軸尺寸。然后裝夾待加工零件，假設測桿A 端相對位移為ΔD，則工件實際尺寸為

測桿A 端的位移變化，通過杠桿機構使B 端發生變化，鐵芯在線圈內部移動并偏離測量標準軸時的位置。設LVDT 變化值為ΔL，則有

LVDT 的輸出信號經過調理之后可得到與測桿位移變化成正比的直流電壓信號。

AD698 的連接電路圖如圖4所示。

圖4 AD698 連接電路圖

系統采用AD698 芯片為DC-07 型LVDT 提供激勵信號，并對傳感器輸出信號進行調理，輸出－10 ～+10 V。AD698 是一個單片LVDT 信號調節子系統，在同LVDT 相連接時，只用幾個外部無源元件設置頻率和增益，就可以將傳感器機械位移變換為高精度和高可靠性的單或雙極性直流電壓，完成信號調理任務［4］。

2.4 AD976

傳感器測量量程為－2.5 ～+2.5 mm、精度為1 μm，即相對分辨率為1/5 000。因此，要求A/D 轉換器輸出的分辨率不低于13 位。考慮到A/D 轉換器的失調、動態噪聲、線性度等因素影響，選用美國AD公司的16 位高精度A/D 轉換器AD976。

AD976 是美國AD 公司推出的+5 V 單電源供電的高速、低功耗16 位逐次逼近型A/D 轉換器，該芯片最大積分非線性誤差僅為2LSB，并可做到16 位不失碼。最大轉換速度為100kSPS，輸入信號范圍為－10 ～+10 V，功耗為100 mW。AD976 具有很好的集成性。它可以與8 位、16 位單片機和DSP 方便接口，使用十分方便靈活。該芯片內含逐次逼近型、開關電容式ADC、高速并行接口、轉換控制邏輯、校準電路以及2.5 V 內部參考源。AD976 外圍電路如圖5所示。

圖5 AD976 外部電路原理圖

AD976 需要使用一個外接的參考源。參考源電壓決定了模數轉換器的滿量程范圍，其總的直流精度和穩定性應當優于ADC。AD780 具有超低的漂移量，低初始誤差和低輸出噪聲，是AD976 外接基準源的良好選擇。AD780 的8 腳懸空時，6 腳輸出2.5 V 基準電壓。電路中外接的R1和R2電阻給內部偏移量和增益提供補償。同時，AGND1 與REF 之間、CAP 與AGND2 之間連接2.2 μF 的鉭電容。

2.5 驅動裝置與執行機構

驅動裝置負責將測量裝置進入或退出測量工位，是測量裝置與機床的連接部件。通過定位塊定位，可以使測量裝置的測桿有較高的重復定位精度。工件安裝好后，驅動氣缸帶動測量裝置進入測量工位，同時砂輪快速前進。磨削到尺寸后砂輪快速退回，驅動氣缸帶動測量裝置退出測量工位，以便于操作者裝卸工件。在該系統中，使用光耦對控制芯片和驅動電路進行隔離，避免了可能產生的干擾和反饋，提高了系統的抑制噪聲干擾的能力。

執行機構采用二相混合式步進電機對砂輪架進行控制，從而達到對加工工件軸徑尺寸的控制。混合式步進電機輸出轉矩大，動態性好，步距角小，目前使用十分廣泛。將用于調節砂輪架縱向進給的手輪拆下，然后在手輪軸一側安裝步進電機，用撓性聯軸器聯接。通過控制器發脈沖給兩相混合式步進電機細分驅動器，由驅動器來驅動步進電機，將動力傳遞至砂輪架，實現對工件軸徑尺寸的控制。為了防止驅動電路的干擾通過信號線竄入dsPIC 系統，影響單片機正常工作，同樣加入光耦進行隔離，提高了主控板工作的穩定性和抗干擾能力。

3 系統軟件設計

3.1 軟件主程序

普通外圓磨床在線測控系統軟件設計使用MPLAB IDE開發，用C 語言編程，采用模塊設計法，包括數據采集模塊，數據處理模塊，通信模塊和輸出控制模塊等。各模塊以子程序形式出現，主程序實現對芯片的初始化和子程序的調用，完成系統功能。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件主程序流程圖

在系統上電(或復位)后，主程序開始執行，首先對各部分進行初始化，包括單片機端口、模塊的初始化，時鐘的初始化和配置，UART 初始化等。初始化結束后，將E2PROM里邊存儲的參數(粗磨、精磨、光磨、到尺寸的設定值，標準軸的相對軸徑值等)賦給存儲在RAM 中的全局變量。然后程序穩定運行于一個無限循環之中，等待觸摸屏發送請求信息。

單片機通過串口中斷接收來自觸摸屏發來的消息，用定時器判斷是否接收完來自觸摸屏的消息。檢測觸摸屏命令標志位是否置1，判斷是否有檢測命令發送過來，有則跳轉到接收子程序進行處理，無則跳回主程序入口，繼續檢測觸摸屏命令標志位。當檢測當前觸摸屏有命令發送來時，對發來的數據進行驗證。首先檢驗地址碼是否正確，地址碼正確再接收數據，進行CRC 校驗并對觸摸屏進行發送應答。在數據無誤時區分觸摸屏發來的數據是哪一類的命令類型碼。地址碼錯誤則跳回主程序，等待觸摸屏發來新的數據。

將數據采集到的數據進行處理后，與設定值進行比較，判斷是否執行脈沖輸出命令，控制步進電機動作。如果執行則跳到相應的程序處執行命令代碼。命令執行完畢，判斷是否達到標準軸軸徑，若達到，測量裝置與砂輪架自動返回初始位置，等待下一次的觸摸屏發來命令進行磨削加工。

3.2 dsPIC30F6014A 與觸摸屏間通信系統

在該測控系統中，dsPIC30F6014A 與觸摸屏間通信使用Modbus RTU 傳輸模式，Modbus RTU 消息幀結構如表1所示。Modbus 協議RTU 模式要求每一幀的起始和結束都以至少3.5 個字符為間隔，在字節流中以1.5 個字符時間作為幀間隔，但必須同時滿足其后的2 個字符內不會再接收到字符，否則認為結束的該幀為錯誤幀。3.5 個字符時間和1.5 個字符時間的定時起點是一致的，這是Modbus 協議RTU 模式的關鍵之處。在發生1.5 個字符時間中斷后，處理其接收到的數據，計算接收到的字符數的CRC 校驗和，將計算結果與接收到的最后兩個字節進行比較，從而得知是否是完整的一幀數據。CRC 校驗正確，說明這是一幀完整的數據，CRC 校驗錯誤，說明這是一幀錯誤的數據幀，數據幀不完整。

表1 Modbus RTU 消息幀結構

觸摸屏根據用戶觸摸的相應控件，向單片機發送一條RTU 幀，單片機在收到該RTU 幀后，根據Modbus 協議解析該指令，按照請求執行相應的操作，并將執行結果返回給觸摸屏。需要注意的是，PWS6600T-S 觸摸屏畫面中設置的數據地址與dsPIC30F6014A 內部的地址并不存在確定的對應關系。這里存在一個映射關系，將觸摸屏發送的數據地址經過轉化得到單片機內部的存儲地址。實現為，將觸摸屏要讀寫的位元件或字元件的數據編程時定義到單片機的一個數組中，通過對發送的數據地址的解析，轉化成對數組的索引，從而完成對元件的讀寫。

3.3 測量結果的數值處理算法

磨削加工在線測控系統在車間環境運行時會受到大量的干擾，干擾信號的竄入將導致測量結果不正確。為了克服干擾引入的誤差，可采用遞推平均濾波法對A/D 采樣后的數據進行處理，從而消除或減弱干擾和噪聲的影響，提高測量的可靠性和精度，保證系統的正常運行。

遞推平均濾波是把N 個測量數據看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每進行一次新的測量，把測量結果收入隊尾，而去掉原來隊首的一個數據，這樣在隊列中始終有N 個“最新”的數據。計算濾波值時，只要把隊列中的N 個數據進行算術平均值，就可得到最新的濾波值。這樣每進行一次測量，就可計算得到一個新的平均濾波值。其數學表達式為

如果取N 個采樣值求平均，則RAM 中須開辟N個數據的暫存區。每新采集一個數據便存入暫存區，同時去掉一個最老的數據，以保持這N 個數據始終是最近的數據。這種數據存放方式可以用環形隊列數據結構來實現。其參考程序如下:

4 結束語

在分析dsPIC30F6014A、DC-07 型差動變壓器式傳感器的基礎上，設計了一套功耗低、體積小的普通外圓磨床在線測控系統，介紹了控制器硬件接口、測量裝置、驅動裝置、執行機構和軟件程序流程與數字濾波。該系統滿足企業對普通外圓磨床的改造，減少勞動強度，提高生產效率，又降低廢品率，同時加工出的工件尺寸一致性較好，適應于在大批量流水線作業中使用，對企業改造新、老機床設備有著重要意義。

【1】劉迎春.無心磨床在線自動測量系統的研究［D］.沈陽:東北大學，2006.

【2】 Microchip Technology Inc.dsPIC30F6014A Datasheet［M］.dsPIC30F Family Reference Manual，2006.

【3】盂華，王鵬達，李明偉.基于Modbus 協議的觸摸屏與PIC 單片機的通信實現［J］.儀表技術與傳感器，2009(10):58－60，75.

【4】王敬亭，廖力清，凌玉華.AD698 型LVDT 信號調理電路的原理與應用［J］.國外電子元器件，2005(9):63－64，71.

【5】王懷秀，朱國雄.AD976 及其在三分量智能檢波器中的應用［J］.國外電子元器件，2003(10):30－32.

【6】付華，郭虹，徐耀松.智能儀器設計［M］.北京:國防工業出版社，2007.