小位移測量儀測桿運動控制及抗干擾方法研究

馬昊新

摘 要：本文在分析了小位移測量儀測桿驅動原理的基礎上提出了一種檢測測桿上升高度的測桿控制方法。并通過對處理器控制大功率器件時所受干擾的具體分析，研究了硬件抗干擾措施和軟件抗干擾方法，消除了測桿運動過程中大功率器件產生的干擾對測量過程的影響。

關鍵詞：小位移測量儀 測桿運動 自動控制 抗干擾

中圖分類號：TH741 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0007-02

隨著現代傳感技術和微納米測量技術的迅速發展和廣泛應用，國內外對小量程高精度位移測量儀器的研究與設計越來越多。現在市場上的該類儀器大都價格昂貴且和具體應用領域不相適應，所以筆者自主研發了一臺用于測量微小零件尺寸和升降臺位移的小位移測量儀，其量程為10 mm。采用的位移傳感器為長光柵，其分辨率為10 mm。

小位移測量儀的測量過程可以分解為兩個子過程：測桿運動過程和測量數據讀取并處理過程。測桿運動的目的之一是使測桿能夠平穩可靠地和各種不同的被測對象接觸以實現對該被測對象豎向位置信息的讀取；另一個目的則是通過測桿運動實現多次測量多次讀數，以便通過對多個測量數據求平均值來消除隨機誤差對測量結果的影響。

1 測桿運動控制方法研究

1.1 測桿驅動方法

測桿的運動需要在驅動機構的作用下才能實現，小位移測量儀的驅動機構主要是直流電機和電磁離合器，如圖1所示。對測桿升降的控制可通過控制電磁離合器來實現。

將電磁離合器的電源接通會使電磁離合器吸合，向上的驅動力作用在測桿上便可將測桿提升；當測桿需要下降時，將電磁離合器的電源斷開會使電磁離合器斷開，這時驅動力消失，測桿便可在自身重力的作用下降落。

控制電磁離合器電源的通斷有兩種方法：一種是通過連接在電源線上的按鈕開關進行手動控制；另一種是使用處理器芯片通過編程實現自動控制。

手動控制需要操作者親臨儀器旁并在測桿運動的過程中實時觀察自主判斷何時接通或斷開離合器電源，這種方法不方便操作，是落后的不被提倡的。

采用自動控制后，測桿運動控制完全由電路和軟件實現，這樣就減小了操作者的工作強度，也避免了由于操作者的誤判斷和誤操作而導致的測量流程紊亂及測量結果錯誤。所以本論文采用自動控制的方法來控制測桿升降。

由于電磁離合器屬于大功率器件，所以處理器對電磁離合器的控制需要借助繼電器來實現。這樣，測桿運動控制的控制鏈為：處理器引腳輸出的控制信號輸入繼電器的控制端，繼電器的兩個觸點接入電磁離合器的電源線路，繼電器觸點的通斷決定了電磁離合器電源線的通斷。

1.2 監測測桿上升高度的控制方法

本論文在控制測桿升降運動時采用了一種監測測桿上升高度的控制方法。

具體來說，就是在測桿上升階段采用某種位置傳感器對測桿的上升高度進行監測，當測桿上升到預定高度時位置傳感器的輸出信號會發生跳變，處理器感知到該信號跳變后就采取控制措施將測桿降落。

處理器會在測桿降落并和被測件表面穩定接觸后從光柵信號處理板中讀取測量數據。測桿降落的耗時是確定的，由實驗知從測桿開始降落時刻算起的8 min之后測桿必定會與被測件穩定接觸，所以在測桿開始降落之時開啟了一個定時時間為八秒的定時器，處理器會在八秒定時時間到時進行測量數據的讀取、保存與處理。

監測測桿上升高度的控制方法中提到的位置傳感器可以是很多種傳感器，鑒于光電開關（即紅外反射式傳感器）具有非接觸觸發且便于安裝的優點，本論文選用光電開關作為位置傳感器。

處理器對光電開關輸出的跳變信號的檢測是通過中斷機制中的“外部中斷”實現的，光電開關信號作為外部中斷源輸入處理器的外部中斷引腳。當處理器檢測到外部中斷輸入信號產生了下降沿跳變時，就會認為光電開關發出了中斷請求，從而在外部中斷的中斷處理函數中將測桿降落。

2 大功率器件抗干擾方法研究

2.1 干擾的產生及其影響

分析1.1節所論述的控制鏈可以發現：電磁離合器和處理器之間存在間接的聯系，大功率器件電磁離合器可能會對處理器產生干擾。

實際情況確實是這樣，電磁離合器在工作時會將干擾信號通過連接線路耦合進處理器電路板中。這種干擾信號一般在電磁離合器進行電源切換和狀態跳變時產生，用示波器對其進行觀察，發現這種干擾信號是電壓幅值大持續時間短的瞬間劇烈脈沖。

實驗發現，干擾信號耦合進處理器電路板后，主要是對處理器中的“外部中斷”部分產生不利影響，使處理器產生對外部中斷輸入信號的誤判斷和誤觸發。表1為大功率器件產生干擾的分析。

在正常情況下，輸入外部中斷引腳的跳變信號是由光電開關產生的，但是在表現為瞬間劇烈脈沖的干擾信號耦合進處理器電路板之后，輸入外部中斷引腳的跳變信號則有可能是干擾信號。當處理器檢測到并響應了實際為干擾信號的外部中斷信號時，就會發生測桿升降錯誤。

2.2 硬件抗干擾措施

本論文使用的處理器STM32F103ZET6是產品系列中最強大的，其抗干擾能力也比一般的處理器好很多。實驗發現若選用51內核單片機STC12C5A60S2作為處理器，電磁離合器產生的干擾則可能會使處理器重啟或者死機。所以通過更換處理器來消除干擾信號影響的方法是不可行的。

在干擾信號的耦合通道中進行信號隔離是抗干擾的一種主要方法，所以本論文在處理器的引腳和繼電器的控制端之間加入了光電耦合器6N137。光電耦合器的輸入級和輸出級使用完全不同的兩個電源供電，輸入級的地線和輸出級的地線亦相互獨立，起到了對處理器電路和繼電器電路進行信號隔離的作用。

大幅度延長干擾信號的耦合線路，使干擾信號在電線中發生損耗是抗干擾的另一種方法，所以本論文在處理器的引腳和光電耦合器的輸入端之間以及繼電器的觸點和電磁離合器之間配置了超過15 m的電線。endprint

另外，本論文還采用了對處理器電路板正反面覆銅的抗干擾方法。

實驗證明，以上三種硬件抗干擾措施在很大程度上抑制了干擾，但是干擾并沒有完全消除，在偶爾幾次電磁離合器進行電源狀態切換時處理器仍會產生中斷誤觸發。

為了完全消除干擾的影響，本論文在采用以上硬件抗干擾措施的同時，設計了一種通過軟件來抗干擾的方法。

2.3 軟件抗干擾方法的實現

由于電磁離合器進行電源切換和狀態跳變的時刻是可知的，即產生干擾的時間點是固定的，所以可以采用在產生干擾的時間點上不去檢測外部中斷信號的方法來避免“外部中斷”被干擾信號所觸發。具體來說就是在干擾產生時間點所在的一段時間內通過編程將外部中斷檢測功能關閉（即關中斷）。這種通過在測桿升降過程中選擇合適的時刻關中斷和開中斷來抗干擾的思路就是軟件抗干擾方法的實現思路。

具有軟件抗干擾功能的測桿運動控制流程圖如圖2所示。對該流程圖和1.2節所論述的監測測桿上升高度的控制方法進行比較后可以發現：新方法中加入了一個定時時間為兩秒的定時器。這兩秒是從測桿開始提升的瞬間干擾發生到開啟外部中斷的時間間隔。也就是說在此干擾發生時刻之后的兩秒內，外部中斷是關閉的。

而在此干擾發生時刻之前的一段時間內，外部中斷也是關閉的。具體來說，這一段時間是指從儀器開機到此干擾第一次發生時刻之間的時間段，以及上次測桿開始降落時刻到此干擾發生時刻之間的時間段。

可見，在測桿開始提升瞬間干擾發生時刻所在的前后一段時間內，外部中斷是關閉的。

而由于在測桿提升到預定高度時處理器先關閉外部中斷再降落測桿，所以在測桿開始降落瞬間干擾發生時外部中斷也已經關閉。

所以在測桿整個運動過程中的干擾產生時間點上外部中斷檢測功能都是關閉的，這就避免了處理器檢測并響應實際為干擾信號的外部中斷信號。

3 結語

在小位移測量儀測桿升降運動過程中，通過采用硬件抗干擾措施和軟件抗干擾方法，完全消除了大功率器件由于線路耦合而對處理器產生的信號干擾，保證了測桿自動升降過程的正常進行。該方法對含有大功率執行器的自動控制系統具有普遍適用性。

參考文獻

[1] 喻金錢，喻斌.ARM Cortrx-M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.endprint

另外，本論文還采用了對處理器電路板正反面覆銅的抗干擾方法。

實驗證明，以上三種硬件抗干擾措施在很大程度上抑制了干擾，但是干擾并沒有完全消除，在偶爾幾次電磁離合器進行電源狀態切換時處理器仍會產生中斷誤觸發。

為了完全消除干擾的影響，本論文在采用以上硬件抗干擾措施的同時，設計了一種通過軟件來抗干擾的方法。

2.3 軟件抗干擾方法的實現

由于電磁離合器進行電源切換和狀態跳變的時刻是可知的，即產生干擾的時間點是固定的，所以可以采用在產生干擾的時間點上不去檢測外部中斷信號的方法來避免“外部中斷”被干擾信號所觸發。具體來說就是在干擾產生時間點所在的一段時間內通過編程將外部中斷檢測功能關閉（即關中斷）。這種通過在測桿升降過程中選擇合適的時刻關中斷和開中斷來抗干擾的思路就是軟件抗干擾方法的實現思路。

具有軟件抗干擾功能的測桿運動控制流程圖如圖2所示。對該流程圖和1.2節所論述的監測測桿上升高度的控制方法進行比較后可以發現：新方法中加入了一個定時時間為兩秒的定時器。這兩秒是從測桿開始提升的瞬間干擾發生到開啟外部中斷的時間間隔。也就是說在此干擾發生時刻之后的兩秒內，外部中斷是關閉的。

而在此干擾發生時刻之前的一段時間內，外部中斷也是關閉的。具體來說，這一段時間是指從儀器開機到此干擾第一次發生時刻之間的時間段，以及上次測桿開始降落時刻到此干擾發生時刻之間的時間段。

可見，在測桿開始提升瞬間干擾發生時刻所在的前后一段時間內，外部中斷是關閉的。

而由于在測桿提升到預定高度時處理器先關閉外部中斷再降落測桿，所以在測桿開始降落瞬間干擾發生時外部中斷也已經關閉。

所以在測桿整個運動過程中的干擾產生時間點上外部中斷檢測功能都是關閉的，這就避免了處理器檢測并響應實際為干擾信號的外部中斷信號。

3 結語

在小位移測量儀測桿升降運動過程中，通過采用硬件抗干擾措施和軟件抗干擾方法，完全消除了大功率器件由于線路耦合而對處理器產生的信號干擾，保證了測桿自動升降過程的正常進行。該方法對含有大功率執行器的自動控制系統具有普遍適用性。

參考文獻

[1] 喻金錢，喻斌.ARM Cortrx-M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.endprint

另外，本論文還采用了對處理器電路板正反面覆銅的抗干擾方法。

實驗證明，以上三種硬件抗干擾措施在很大程度上抑制了干擾，但是干擾并沒有完全消除，在偶爾幾次電磁離合器進行電源狀態切換時處理器仍會產生中斷誤觸發。

為了完全消除干擾的影響，本論文在采用以上硬件抗干擾措施的同時，設計了一種通過軟件來抗干擾的方法。

2.3 軟件抗干擾方法的實現

由于電磁離合器進行電源切換和狀態跳變的時刻是可知的，即產生干擾的時間點是固定的，所以可以采用在產生干擾的時間點上不去檢測外部中斷信號的方法來避免“外部中斷”被干擾信號所觸發。具體來說就是在干擾產生時間點所在的一段時間內通過編程將外部中斷檢測功能關閉（即關中斷）。這種通過在測桿升降過程中選擇合適的時刻關中斷和開中斷來抗干擾的思路就是軟件抗干擾方法的實現思路。

具有軟件抗干擾功能的測桿運動控制流程圖如圖2所示。對該流程圖和1.2節所論述的監測測桿上升高度的控制方法進行比較后可以發現：新方法中加入了一個定時時間為兩秒的定時器。這兩秒是從測桿開始提升的瞬間干擾發生到開啟外部中斷的時間間隔。也就是說在此干擾發生時刻之后的兩秒內，外部中斷是關閉的。

而在此干擾發生時刻之前的一段時間內，外部中斷也是關閉的。具體來說，這一段時間是指從儀器開機到此干擾第一次發生時刻之間的時間段，以及上次測桿開始降落時刻到此干擾發生時刻之間的時間段。

可見，在測桿開始提升瞬間干擾發生時刻所在的前后一段時間內，外部中斷是關閉的。

而由于在測桿提升到預定高度時處理器先關閉外部中斷再降落測桿，所以在測桿開始降落瞬間干擾發生時外部中斷也已經關閉。

所以在測桿整個運動過程中的干擾產生時間點上外部中斷檢測功能都是關閉的，這就避免了處理器檢測并響應實際為干擾信號的外部中斷信號。

3 結語

在小位移測量儀測桿升降運動過程中，通過采用硬件抗干擾措施和軟件抗干擾方法，完全消除了大功率器件由于線路耦合而對處理器產生的信號干擾，保證了測桿自動升降過程的正常進行。該方法對含有大功率執行器的自動控制系統具有普遍適用性。

參考文獻

[1] 喻金錢，喻斌.ARM Cortrx-M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.endprint