基于DSP的加速度傳感器測試平臺控制系統設計*

王 華,石云波,王艷陽,焦佳偉,鄒 坤

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

基于DSP的加速度傳感器測試平臺控制系統設計*

王 華,石云波*,王艷陽,焦佳偉,鄒 坤

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

針對現有加速度傳感器靜動態標定測試耗時多、效率低、成本高以及標定校準能力有限的問題,設計了加速度傳感器批量測試平臺。通過DSP對電機和自動鎖緊裝置的控制,以及傾角傳感器的數據采集和限位開關的檢測,對測試平臺裝置進行控制操作。系統設計有上位機軟件,能夠通過計算機上的上位機軟件向控制系統發出控制指令,實現測試平臺的控制,達到了加速度傳感器的靜動態性能測試。

加速度傳感器;控制系統;DSP;標定測試

MEMS加速度傳感器具有體積小、功耗低、精度高等優點,已應用在不同的領域[1]。針對現有的MEMS加速度傳感器靜動態標定耗時多、效率低、成本高以及標定校準能力有限的問題,設計了加速度傳感器批量標定測試平臺,以此為基礎設計了基于DSP的加速度傳感器測試平臺的控制系統。該系統能夠通過DSP對電機和自動鎖緊裝置的控制,傾角傳感器的數據采集和限位開關的檢測,以及其他控制操作,實現加速度傳感器靜動態性能批量標定測試,可以一次得到加速度傳感器的性能指標的定量測試。

1 控制系統總體方案設計

批量測試平臺包含了靜態高精度翻轉裝置與動態振動標定裝置,可以實現加速度傳感器的靜動態特性標定。靜態測試時,由步進電機驅動傳感器載體進行翻滾試驗;動態測試時,傳感器載體由自動鎖緊機構固定在振動臺面上進行振動測試。測試平臺機械結構如圖1所示。

圖1 測試平臺機械結構

加速度傳感器的靜態標定主要采用重力場翻滾試驗[2],其機構如圖2所示,該裝置由水平電機實現對傳感器載體的鎖緊,豎直電機實現傳感器載體的升降,翻轉電機實現傳感器載體的正反轉,傾角傳感器提供翻轉角度反饋。

圖2 測試平臺翻轉結構

在動態性能測試時,傳感器需要與振動臺面緊密結合,當翻滾試驗完成后,控制機構驅動翻轉平臺向下移動,當翻轉平臺與振動臺面接觸后,自動鎖緊裝置啟動,氣缸夾緊載體,使兩者緊密結合。

為了實現對各個運動機構的控制,根據設計目標使用TI的DSP作為控制系統的主控制器。該控制系統以DSP為核心處理器,充分利用了芯片的高速度、浮點計算等特性及豐富的外設資源,在片外存儲空間擴展了雙端口 RAM 可以與不同的總線機制的上位機通訊,進行高速數據傳輸,非常適用實時信號處理及運動控制[3]。

測試平臺控制系統主要包括DSP控制器,水平電機的控制模塊、豎直電機的控制模塊、翻轉電機的控制模塊、傾角傳感器和光電限位開關模塊、自動鎖緊裝置以及上位機,整體框圖如圖3所示。

圖3 測試平臺控制系統框圖

設計的加速度傳感器測試平臺控制系統主要包括兩個部分:

(1)測試平臺靜態測試部分控制和反饋系統設計

該測試部分的控制系統主要是由DSP TMS320F28335和電機驅動器MD-2522以及MD-2778組成;反饋系統則主要是由高精度傾角傳感器QT210T和槽型光電開關LU674-5NA組成,其功能是驅動靜態測試部分進行加速度傳感器的靜態參數標定測試。靜態標定時,DSP分別控制步進伺服電機驅動各運動機構進行重力場翻滾試驗,在標定過程中,在加速度傳感器載體上安裝的高精度傾角傳感器提供加速度傳感器載體的實時傾斜角度,實現載體360°的多位置精確定位,同時,在運動部件的起始位置安裝槽型光電開關,對測試裝置的水平驅動機構和豎直驅動機構進行限位控制。

(2)測試裝置動態測試部分控制系統設計

加速度傳感器動態測試部分和靜態部分采用同一個DSP控制器,回轉夾緊氣缸MKB40-10Z為執行機構,自動鎖緊裝置工作,通過DSP控制電磁換向閥,將DSP的開關量輸出模塊連接到電磁閥的線圈端。當該模塊的相對應點有電壓輸出時,電磁閥線圈得電,觸點吸合。無電壓輸出,線圈失電,觸點斷開,從而實現對加速度傳感器載體與振動臺臺面的鎖緊[4]。

圖4 電機控制原理圖

2 控制系統硬件設計

2.1 DSP控制步進電機電路設計

測試平臺中需要控制的步進伺服電機共6個,DSP輸出6路PWM方波信號進行控制,選用PWM1、PWM2控制水平驅動機構中的兩個步進電機SS1702A10A;用PWM2、PWM3控制豎直運動機構中的兩個步進電機SS2304A42A。PWM4、PWM5控制兩個翻滾試驗中的步進伺服電機。

由于TMS320F28335輸出的PWM波形的高電壓為3.3 V,而在本系統中,電機驅動器可接受5 V～24 V的電壓脈沖信號,為解決此問題,選擇芯片SN74ALVC164245,進行電平轉換,可將3.3 V轉換成5 V電壓[5]。電機控制原理圖如圖4所示。

2.2 DSP與PC的通信電路設計

本設計選用RS-485通信模式作為計算機與DSP的通信方式,該系統選用SP3485芯片進行串行通信,該芯片采用了平衡差分接收的RS-485通信協議標準,其抗共模干擾能力強,接收靈敏度高,傳輸距離遠[6]。

DSP 處理器TMS320F28335與SP3485芯片進行連接,構成RS-485通信接口電路,如圖5所示。

圖5 RS-485通信接口電路

電路通過光耦TLP512-4對DSP 處理器TMS320F28335和RS-485總線電路進行隔離,提高系統的抗干擾能力。

SP3485接收器和發送器的選擇由DSP的GPIO20引腳控制,通過軟件編程控制GPIO20腳電平,可控制SP3485處于發送或接收狀態。

2.3 光電限位開關電路設計

針對目前測試平臺開環控制的情況,考慮在水平和豎直部分均加入光電限位開關,以實現測試臺水平和豎直運動部件的閉環控制。選用了型號LU674-5NA的槽型關電開關傳感器。

圖6 光電限位開關工作電路

LU674-5NA槽型光電開關的電源電壓為DC 5 V～24 V的廣范圍,動作模式備有遮光時ON/入光時ON(可切換型),響應頻率為2 kHz的高速響應,入光指示燈明顯,便于進行動作確認。根據光電開關內部電路圖,設計工作電路如圖6所示。

分別在水平和豎直的起始位置各安裝一個上述光電限位開關,將金屬擋片固定于運動部件上隨之運動,光電開關光路導通時DSP測得電壓為3.3 V,當金屬擋片到達預定位置遮擋紅外光時,測得電壓為0,實現了高低電平的轉換。

2.4 電源電路設計

通過LM2576HVS-12產生的12 V為傾角傳感器和光電限位開關供電;通過LM2576HVS-5產生的+5 V為主控系統提供電源,其中SN74ALVC164245等芯片直接使用該電源。其他電路使用轉換后的電源,主要通過雙路輸出低壓降穩壓器TPS767D301芯片將5 V電源轉換成3.3 V和1.9 V電壓。為了增強系統穩定性,設計中增加了濾波電容,對模擬地和數字地做了隔離處理。電源電路如圖7所示。

圖7 控制系統電源電路

3 控制系統軟件設計

3.1 控制主程序設計

控制系統軟件的設計根據系統的硬件電路設計,按照控制系統的工作原理和功能要求,進行程序的編寫,將各功能進行模塊化處理,以方便修改、調試以及后續的升級。系統主程序主要包括對時鐘的配置、各功能模塊函數的初始化、串口中斷子程序以及定時器中斷子程序等。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

3.2 DSP串行通信程序設計

DSP的SCI模塊發送器和接收器可以通過查詢和中斷方式進行控制。與查詢方式相比,中斷方式具有占用CPU的時間少、實時性高的特點[7]。因此本設計采用中斷方式,上位機和下位機采用應答方式進行通信,系統的串行通信協議具體規定如表1所示。

表1 通信協議格式

下發和上傳數據指令都包括幀頭、字節長度、有效指令/數據、和校驗、幀尾5個部分組成,協議數據均采用16進制通信。

(1)幀頭表示一幀數據的開始;

(2)字節長度表示一幀數據的整個字節長度;

(3)有效指令/數據有效指令表示上位機要讓下位機執行的命令;有效數據表示下位機向上位機反饋的相關信息;

(4)和校驗表示有效指令/數據的數據相加和,如果相加超出了FF那么就取和的低字節;

(5)幀尾表示完整的一幀數據結束。

本系統的通信波特率為 9 600 bit/s,每個字節包括8位數據位和l位停止位,無校驗。接收數據采用中斷方式,發送數據采用直接寫外設方式。對SCI初始化,設置數據幀格式、波特率、中斷優先級等。

采用中斷方式接收數據,在接收中斷服務程序中,讀取SCI接收緩沖寄存器,放在自定義的接收緩沖區內。一條指令信息幀包含多個字節,需要識別完整的一幀數據,設計中通過判斷數據頭、數據尾,對數據長度校驗來保證接收到完整的一幀數據。除了上述措施外,軟件中也啟用了定時器,進行超時處理,若在一定的時間內,沒有完整的接收到一組數據,就將此幀數據丟棄掉,清除相應標志以及緩沖區,從新接收新的數據指令。

圖9 中斷接收數據流程圖

為了保證下發數據指令準確有效執行,在上述措施的基礎上,還進行了和校驗,和校驗程序放到主函數中的while(1)里面進行處理。

4 上位機軟件

上位機軟件使用 C++語言開發,開發平臺為 Visual Studio 2010,此系統控制軟件實現對水平,豎直以及翻轉電機的運轉、停轉、方向的控制,還需對自動鎖緊裝置進行控制,使其實現鎖緊和松開,實現傾角傳感器的數據顯示和實時狀態顯示等功能[8]。控制界面如圖10所示。

圖10 控制界面

5 試驗與結果

對測試平臺進行實驗,如圖11所示,首先對加速度傳感器測試平臺各個功能模塊進行試驗,通過上位機下發數據指令,主要對水平、豎直、翻轉電機進行操作以及實現氣缸的鎖緊和松開。通過上位機軟件下發不同方位電機運轉、停止、正反運行以及氣缸的鎖緊和松開指令進行測試,通過實驗反復驗證,其運行穩定可靠。

圖11 測試平臺實驗圖

其次對標定測試平臺進行自動控制實驗,主要按照以下4步進行試驗:

第1步 安裝傳感器到加載平臺,確定各部件回到初始位置;

第2步 上位機下發自動運行指令,由步進電機驅動水平絲杠旋轉,將傳感器載體夾緊;自動啟動豎直電機運轉,帶動傳感器載體向上運動到一定高度;

第3步 進行翻轉實驗,自動啟動翻轉電機,進行不同位置法的翻滾實驗,待翻轉電機穩定后停止在指定位置,便可采集數據并存盤,完成后便可自動運行到下一個位置,采集數據并存盤。

第4步 翻滾試驗完成后,控制機構驅動翻轉平臺向下移動,當翻轉平臺與振動臺面接觸后,自動鎖緊裝置啟動,使兩者緊密結合,然后讓水平和豎直回到初始位置,便可進行振動實驗。

經過試驗驗證,該系統運行平穩、可靠,能滿足加速度傳感器批量標定測試方面的要求。

6 結束語

本設計介紹了一種DSP的加速度傳感器測試平臺控制系統,該控制系統設計了可視化操控的上位機界面,實現對測試平臺的平穩、可靠控制,完成了加速度傳感器不同位置的自動運轉以及自動鎖緊裝置的控制,達到了加速度傳感器的動靜態性能測試。

[1] 邵憲輝. 多路加速度傳感器測試系統設計[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[2] 劉俊,石云波,李杰. 微慣性技術[M]. 北京:電子工業出版社,2005:193-194.

[3] 顏肖平,聶宜云,孟凡軍. 基于TMS320F28335的運動控制器設計[J]. 航空精密制造技術,2013,49(3):58-62.

[4] 趙赟. 自動批量化MEMS加速度傳感器測試裝置設計研究[D]. 太原:中北大學.2015.

[5] 顧衛鋼. 剛手把手教你學DSP[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2011:49-50.

[6] 江洋,楊俊峰,宋克柱. 基于RS-485長距離數據傳輸系統設計[J]. 核電子學與探測技術,2013,33(4):404-405.

[7] 韓豐田,李海霞. TMS320F281x DSP原理及應用技術[M]. 北京:清華大學出版社,2014:78-79.

[8] 鄒坤,石云波,焦佳偉. 基于MFC的翻轉測試平臺控制軟件的設計[J]. 計算機測量與控制,2015,23(9):3235-3237.

Design of Test Platform Control System for Accelerometer Based on DSP*

WANGHua,SHIYunbo*,WANGYanyang,JIAOJiawei,ZOUKun

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at the problem that the static and dynamic calibration of the existing acceleration sensor is time-consuming,low efficiency,high cost and limited calibration capability,the mass test platform of the acceleration sensor is designed. Through the DSP control of the motor and the automatic locking device,as well as the Angle sensor data acquisition and detection limit switch,the control operation of the test platform device is carried out. A control instruction is sent to control system by PC software to realize the control of test platform,the test of acceleration sensor static and dynamic performance.

acceleration sensor;control system;DSP;calibration test

項目來源:國家“863”計劃項目(2013AA041109)

2016-04-18 修改日期:2016-05-12

TP274

A

1005-9490(2017)03-0662-06

C:7230;7320E

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.029