基于光柵傳感器位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁應(yīng)選，王 楠，張昌明

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001; 2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001)

0 引 言

位移是機(jī)械設(shè)備中一個(gè)非常重要的參數(shù)，位移的測量方法很多，其中光柵由于測量精度高，操作簡單，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工、控制等領(lǐng)域中。將光柵位移傳感器與微電子技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行線性位移量的測量以實(shí)現(xiàn)較高的測量精度。該文采用光柵作為感知元件，經(jīng)轉(zhuǎn)換器件后變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?hào)，采用軟件編程的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分與辨向，并利用從單片機(jī)下位機(jī)對(duì)其輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步將采集數(shù)據(jù)通過并口傳至主單片機(jī)，顯示采集結(jié)果 ，同時(shí)通過主單片機(jī)串口將采集數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示等功能，滿足了數(shù)據(jù)采集高速、高精度的要求。

1 問題的提出及解決思路

課題組承擔(dān)的項(xiàng)目當(dāng)中，需要對(duì)工作臺(tái)移動(dòng)的微小位移進(jìn)行精確控制，故準(zhǔn)確的測出工作臺(tái)移動(dòng)距離是精確控制的前提條件。因此，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于光柵位移傳感器的單片機(jī)位移測量系統(tǒng)。

在測試技術(shù)中，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，它擔(dān)負(fù)著感受和傳輸信號(hào)的重要任務(wù)。傳感器的類型是多種多樣的，其優(yōu)缺、點(diǎn)各不相同[1]。該系統(tǒng)選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光柵位移傳感器(50 mm/線)及其信號(hào)調(diào)理模塊，由單片機(jī)從機(jī)對(duì)其柵距進(jìn)行軟件細(xì)分，以獲得更高的分辨率要求(0.005 mm)；出于對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速度的考慮，系統(tǒng)采用兩個(gè)單片機(jī)，一個(gè)單片機(jī)(從機(jī))用來采集信號(hào)，另一個(gè)單片機(jī)(主機(jī))用來處理信號(hào)，目的在于避免數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理等其他任務(wù)對(duì)采樣速度的影響，也可以減小數(shù)據(jù)的丟失，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；為了對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、圖形顯示和進(jìn)一步處理，采用VB進(jìn)行上位機(jī)軟件編程，通過下位機(jī)(主機(jī))串口讀取采集數(shù)據(jù)。

2 測量系統(tǒng)的硬件組成

測量系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。主要由單片機(jī)主機(jī)、單片機(jī)從機(jī)、信號(hào)源及處理電路、LCD顯示、報(bào)警系統(tǒng)、上位機(jī)(PC)等部分組成[2-3]。

圖1 測量系統(tǒng)框圖

2.1 光柵傳感器及調(diào)理電路

光柵尺將位置信號(hào)先轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出,經(jīng)過調(diào)理電路濾波和整流后,處理成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。為了節(jié)約成本本次選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光柵傳感器(50線/mm)及調(diào)理電路模塊[4]。

2.2 單片機(jī)從機(jī)

單片機(jī)從機(jī)主要對(duì)來自光柵傳感器外部的方波信號(hào)通過軟件編程進(jìn)行細(xì)分與辨向，然后再對(duì)細(xì)分后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過并行口傳輸計(jì)數(shù)結(jié)果送至單片機(jī)主機(jī)上，即主要完成完成數(shù)據(jù)采集、細(xì)分辨向及采集數(shù)據(jù)并行傳輸功能。

2.3 單片機(jī)主機(jī)

單片機(jī)主機(jī)主要功能包括：通過并口接收單片機(jī)從機(jī)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)一步的處理從而使位移量可以實(shí)時(shí)的顯示在LCD顯示屏上；通過串口將位移量量發(fā)送給上位機(jī)；通過功能按鍵、指示燈、報(bào)警系統(tǒng)程對(duì)測量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋。

2.3.1 主從單片機(jī)并行通信模塊

主、從單片機(jī)并行通信模塊如圖2所示。

圖2 并行通信

其數(shù)據(jù)傳送方法，從機(jī)為數(shù)據(jù)發(fā)送方，主機(jī)為數(shù)據(jù)接收方。8位端口可以使P0、P1、P2、P3中的任意一個(gè)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是：從機(jī)(發(fā)送方)將數(shù)據(jù)送到端口后，通過STB信號(hào)中斷主機(jī)(接收方)。主機(jī)進(jìn)入中斷并從端口讀取數(shù)據(jù)，讀完后，利用BUSY信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答。從機(jī)檢查到端口線CHK上的應(yīng)答后，就可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)了。

2.3.2 報(bào)警模塊

主單片機(jī)的P3口的P3.4，P3.5分別控制2個(gè)發(fā)光二極管，用以顯示當(dāng)前物體的位移狀態(tài)，當(dāng)物體正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，紅燈亮；當(dāng)物體負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，綠燈亮。主單片機(jī)的P3.7口控制蜂鳴器，當(dāng)位移達(dá)到最大值是，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

2.3.3 按鍵模塊

為了準(zhǔn)確讀處測量數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)鍵按下時(shí)，關(guān)閉中斷、停止運(yùn)算，LCD 上顯示測量數(shù)據(jù)保持不變；當(dāng)另一個(gè)按鍵按下時(shí)，中斷恢復(fù)，繼續(xù)計(jì)算，重新顯示測量實(shí)時(shí)值。

2.3.4 LCD顯示模塊

主要用于顯示下位機(jī)測量的結(jié)果。

3 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件編程是此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[5-6]，現(xiàn)就編程過程介紹如下。

3.1 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)所選傳感器參數(shù)50線/mm，知其柵距為0.02 mm，為了達(dá)到測量分辨精度0.005 mm之要求，故這里采用從單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件四細(xì)分，再將信號(hào)傳輸給主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因最大測量值為5.230 mm，故將1046設(shè)為置頂?shù)拿}沖數(shù)，超過1046則系統(tǒng)報(bào)警，反饋量返回單片機(jī)，單片機(jī)控制工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。從單片機(jī)程序流程如圖3所示。

圖3 從單片機(jī)流程圖

為了更好地說明問題，簡要將軟件系分原理敘述如下：把一套光柵的兩路方波信號(hào)由從機(jī)的P1.0與P1.1輸入，如圖4所示，兩路方波信號(hào)相位相差90°，圖4中a、b、c、d分別表示一個(gè)周期兩路方波的4種狀態(tài)[7-8]。光柵尺的副尺可相對(duì)主尺做“進(jìn)”或“退”的運(yùn)動(dòng)，在做運(yùn)動(dòng)之前信號(hào)的初始狀態(tài)可以是這4種狀態(tài)中的任何一種。表1是運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后的電平變化表。

圖4 光柵傳感器信號(hào)

表1 狀態(tài)變化表

通過比較起始狀態(tài)和下一個(gè)狀態(tài)的電平，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

由于兩路方波相位相差90°，從表1中可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，P1.0和P1.1的電平發(fā)生4次變化，變化的相位分別在90°、180°、270°、和360°，因此只要檢測到P1.0和P1.1發(fā)生了電平變化，就計(jì)一次數(shù)，在一個(gè)周期里可以計(jì)4次數(shù)，從而就實(shí)現(xiàn)了4細(xì)分。當(dāng)電平發(fā)生變化時(shí)，用變化前的端口(如P1.0)和變化后的端口(如P1.1)相比較，如數(shù)據(jù)相同則為“進(jìn)”，否則為“退”，從而實(shí)現(xiàn)辨向。

3.2 主單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主單片機(jī)主要用來接收從單片機(jī)細(xì)分處理后采集的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行再一步的處理從而使計(jì)數(shù)值變?yōu)閷?shí)際的位移量，并實(shí)時(shí)的顯示在LCD顯示屏上，還可通過功能按鍵、指示燈、報(bào)警系統(tǒng)程序?qū)y量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋以及利用串口將采集數(shù)據(jù)送上位機(jī)顯示。主要包括：主程序、中斷程序、數(shù)據(jù)處理程序、按鍵選擇程序、顯示程序等。這里著重給出主程序流程圖、中斷程序流程圖、按鍵子程序流程圖。

3.2.1 主程序

圖5 主單片機(jī)流程圖

3.2.2 中斷程序

中斷程序流程圖如圖6所示。

圖6 中斷程序流程圖

首先判斷如0x00、計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，如為0x01進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，再判斷是否為最大值，如是最大值，蜂鳴器報(bào)警，中斷返回[9]。為了更好說明問題，這里給出部分源程序代碼：

void main()

{

while(1)

{

x0=P1&0x03;

x1=P1&0x01;

x2=P1&0x02;

P3_0=1;

while((P1&0x03)==x0);

if((P1&0x01)==x1)

{

if(((P1&0x02)>>1)==x1) //x2右移一位與x1相比較

{

P3_0=0;//退，給主單片機(jī)發(fā)0x01

P2=0x01;

delay(100);

}

else

{

P3_0=0;//進(jìn),給主單片機(jī)發(fā)0x00

P2=0x00;

delay(100);

}

}

else

{

if(((P1&0x01)<<1)==x2) //x1左移一位與x2相比較

{

P3_0=0;//進(jìn)，給主單片機(jī)發(fā)0x00

P2=0x00;

delay(100);

}

else

{

P3_0=0;//退，給主單片機(jī)發(fā)0x01

P2=0x01;

delay(100);

}

}

}

}

3.2.3 按鍵子程序

按鍵子程序流程圖如圖7所示，兩個(gè)按鍵分別與主單片機(jī)的P2.3、P2.4端口相連，當(dāng)連接端口P2.3(Key1)鍵按下時(shí)，關(guān)中斷停止數(shù)據(jù)采集，當(dāng)連接端口P2.4(Key2)鍵按下時(shí)，恢復(fù)中斷，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，目的在于準(zhǔn)確讀出某一點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的位移值。

圖7 按鍵子程序流程圖

3.3 上位機(jī)編程

采用VB 6.0對(duì)上位機(jī)部分進(jìn)行編程，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，界面上包括測量數(shù)據(jù)顯示窗口，工作狀態(tài)指示燈顯示，控制按鈕包括：開始、清除、結(jié)束、存儲(chǔ)等。具體編程過程在此不再贅述。

4 結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)的雙單片機(jī)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，避免數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理等其他任務(wù)對(duì)采樣速度的影響，可有效地提高數(shù)據(jù)采集速度；對(duì)兩路方波信號(hào)采用軟件細(xì)分、辯向，大大簡化了硬件電路，同時(shí)也提高了工作的可靠性；該測量系統(tǒng)已成功的應(yīng)用于項(xiàng)目當(dāng)中。