三維光柵位移測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

李深德，張向利，唐　甜，趙江輝

(桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林　541004)

0　引言

當前，光柵位移傳感器(光柵尺)的位移測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)和傳統(tǒng)機床的數(shù)字化改造，以提高加工精度。光柵位移測量系統(tǒng)的設(shè)計方案各不相同，其軟件設(shè)計及功能也各不相同[1-5]。

文中先分析了光柵位移的測量原理，隨后給出三維光柵位移測量系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)架，詳細介紹了系統(tǒng)軟件的功能及其設(shè)計與實現(xiàn)。最后，通過實驗驗證了系統(tǒng)的軟件設(shè)計合理、實現(xiàn)了相關(guān)的功能，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量精確。

1　光柵位移傳感器測量原理

光柵位移傳感器內(nèi)包含了1個標尺光柵和1個指示光柵，在兩光柵的作用，得到明暗相間的條紋，即莫爾條紋[6-8]。在理想條件下，莫爾條紋的波形為等腰三角波，其周期為莫爾條紋間距[6]；實際情況下，由于光源發(fā)散角的影響，及光柵衍射作用等，使莫爾條紋的三角波出現(xiàn)削頂和削底，形成近似的正弦波。

對實際情況下的莫爾條紋信號，因其波形近似于正弦波，基波成分豐富，諧波成分很少。以f(t)表示此正弦波的光通量，在消除信號中的高次諧波和直流分量后，則有：

f(t)=Asin(ωt+φ)

(1)

寫成電壓形式，得：

U(t)=Umsin(ωt+φ)

(2)

式(2)即為光柵位移傳感器中1個光電元件輸出的位移信號表達式。

在相距為1/4莫爾條紋間距的2個點分別安放1個光電元件，每當標尺光柵移動1個柵距，將獲得1個周期、相差90°的2路正弦信號，形如式(2)表示。此信號經(jīng)過放大、整形后，輸出1個周期、相差90°的2路方波信號。通過記錄這2路方波脈沖的個數(shù)即可測量出位移的大小，利用其相位關(guān)系可檢測出標尺光柵的移動方向[9]。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)使用的光柵尺是KA300-470。當其正常工作時，將輸出A、B兩路相差90°、TTL電平的方波信號(標尺光柵正移，A超前B 90°；標尺光柵反移，B超前A 90°)，如圖1所示。三維光柵位移測量系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

該系統(tǒng)的硬件主要包括細分辨向電路[6]、單片機主控單元、顯示控制單元。X、Y、Z3個坐標軸的光柵位移信號通過對應(yīng)的細分辨向電路后，分別輸入到3個單片機X、Y、Z進行處理，計算位移，并送顯示電路顯示。為了對系統(tǒng)進行必要的操控，設(shè)計了由單片機X、Y、Z共用的控制電路，它可以依次設(shè)定各坐標軸位移的初值等其它的操控。

(a)標尺光柵正向移動

(b)標尺光柵反向移動

圖2　三維光柵位移測量系統(tǒng)框圖

單片機M和單片機X、Y、Z組成一個主從式單片機多機通信系統(tǒng)[10]，M為主機，X、Y、Z為從機。主機M依次和3個從機進行通信，以提取各個坐標軸的位移值，再統(tǒng)一上傳到上位機，進行相關(guān)的處理。單片機的選型為STC12C5A60S2，其具有雙串口。主機的串口1用于多機通信，串口2則與上位機通信。從機使用串口1與主機通信。

系統(tǒng)的軟件分為主機的軟件及從機的軟件。主機軟件主要包括主機初始化、主機的多機通信程序及主機和上位機的通信程序；從機軟件則有位移計算程序、顯示程序、控制程序及多機通信系統(tǒng)的從機程序等。軟件的開發(fā)環(huán)境為Keil μVision4。

2．1主機軟件設(shè)計與實現(xiàn)

主機功能主要是主機M依次和3個從機(X、Y、Z)通信，令從機將其采集到的位移上傳主機，主機再將其得到三維位移值上傳上位機。

2．1．1主機的主程序設(shè)計與實現(xiàn)

主機主程序主要包括的模塊有主機初始化、主機的多機通信及主機與上位機的通信。主機主程序流程如圖3所示。

圖3　主機主程序流程

主機初始化主要包括串口1、串口2及看門狗定時器等初始化。串口1用于多機通信，工作在方式3(9位異步通信方式)，使用定時器T1做為其波特率發(fā)生器，并設(shè)置T1工作在方式2(8位自動重載模式)，使串口1的波特率為57 600。串口2則與上位機通信，工作在方式1(8位異步通信方式)，使用獨立波特率發(fā)生器(BRT)做為其波特率發(fā)生器，使串口2的波特率同樣設(shè)為57 600。使用看門狗定時器是為了防止程序跑飛而導致系統(tǒng)異常，看門狗定時器設(shè)置預(yù)分頻值為128，溢出時間約為2．3 s(系統(tǒng)頻率為22．118 4 MHz)。主機與上位機間的通信，其實現(xiàn)較簡單。下一節(jié)詳細給出了主機的多機通信程序的設(shè)計與實現(xiàn)。

2．1．2主機的多機通信程序設(shè)計與實現(xiàn)

在系統(tǒng)中，主機的多機通信程序工作的主要過程為：主機向通過從機地址呼叫從機，與呼叫地址相符的從機作出回應(yīng)后，建立通信鏈接；主機向該從機發(fā)出接收數(shù)據(jù)指令(從機發(fā)送數(shù)據(jù)，主機接收)，令從機把其檢測到的位移傳給主機；從機收到指令經(jīng)確認后，進行發(fā)送數(shù)據(jù)。表1為自定義的主機通信指令碼。

表1　主機指令編碼

主機M和從機X、Y、Z通信，設(shè)定其通信協(xié)議如下：

(1)主機和從機的接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)等長，均為8字節(jié)。

(2)從機初始化使所有從機的SM2位置1，讓其處于接收地址幀的狀態(tài)。開始通信時，主機通過從機地址呼叫從機。

(3)從機接到地址幀后，進入串行通信中斷服務(wù)程序，各從機將接收到的地址和本從機的地址比較，對于地址相符的從機，在其中斷服務(wù)程序中使SM2位清零，以接收主機隨后發(fā)來的任意信息(包括地址幀和數(shù)據(jù)幀)；對于地址不符的從機，仍然保持SM2位為1，使其對主機隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)幀信息不予理睬(即直接丟棄)，直到再次接收到地址幀而進行地址比較。

(4)若主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，從機在前一步中比較地址相符后，從機的SM2位清零，同時把本從機的地址回傳給主機，作出應(yīng)答后才能接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)。其它從機繼續(xù)監(jiān)聽地址(SM2=1)，無法收到數(shù)據(jù)。

(5)主機收到從機的應(yīng)答地址后，確認地址是否相符。如果地址不符，則發(fā)送復位指令(地址幀：0XFF)；如果地址相符，主機發(fā)送相應(yīng)的收發(fā)指令。

(6)主機或從機收發(fā)數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)傳輸完成后，需發(fā)送一幀傳輸數(shù)據(jù)的校驗和，讓接收端根據(jù)校驗和檢驗所接收的數(shù)據(jù)是否正確。

(7)主機接收完數(shù)據(jù)后，將接收數(shù)據(jù)的校驗和與從機發(fā)來的校驗和比較，若接這兩個校驗和不符，回傳主機接收錯誤信息0XFF，令從機重發(fā)數(shù)據(jù)；若校驗和相符，回傳主機接收正確信息0X00，以完成數(shù)據(jù)傳輸，并令從機復位(重新等待地址幀)。

(8)從機接收完數(shù)據(jù)后，將接收數(shù)據(jù)的校驗和與主機發(fā)來的校驗和比較，若接這兩個校驗和不符，回傳從機接收錯誤信息0XFF，令主機重發(fā)數(shù)據(jù)；若校驗和相符，回傳從機正確接收信息0X00，以完成數(shù)據(jù)傳輸。

(9)若從機收到復位指令，則回到監(jiān)聽地址狀態(tài)(SM2=1)，否則開始接收數(shù)據(jù)或指令。

根據(jù)自定義的指令和設(shè)定通信協(xié)議，實現(xiàn)了主機的多機通信程序功能。其程序流程如圖4所示。

圖4　主機多機通信程序流程

2．2從機軟件設(shè)計與實現(xiàn)

從機主要功能包括：對位移脈沖計數(shù)并計算出位移，再送顯示電路顯示；控制程序?qū)刂齐娐份斎氲男盘栠M行編碼，根據(jù)編碼實現(xiàn)對從機的相應(yīng)操控(設(shè)置位移初值、設(shè)置分辨率、公/英制單位選擇、半/直徑顯示選擇)；當主機呼叫從機時，與被呼叫相應(yīng)的從機作出響應(yīng)，進入串行通信中斷程序，把檢測到的位移傳給主機。

2．2．1從機的主程序設(shè)計與實現(xiàn)

從機的主程序模塊主要包括有從機初始化、位移計算程序、顯示程序、控制程序及從機的多機通信系統(tǒng)程序。系統(tǒng)3個從機(X、Y、Z)的程序除了所設(shè)置的地址編碼不同外，其余的都一樣。從機的主程序流程如圖5所示。

圖5　從機主程序流程

從機初始化程序中主要設(shè)置單片機的2個定時器(T0、T1)均處于計數(shù)模式；串口1工作于方式3，獨立波特率發(fā)生器(BRT)做為其波特率發(fā)生器，波特率設(shè)為57 600，SM2位置1。顯示驅(qū)動芯片ZLG7289B初始化中，點亮所有數(shù)碼管，以檢測顯示是否正常。

位移計算程序中，所要顯示的位移等于采集到的位移與設(shè)定的位移初值(默認為零，可重設(shè))之和，而采集到的位移值為：

s=(t0-t1)×d

(3)

式中：t0、t1分別為定時器T0、T1對位移脈沖的計數(shù)值；d為輸入到計數(shù)器的位移信號的脈沖當量(默認為5 μm)。

顯示程序把計算得到的位移數(shù)據(jù)下載到ZLG7289B芯片，其對數(shù)據(jù)譯碼并驅(qū)動數(shù)碼管顯示。8位數(shù)碼管的最高一位顯示符號，接下來的7位顯示位移值。

在鍵盤掃描時，若發(fā)現(xiàn)設(shè)置鍵按下，則進入設(shè)置模式。位移初值設(shè)置，可對位移初值進行設(shè)置，設(shè)置過程中，數(shù)碼管的其中一位閃爍顯示(開始時是最高位閃爍，提示最高位為當前輸入位)，以提示當前為輸入位，當向該位輸入數(shù)值后，會自動跳到下一位等待輸入數(shù)值，可通過左移或右移鍵轉(zhuǎn)到要設(shè)置數(shù)值的一位。調(diào)整系統(tǒng)分辨率，可調(diào)整系統(tǒng)測量的分辨率以使其適用于不同分辨率的光柵尺，默認的分辨率為5 μm，可調(diào)整為1 μm或0．5 μm.公/英制顯示選擇，可選擇位移以公制或英制為單位顯示，默認為公制顯示(mm)。半/直徑顯示選擇，可使顯示的位移在半徑和直徑之間切換，默認為半徑顯示(即位移正常，沒有倍乘二)。除初值設(shè)置外，其它三種設(shè)置都有相應(yīng)的指示燈指示當前所處的狀態(tài)。

2．2．2從機的多機通信程序設(shè)計與實現(xiàn)

多機通信的從機部分程序，其功能是響應(yīng)主機呼叫并上傳位移。表2為自定義從機的信息編碼。

表2　從機信息編碼

根據(jù)前文設(shè)定的通信協(xié)議以及從機的信息編碼，從機的多機通信程序設(shè)計流程如圖6所示。

圖6　從機多機通信程序流程

3　實驗及結(jié)果

依據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計，制作并調(diào)試好系統(tǒng)樣板；根據(jù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計，完成了程序的編寫、調(diào)試。最后，搭建好整個實驗系統(tǒng)進行實驗。上位機使用串口調(diào)試助手軟件接收下位機(主機M)上傳的三維光柵位移數(shù)據(jù)，如圖7所示，表3給出了圖7中接收到的數(shù)據(jù)。

圖7　上位機接收到的三維光柵位移數(shù)據(jù)

表3　上位機數(shù)據(jù)接收表 mm

實驗中只使用了一把光柵尺，將其接入到X坐標的輸入端進行實驗，故實驗數(shù)據(jù)只有X坐標的位移值，另外兩坐標的全是零。當光柵尺接入Y或Z坐標時，也可測得相應(yīng)的位移。圖7(或表3)中收到的X軸位移數(shù)據(jù)并沒有連續(xù)變化，這是因為下位機延時上傳的緣故，以緩解數(shù)據(jù)通信的壓力。實驗說明，該系統(tǒng)電路工作正常，軟件設(shè)計合理、執(zhí)行高效，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量精確，實現(xiàn)了三維光柵位移的測量。

4　結(jié)束語

在與桂林機床股份有限公司合作的項目中，根據(jù)該公司的加工需要，完成了三維光柵位移檢測系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)實驗，系統(tǒng)的軟件設(shè)計合理、執(zhí)行高效，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量準確。系統(tǒng)除了測量三維的位移外，還可以直接用于測量一維或二維的位移，也可對其進行一些改動，做成專門用于一維或二維的測量系統(tǒng)。

光柵位移傳感器及其位移檢測系統(tǒng)在車床、磨床、銑床等各類機床上有著廣泛的應(yīng)用，對提升我國裝備制造業(yè)水平有著極其重要的作用。

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