小位移測(cè)量儀測(cè)桿運(yùn)動(dòng)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(cè)量儀測(cè)桿驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上提出了一種檢測(cè)測(cè)桿上升高度的測(cè)桿控制方法。并通過對(duì)處理器控制大功率器件時(shí)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(cè)桿運(yùn)動(dòng)過程中大功率器件產(chǎn)生的干擾對(duì)測(cè)量過程的影響。

關(guān)鍵詞：小位移測(cè)量儀 測(cè)桿運(yùn)動(dòng) 自動(dòng)控制 抗干擾

中圖分類號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（b）-0007-02

隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)和微納米測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外對(duì)小量程高精度位移測(cè)量儀器的研究與設(shè)計(jì)越來越多?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的該類儀器大都價(jià)格昂貴且和具體應(yīng)用領(lǐng)域不相適應(yīng)，所以筆者自主研發(fā)了一臺(tái)用于測(cè)量微小零件尺寸和升降臺(tái)位移的小位移測(cè)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(cè)量儀的測(cè)量過程可以分解為兩個(gè)子過程：測(cè)桿運(yùn)動(dòng)過程和測(cè)量數(shù)據(jù)讀取并處理過程。測(cè)桿運(yùn)動(dòng)的目的之一是使測(cè)桿能夠平穩(wěn)可靠地和各種不同的被測(cè)對(duì)象接觸以實(shí)現(xiàn)對(duì)該被測(cè)對(duì)象豎向位置信息的讀??；另一個(gè)目的則是通過測(cè)桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量多次讀數(shù)，以便通過對(duì)多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)求平均值來消除隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1 測(cè)桿運(yùn)動(dòng)控制方法研究

1.1 測(cè)桿驅(qū)動(dòng)方法

測(cè)桿的運(yùn)動(dòng)需要在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下才能實(shí)現(xiàn)，小位移測(cè)量儀的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是直流電機(jī)和電磁離合器，如圖1所示。對(duì)測(cè)桿升降的控制可通過控制電磁離合器來實(shí)現(xiàn)。

將電磁離合器的電源接通會(huì)使電磁離合器吸合，向上的驅(qū)動(dòng)力作用在測(cè)桿上便可將測(cè)桿提升；當(dāng)測(cè)桿需要下降時(shí)，將電磁離合器的電源斷開會(huì)使電磁離合器斷開，這時(shí)驅(qū)動(dòng)力消失，測(cè)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(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制；另一種是使用處理器芯片通過編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

手動(dòng)控制需要操作者親臨儀器旁并在測(cè)桿運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)時(shí)觀察自主判斷何時(shí)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(dòng)控制后，測(cè)桿運(yùn)動(dòng)控制完全由電路和軟件實(shí)現(xiàn)，這樣就減小了操作者的工作強(qiáng)度，也避免了由于操作者的誤判斷和誤操作而導(dǎo)致的測(cè)量流程紊亂及測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤。所以本論文采用自動(dòng)控制的方法來控制測(cè)桿升降。

由于電磁離合器屬于大功率器件，所以處理器對(duì)電磁離合器的控制需要借助繼電器來實(shí)現(xiàn)。這樣，測(cè)桿運(yùn)動(dòng)控制的控制鏈為：處理器引腳輸出的控制信號(hào)輸入繼電器的控制端，繼電器的兩個(gè)觸點(diǎn)接入電磁離合器的電源線路，繼電器觸點(diǎn)的通斷決定了電磁離合器電源線的通斷。

1.2 監(jiān)測(cè)測(cè)桿上升高度的控制方法

本論文在控制測(cè)桿升降運(yùn)動(dòng)時(shí)采用了一種監(jiān)測(cè)測(cè)桿上升高度的控制方法。

具體來說，就是在測(cè)桿上升階段采用某種位置傳感器對(duì)測(cè)桿的上升高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)測(cè)桿上升到預(yù)定高度時(shí)位置傳感器的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生跳變，處理器感知到該信號(hào)跳變后就采取控制措施將測(cè)桿降落。

處理器會(huì)在測(cè)桿降落并和被測(cè)件表面穩(wěn)定接觸后從光柵信號(hào)處理板中讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)桿降落的耗時(shí)是確定的，由實(shí)驗(yàn)知從測(cè)桿開始降落時(shí)刻算起的8 min之后測(cè)桿必定會(huì)與被測(cè)件穩(wěn)定接觸，所以在測(cè)桿開始降落之時(shí)開啟了一個(gè)定時(shí)時(shí)間為八秒的定時(shí)器，處理器會(huì)在八秒定時(shí)時(shí)間到時(shí)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取、保存與處理。

監(jiān)測(cè)測(cè)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(guān)（即紅外反射式傳感器）具有非接觸觸發(fā)且便于安裝的優(yōu)點(diǎn)，本論文選用光電開關(guān)作為位置傳感器。

處理器對(duì)光電開關(guān)輸出的跳變信號(hào)的檢測(cè)是通過中斷機(jī)制中的“外部中斷”實(shí)現(xiàn)的，光電開關(guān)信號(hào)作為外部中斷源輸入處理器的外部中斷引腳。當(dāng)處理器檢測(cè)到外部中斷輸入信號(hào)產(chǎn)生了下降沿跳變時(shí)，就會(huì)認(rèn)為光電開關(guān)發(fā)出了中斷請(qǐng)求，從而在外部中斷的中斷處理函數(shù)中將測(cè)桿降落。

2 大功率器件抗干擾方法研究

2.1 干擾的產(chǎn)生及其影響

分析1.1節(jié)所論述的控制鏈可以發(fā)現(xiàn)：電磁離合器和處理器之間存在間接的聯(lián)系，大功率器件電磁離合器可能會(huì)對(duì)處理器產(chǎn)生干擾。

實(shí)際情況確實(shí)是這樣，電磁離合器在工作時(shí)會(huì)將干擾信號(hào)通過連接線路耦合進(jìn)處理器電路板中。這種干擾信號(hào)一般在電磁離合器進(jìn)行電源切換和狀態(tài)跳變時(shí)產(chǎn)生，用示波器對(duì)其進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)這種干擾信號(hào)是電壓幅值大持續(xù)時(shí)間短的瞬間劇烈脈沖。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干擾信號(hào)耦合進(jìn)處理器電路板后，主要是對(duì)處理器中的“外部中斷”部分產(chǎn)生不利影響，使處理器產(chǎn)生對(duì)外部中斷輸入信號(hào)的誤判斷和誤觸發(fā)。表1為大功率器件產(chǎn)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(hào)是由光電開關(guān)產(chǎn)生的，但是在表現(xiàn)為瞬間劇烈脈沖的干擾信號(hào)耦合進(jìn)處理器電路板之后，輸入外部中斷引腳的跳變信號(hào)則有可能是干擾信號(hào)。當(dāng)處理器檢測(cè)到并響應(yīng)了實(shí)際為干擾信號(hào)的外部中斷信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生測(cè)桿升降錯(cuò)誤。

2.2 硬件抗干擾措施

本論文使用的處理器STM32F103ZET6是產(chǎn)品系列中最強(qiáng)大的，其抗干擾能力也比一般的處理器好很多。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)若選用51內(nèi)核單片機(jī)STC12C5A60S2作為處理器，電磁離合器產(chǎn)生的干擾則可能會(huì)使處理器重啟或者死機(jī)。所以通過更換處理器來消除干擾信號(hào)影響的方法是不可行的。

在干擾信號(hào)的耦合通道中進(jìn)行信號(hào)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(jí)和輸出級(jí)使用完全不同的兩個(gè)電源供電，輸入級(jí)的地線和輸出級(jí)的地線亦相互獨(dú)立，起到了對(duì)處理器電路和繼電器電路進(jìn)行信號(hào)隔離的作用。

大幅度延長干擾信號(hào)的耦合線路，使干擾信號(hào)在電線中發(fā)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(diǎn)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(duì)處理器電路板正反面覆銅的抗干擾方法。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行電源狀態(tài)切換時(shí)處理器仍會(huì)產(chǎn)生中斷誤觸發(fā)。

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(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)

由于電磁離合器進(jìn)行電源切換和狀態(tài)跳變的時(shí)刻是可知的，即產(chǎn)生干擾的時(shí)間點(diǎn)是固定的，所以可以采用在產(chǎn)生干擾的時(shí)間點(diǎn)上不去檢測(cè)外部中斷信號(hào)的方法來避免“外部中斷”被干擾信號(hào)所觸發(fā)。具體來說就是在干擾產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)所在的一段時(shí)間內(nèi)通過編程將外部中斷檢測(cè)功能關(guān)閉（即關(guān)中斷）。這種通過在測(cè)桿升降過程中選擇合適的時(shí)刻關(guān)中斷和開中斷來抗干擾的思路就是軟件抗干擾方法的實(shí)現(xiàn)思路。

具有軟件抗干擾功能的測(cè)桿運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖2所示。對(duì)該流程圖和1.2節(jié)所論述的監(jiān)測(cè)測(cè)桿上升高度的控制方法進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)：新方法中加入了一個(gè)定時(shí)時(shí)間為兩秒的定時(shí)器。這兩秒是從測(cè)桿開始提升的瞬間干擾發(fā)生到開啟外部中斷的時(shí)間間隔。也就是說在此干擾發(fā)生時(shí)刻之后的兩秒內(nèi)，外部中斷是關(guān)閉的。

而在此干擾發(fā)生時(shí)刻之前的一段時(shí)間內(nèi)，外部中斷也是關(guān)閉的。具體來說，這一段時(shí)間是指從儀器開機(jī)到此干擾第一次發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間段，以及上次測(cè)桿開始降落時(shí)刻到此干擾發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間段。

可見，在測(cè)桿開始提升瞬間干擾發(fā)生時(shí)刻所在的前后一段時(shí)間內(nèi)，外部中斷是關(guān)閉的。

而由于在測(cè)桿提升到預(yù)定高度時(shí)處理器先關(guān)閉外部中斷再降落測(cè)桿，所以在測(cè)桿開始降落瞬間干擾發(fā)生時(shí)外部中斷也已經(jīng)關(guān)閉。

所以在測(cè)桿整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的干擾產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)上外部中斷檢測(cè)功能都是關(guān)閉的，這就避免了處理器檢測(cè)并響應(yīng)實(shí)際為干擾信號(hào)的外部中斷信號(hào)。

3 結(jié)語

在小位移測(cè)量儀測(cè)桿升降運(yùn)動(dòng)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(duì)處理器產(chǎn)生的信號(hào)干擾，保證了測(cè)桿自動(dòng)升降過程的正常進(jìn)行。該方法對(duì)含有大功率執(zhí)行器的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有普遍適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 喻金錢，喻斌.ARM Cortrx-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.endprint

另外，本論文還采用了對(duì)處理器電路板正反面覆銅的抗干擾方法。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行電源狀態(tài)切換時(shí)處理器仍會(huì)產(chǎn)生中斷誤觸發(fā)。

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(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)

由于電磁離合器進(jìn)行電源切換和狀態(tài)跳變的時(shí)刻是可知的，即產(chǎn)生干擾的時(shí)間點(diǎn)是固定的，所以可以采用在產(chǎn)生干擾的時(shí)間點(diǎn)上不去檢測(cè)外部中斷信號(hào)的方法來避免“外部中斷”被干擾信號(hào)所觸發(fā)。具體來說就是在干擾產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)所在的一段時(shí)間內(nèi)通過編程將外部中斷檢測(cè)功能關(guān)閉（即關(guān)中斷）。這種通過在測(cè)桿升降過程中選擇合適的時(shí)刻關(guān)中斷和開中斷來抗干擾的思路就是軟件抗干擾方法的實(shí)現(xiàn)思路。

具有軟件抗干擾功能的測(cè)桿運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖2所示。對(duì)該流程圖和1.2節(jié)所論述的監(jiān)測(cè)測(cè)桿上升高度的控制方法進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)：新方法中加入了一個(gè)定時(shí)時(shí)間為兩秒的定時(shí)器。這兩秒是從測(cè)桿開始提升的瞬間干擾發(fā)生到開啟外部中斷的時(shí)間間隔。也就是說在此干擾發(fā)生時(shí)刻之后的兩秒內(nèi)，外部中斷是關(guān)閉的。

而在此干擾發(fā)生時(shí)刻之前的一段時(shí)間內(nèi)，外部中斷也是關(guān)閉的。具體來說，這一段時(shí)間是指從儀器開機(jī)到此干擾第一次發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間段，以及上次測(cè)桿開始降落時(shí)刻到此干擾發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間段。

可見，在測(cè)桿開始提升瞬間干擾發(fā)生時(shí)刻所在的前后一段時(shí)間內(nèi)，外部中斷是關(guān)閉的。

而由于在測(cè)桿提升到預(yù)定高度時(shí)處理器先關(guān)閉外部中斷再降落測(cè)桿，所以在測(cè)桿開始降落瞬間干擾發(fā)生時(shí)外部中斷也已經(jīng)關(guān)閉。

所以在測(cè)桿整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的干擾產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)上外部中斷檢測(cè)功能都是關(guān)閉的，這就避免了處理器檢測(cè)并響應(yīng)實(shí)際為干擾信號(hào)的外部中斷信號(hào)。

3 結(jié)語

在小位移測(cè)量儀測(cè)桿升降運(yùn)動(dòng)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(duì)處理器產(chǎn)生的信號(hào)干擾，保證了測(cè)桿自動(dòng)升降過程的正常進(jìn)行。該方法對(duì)含有大功率執(zhí)行器的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有普遍適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 喻金錢，喻斌.ARM Cortrx-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.endprint

另外，本論文還采用了對(duì)處理器電路板正反面覆銅的抗干擾方法。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行電源狀態(tài)切換時(shí)處理器仍會(huì)產(chǎn)生中斷誤觸發(fā)。

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(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)

由于電磁離合器進(jìn)行電源切換和狀態(tài)跳變的時(shí)刻是可知的，即產(chǎn)生干擾的時(shí)間點(diǎn)是固定的，所以可以采用在產(chǎn)生干擾的時(shí)間點(diǎn)上不去檢測(cè)外部中斷信號(hào)的方法來避免“外部中斷”被干擾信號(hào)所觸發(fā)。具體來說就是在干擾產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)所在的一段時(shí)間內(nèi)通過編程將外部中斷檢測(cè)功能關(guān)閉（即關(guān)中斷）。這種通過在測(cè)桿升降過程中選擇合適的時(shí)刻關(guān)中斷和開中斷來抗干擾的思路就是軟件抗干擾方法的實(shí)現(xiàn)思路。

具有軟件抗干擾功能的測(cè)桿運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖2所示。對(duì)該流程圖和1.2節(jié)所論述的監(jiān)測(cè)測(cè)桿上升高度的控制方法進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)：新方法中加入了一個(gè)定時(shí)時(shí)間為兩秒的定時(shí)器。這兩秒是從測(cè)桿開始提升的瞬間干擾發(fā)生到開啟外部中斷的時(shí)間間隔。也就是說在此干擾發(fā)生時(shí)刻之后的兩秒內(nèi)，外部中斷是關(guān)閉的。

而在此干擾發(fā)生時(shí)刻之前的一段時(shí)間內(nèi)，外部中斷也是關(guān)閉的。具體來說，這一段時(shí)間是指從儀器開機(jī)到此干擾第一次發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間段，以及上次測(cè)桿開始降落時(shí)刻到此干擾發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間段。

可見，在測(cè)桿開始提升瞬間干擾發(fā)生時(shí)刻所在的前后一段時(shí)間內(nèi)，外部中斷是關(guān)閉的。

而由于在測(cè)桿提升到預(yù)定高度時(shí)處理器先關(guān)閉外部中斷再降落測(cè)桿，所以在測(cè)桿開始降落瞬間干擾發(fā)生時(shí)外部中斷也已經(jīng)關(guān)閉。

所以在測(cè)桿整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的干擾產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)上外部中斷檢測(cè)功能都是關(guān)閉的，這就避免了處理器檢測(cè)并響應(yīng)實(shí)際為干擾信號(hào)的外部中斷信號(hào)。

3 結(jié)語

在小位移測(cè)量儀測(cè)桿升降運(yùn)動(dòng)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(duì)處理器產(chǎn)生的信號(hào)干擾，保證了測(cè)桿自動(dòng)升降過程的正常進(jìn)行。該方法對(duì)含有大功率執(zhí)行器的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有普遍適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 喻金錢，喻斌.ARM Cortrx-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.endprint