基于STM32的三激光位移傳感器的在機(jī)測(cè)頭設(shè)計(jì)

劉新波，楊永青，黎浪

（邵陽(yáng)學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引 言

現(xiàn)代裝備制造中，大部分精密運(yùn)動(dòng)同規(guī)則內(nèi)外曲面的配合緊密相關(guān)，而規(guī)則內(nèi)曲面的加工難度尤為突出，可以說(shuō)，規(guī)則內(nèi)曲面的測(cè)量和加工一直以來(lái)都是高端裝備制造領(lǐng)域最突出的矛盾之一。

基于激光三角法制成的點(diǎn)激光傳感器具有體積小、使用方便的特點(diǎn)，自身精度也能達(dá)到甚至突破微米級(jí)，是一種便于集成和應(yīng)用的測(cè)量工具。合肥工業(yè)大學(xué)高雋教授研制一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)式激光三角傳感器，能克服掃描時(shí)出現(xiàn)的表面階躍、不連續(xù)紋理，同時(shí)還能夠緩解激光出射方向上的顫動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，而其局限性是未能消減整個(gè)被測(cè)面上的運(yùn)動(dòng)誤差。目前在大多數(shù)研究中，并沒(méi)有考慮激光測(cè)頭對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)誤差的影響或者是考慮甚少，因而限制了激光位移傳感器的推廣使用。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于STM32 的三激光位移傳感器在機(jī)測(cè)頭，該測(cè)頭能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)孔類(lèi)零件的在機(jī)測(cè)量，消減機(jī)床等裝置自身運(yùn)動(dòng)精度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。該測(cè)頭系統(tǒng)以STM32F103 微處理器作為采集系統(tǒng)的主控芯片，應(yīng)用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，結(jié)合三個(gè)激光傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取內(nèi)圓直徑、圓柱度等幾何參數(shù)。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

該測(cè)頭系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部件、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、STM32控制模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。數(shù)據(jù)采集部件由三個(gè)激光位移傳感器組成，負(fù)責(zé)采集接收到的數(shù)據(jù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。STM32 控制模塊作為下位機(jī)模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)過(guò)程的控制。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊用于將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集部件的三個(gè)激光位移傳感器分別將采集到的數(shù)據(jù)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，STM32 控制模塊通過(guò)GPIO 引腳與數(shù)據(jù)采集部件、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)頭整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該測(cè)頭包括機(jī)架組件、鋰電池、單片機(jī)控制板、藍(lán)牙模塊以及三個(gè)激光束測(cè)量及調(diào)校組件。機(jī)架組件主要包括帶軸頂蓋、上固定架、中調(diào)節(jié)架、下固定架、中心柱、底部安裝盤(pán)和頂蓋固定螺釘組，其中帶軸頂蓋可與其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備連接；第一激光束測(cè)量及調(diào)校組件、第二激光束測(cè)量及調(diào)校組件、第三激光束測(cè)量及調(diào)校組件三者的結(jié)構(gòu)完全相同，分別可實(shí)現(xiàn)第一激光束、第二激光束和第三激光束的位姿調(diào)節(jié)和固定。鋰電池負(fù)責(zé)為傳感器、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊等器件供電，下位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集三組測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)藍(lán)牙模塊將結(jié)果發(fā)送至PC 端。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

為了控制本測(cè)頭的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇了Panasonic HGC1030 激光位移傳感器，如圖3所示，這款激光位移傳感器的主要特點(diǎn)是體積小，外形尺寸僅為8×18×37 mm，即便是測(cè)頭上集成3 個(gè)傳感器，也能滿(mǎn)足多種內(nèi)尺寸結(jié)構(gòu)的測(cè)量要求。該傳感器使用高精度CMOS 為感光單元，內(nèi)部使用一套獨(dú)特結(jié)構(gòu)和電路，絕對(duì)精度可達(dá)10 μm。同時(shí)，模擬輸出是其唯一輸出方式，按照通用標(biāo)椎設(shè)置，即模擬電流模式：4 mA～20 mA 輸出，模擬電壓模式：0 V～5 V 輸出，用戶(hù)按需選擇輸出模式。采用三臺(tái)測(cè)量精度為10 μm的HG-C1030 傳感器進(jìn)行測(cè)頭集成，并在結(jié)構(gòu)、電路和軟件算法上進(jìn)行合理優(yōu)化，如取三者的均方根，理論上可使測(cè)頭的測(cè)量精度更高，這也是本測(cè)頭研制的基本出發(fā)點(diǎn)。

圖3 HG-C1030 激光位移傳感器

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

STM32F103 自帶3 個(gè)12 位可配置的AD 輸入模塊，可滿(mǎn)足三傳感器的應(yīng)用需求。其輸入的電壓范圍為0～3.3 V。由于選用的HG-C1030 型激光位移傳感器，只支持模擬電流4 mA～20 mA 輸出，模擬電壓0 V～5 V 輸出。直接采用傳感器的模擬電壓輸出模式將超出STM32的輸入電壓范圍，故無(wú)論傳感器采用何種輸出模式，均需進(jìn)行調(diào)理。為了提高調(diào)理的準(zhǔn)確性，本文傳感器采用模擬電流輸出模式，選用電流轉(zhuǎn)電壓調(diào)理方式，將轉(zhuǎn)換后的模擬電壓輸入A/D 采樣模塊。

根據(jù)需要，本文采用的模塊應(yīng)滿(mǎn)足可以將輸入的模擬電流4 mA～20 mA轉(zhuǎn)換為0～3.3 V。整個(gè)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，可將該模塊分為四個(gè)部分：電流檢測(cè)放大部分、II 級(jí)差分放大電路、量程調(diào)節(jié)電路和防止電源反接部分。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

電流檢測(cè)放大部分就是U1B 部分，電流從R1 的上端流入，下端流出。不難看出這是一個(gè)級(jí)差分放大電路，也就是一個(gè)減法運(yùn)算電路，輸出電壓如式（1）所示：

即是電阻R1 兩端的電壓差，假如流過(guò)該電阻的電流為20 mA，那么產(chǎn)生的電壓為20×100=2 000 mA，尚未達(dá)到A/D 模塊的電壓測(cè)量范圍，所以為了高效利用A/D 模塊的量程，需要將電壓信號(hào)進(jìn)一步放大，圖中U1A 組成是減法電路，其輸出電壓等于-。U1D 組成一個(gè)跟隨器，當(dāng)電流信號(hào)為4 mA 時(shí)，為400 mV，若使U1A 的輸出為0 V，就需要=，若要調(diào)節(jié)U1D跟隨器的正相輸入端，調(diào)節(jié)電位器RP2 改變分壓即可，這樣就有效解決了當(dāng)輸入電流為4 mA 時(shí)輸出電壓為0 的問(wèn)題。接下來(lái)我們要添加的是放大電路，將U1A 的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。在這里U1A 的作用即是最終放大，那么在使用時(shí)，將輸入電流設(shè)置為U1A時(shí)，調(diào)節(jié)RP1 電位器，即調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，直至輸出電壓為3.3 V。

2.3 AD 擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)

由于STM32F103 的AD 輸入模塊最多配置12 位[]，其采樣精度較低，直接選用將會(huì)影響測(cè)頭的工作精度，所以?xún)H在測(cè)頭樣機(jī)調(diào)試時(shí)選用，而正式應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行AD 擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)。AD 擴(kuò)展模塊選擇Analog Device 公司的AD7192芯片作為核心芯片，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。AD7192 是內(nèi)置一個(gè)低噪聲、八通道、24 位Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該測(cè)頭系統(tǒng)采用三個(gè)傳感器，即需要三個(gè)通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，三個(gè)傳感器采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路之后，通過(guò)三個(gè)通道連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。AD7192 與STM32F103ZET6 系統(tǒng)通過(guò)SPI 協(xié)議進(jìn)行通信，硬件接線(xiàn)如圖5所示。

圖5 AD7192 和STM32F103ZET6 連接圖

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊主要負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊等部分提供電源，其中數(shù)據(jù)采集模塊三個(gè)傳感器的工作電壓為12 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓為5 V，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的工作電壓為3.3 V，因此，電源模塊同時(shí)提供12 V、5 V、3.3 V 電源。本測(cè)頭系統(tǒng)采用12 V 直流電源輸入，應(yīng)用DC-DC 模塊將12 V 轉(zhuǎn)換為5 V，采用MP2482產(chǎn)生5 V 電壓，電路如圖6（a）所示，然后通過(guò)LDO 模塊將5 V 轉(zhuǎn)換為3.3 V，采用CJA117B 產(chǎn)生3.3 V 電壓，電路如圖6（b）所示。

圖6 電源電路圖

2.5 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊選擇

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊用于將模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。該系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞剑ú捎贸商椎乃{(lán)牙傳輸模塊）將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。該測(cè)頭系統(tǒng)選用的具體型號(hào)為HC-05，內(nèi)置2.4 GHz 天線(xiàn)，工作電壓為3.3 V，通過(guò)AT 指令進(jìn)行控制，具有低功耗、高性能、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，STM32 數(shù)據(jù)采集程序流程可簡(jiǎn)述為：

圖7 STM32 數(shù)據(jù)采集流程圖

程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為72 MHz；通過(guò)FCMS 端口將AD7192 連接到STM32，對(duì)AD7192 進(jìn)行初始化；然后對(duì)所有的串口進(jìn)行初始化，將發(fā)送模塊與SATM32 相連接，設(shè)置波特率等信息；對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，將定時(shí)器的時(shí)間設(shè)置為0.01 s，讀取AD7192的模數(shù)轉(zhuǎn)化結(jié)果。

3.2 卡爾曼濾波

3.2.1 原理介紹

在測(cè)量的過(guò)程中，三個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)都會(huì)受到噪聲的干擾，且由于測(cè)量環(huán)境相同，外界噪聲基本相似。若要盡量減少和評(píng)定這類(lèi)誤差，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波就顯得尤為重要。

卡爾曼濾波是一種軟件濾波方法，通過(guò)狀態(tài)方程進(jìn)行預(yù)測(cè)，公式為：

其中，、、分別為系統(tǒng)的狀態(tài)變量、控制變量、輸入噪聲；、、分別為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、控制矩陣、噪聲控制矩陣。

系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)方程為：

其中，為傳感器觀(guān)測(cè)到的變量，為觀(guān)測(cè)噪聲，為觀(guān)測(cè)矩陣。

3.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證卡爾曼濾波算法的效果，利用MATLAB 進(jìn)行仿真分析，將傳感器得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入MATLAB，經(jīng)卡爾曼濾波模型預(yù)處理，加入相對(duì)誤差和均方根誤差進(jìn)行置信度和精準(zhǔn)度的檢驗(yàn)。

如圖8所示，傳感器仿真數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波（通過(guò)卡爾曼濾波模型進(jìn)行），加入相對(duì)誤差和均方根誤差，進(jìn)行測(cè)量值和濾波值的誤差對(duì)比?？梢钥闯觯?jīng)卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，所得到的仿真數(shù)據(jù)相比濾波前測(cè)量值誤差明顯減小，相對(duì)精度提高了1 倍左右，這說(shuō)明數(shù)據(jù)精度得到了明顯提高。

圖8 濾波前后誤差對(duì)比圖

如圖9所示為傳感器對(duì)靜止的標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行位置測(cè)量，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后，對(duì)無(wú)干擾的理論值、直接測(cè)量值、實(shí)際值以及濾波值進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)比分析得出，經(jīng)卡爾曼濾波后的值與實(shí)際值更為接近，波動(dòng)范圍從18 μm 提高到6 μm，這說(shuō)明濾波效果明顯提高了精度。

圖9 卡爾曼濾波仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

本文介紹了一種三激光位移傳感器在機(jī)測(cè)頭的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了以STM32F103 系統(tǒng)為核心的控制電路，同時(shí)以三個(gè)高精度點(diǎn)激光位移傳感器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多通道同步采集，實(shí)時(shí)傳輸，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，從而提高精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)頭系統(tǒng)具有一定的可靠性和實(shí)用性。