基于數(shù)字位移傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)

摘要：數(shù)字位移傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)中的數(shù)字位移傳感器具有高精度、高分辨率和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，并且系統(tǒng)中SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路，解決上位機(jī)與位置反饋環(huán)節(jié)之間的傳輸距離短的問(wèn)題。云臺(tái)的一米紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡終端為了得到清晰的太陽(yáng)光譜，將采用該位移測(cè)量系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和位移傳感器工作原理，闡述了數(shù)據(jù)采集部分SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。該位移測(cè)量結(jié)果達(dá)到了紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡主鏡調(diào)焦的精度和實(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)將于2009年年底投入試用。
關(guān)鍵詞：數(shù)字位移傳感器；機(jī)電控制；SPP轉(zhuǎn)RS 232接口；位移測(cè)量

0 引言
    在許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，并行接口和RS 232串行通用接口是使用最為普遍的兩種標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)并行接口采用8位數(shù)據(jù)的并行正向傳輸，其特點(diǎn)是傳輸速度快、傳輸距離短。而RS 232串行接口常用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的連接，其特點(diǎn)是傳輸速度相對(duì)較慢，但傳送距離較遠(yuǎn)。
    云臺(tái)一米紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(以下簡(jiǎn)稱YNST)的主鏡調(diào)焦將采用基于數(shù)字位移傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)，在所提出來(lái)的科學(xué)目標(biāo)中，要求主鏡調(diào)焦中M3鏡調(diào)焦范圍為O～20 mm，并且位移測(cè)量值實(shí)時(shí)地顯示在數(shù)顯表或控制軟件上，傳輸速率要求不高，但傳輸距離要在10～15 m。而系統(tǒng)選擇的高精度數(shù)字位移傳感器只提供標(biāo)準(zhǔn)并行接口(standard Parallel Port，SPP)，它與上位機(jī)連接的SPP數(shù)據(jù)傳輸線較短，為此在保證系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到系統(tǒng)要求的前提條件下，在上位機(jī)與數(shù)字位移傳感器之間接入SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路，解決傳輸距離短的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及位移傳感器工作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制環(huán)節(jié)和位移反饋環(huán)節(jié)組成。上位機(jī)為至少含有兩個(gè)COM口的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制環(huán)節(jié)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、混合式步進(jìn)電機(jī)和水平機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置組成；位移反饋環(huán)節(jié)主要由帶數(shù)顯表的數(shù)字位移傳感器和SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路組成。數(shù)字位移傳感器型號(hào)為5CB～10C，位移測(cè)量范圍為0～20 mm，數(shù)顯表讀數(shù)范圍為O～19．999 mm，分辨率為1μm，線性度達(dá)到滿量程的0．05％，即精度達(dá)到10μm。

1．2 數(shù)字位移傳感器工作原理
    數(shù)字位移傳感器由差動(dòng)變壓器(LVDT)和電測(cè)儀器組成。LVDT是把被測(cè)位移量變換成電信號(hào)的傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可直接用于測(cè)量物體間的相對(duì)變位，物體的長(zhǎng)度變化。它不但可測(cè)靜態(tài)位移也可測(cè)量動(dòng)態(tài)位移，電測(cè)儀器由電子測(cè)量線路和數(shù)字面板表、A／D轉(zhuǎn)換板組成。A／D轉(zhuǎn)換板有單端16路模擬量輸入，A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位，轉(zhuǎn)換速度達(dá)到10μs。LVDT最基本的結(jié)構(gòu)是由在圓柱形骨架上繞有螺旋形的原邊和兩個(gè)付邊繞組所組成的線圈及一可動(dòng)鐵芯構(gòu)成，其原理如圖2所示。

    當(dāng)原邊供給一振蕩電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，兩付邊就分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓V1和V2。若鐵芯正處線圈的中心位置時(shí)，兩付邊對(duì)原邊的互感量正好相等，同時(shí)兩付邊的交流電壓分別經(jīng)檢測(cè)電路檢波后，把所得兩直流電壓取其差值，則輸出差動(dòng)直流電壓V為零。當(dāng)鐵芯往上位移時(shí)，上邊的付邊與原邊的互感量增大，而下邊的減小，即出現(xiàn)V1>V2，則差動(dòng)直流輸出電壓V>O，反之亦然。LVDT兩付邊的感應(yīng)電壓V1，V2和差動(dòng)直流輸出電壓V與鐵芯在線圈中的位置的定性關(guān)系見(jiàn)圖3，可見(jiàn)差動(dòng)直流電壓V與鐵芯位移的大小在某一范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系的。測(cè)量時(shí)把LVDT殼體夾固在參照物上，把和鐵芯連接的測(cè)桿緊固在被測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)被測(cè)對(duì)象位移時(shí)就帶動(dòng)鐵芯相對(duì)于線圈移動(dòng)，從而線性地改變LVDT的輸出電壓。這樣通過(guò)電測(cè)儀器測(cè)量LVDT輸出電壓的大小，即可測(cè)量出被測(cè)對(duì)象的位移量。

2 數(shù)據(jù)采集接口硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制器是由云臺(tái)光電實(shí)驗(yàn)室自主研制的，它與上位機(jī)之間通過(guò)RS 232或RS 485串行接口進(jìn)行通信，串口信號(hào)格式為：COMl口、波特率4 800 b／s、無(wú)奇偶校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。位移反饋環(huán)節(jié)中的數(shù)字位移傳感器只提供標(biāo)準(zhǔn)并行接口與外圍設(shè)備連接，其A／D卡占用引腳2～9作為輸入端口，引腳10～13作為輸出端口，其端口輸入輸出電平均為TTL電平。以AT89C51單片機(jī)為核心的SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路通過(guò)寫輸入端口向A／D送入操作狀態(tài)，讀輸出端口得到A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)及其他信息。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果為14位二進(jìn)制數(shù)，分兩組讀取，先讀第1組高8位，再讀第2組低6位。每組又分小兩次讀取，每次4位，最后一次是2位。
2．1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口電路硬件設(shè)計(jì)
    圖4為以AT89C51為核心的SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路原理圖。AT89C51是一種帶4 KB閃速可編程只讀存儲(chǔ)器低功耗、低價(jià)格、高性能CMOS 8位單片機(jī)。單片機(jī)的P1端口與數(shù)字位移傳感的輸入端口相連，向傳感器中的A／D送入操作狀態(tài)，P2端口的高四位與傳感器的輸出端口相連，用于讀取A／D轉(zhuǎn)換的14位數(shù)據(jù)信息。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    圖5為程序流程圖，其中圖5(a)為上位機(jī)主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序流程圖，圖5(b)為系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)位移反饋程序流程圖。圖6為用VC編寫的上位機(jī)控制軟件界面，上位機(jī)控制軟件調(diào)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制環(huán)節(jié)及位置反饋環(huán)節(jié)之間的串行通訊。上位機(jī)接收接口電路發(fā)送的14位數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行移位和數(shù)據(jù)處理，最后實(shí)時(shí)地顯示在控制軟件界面上。

3 位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)
    先利用Protel和KeiI軟件對(duì)SPP轉(zhuǎn)RS 232接口進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)制作接口電路的PCB板，加工好后選取器件進(jìn)行焊接，編寫匯編程序，調(diào)試好后通過(guò)下載線將程序下載到單片機(jī)中，組裝整個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)。步進(jìn)電機(jī)連接一個(gè)精度較高并帶讀數(shù)標(biāo)尺的水平移動(dòng)機(jī)械裝置，上位機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)該機(jī)械裝置移動(dòng)。
    為位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表1可以看出，位移測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，與機(jī)械裝置實(shí)際位移值相比誤差較小，測(cè)量精度比較高，而且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短，實(shí)時(shí)性較高，滿足紅外太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡科學(xué)目標(biāo)中的主鏡調(diào)焦中M3鏡調(diào)焦的要求；

4 結(jié)語(yǔ)
    基于數(shù)字位移傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)為由運(yùn)動(dòng)控制環(huán)節(jié)和位移反饋環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要部分為實(shí)驗(yàn)室所研制，成本低，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)位移測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性較高，能夠達(dá)到科學(xué)研究的要求，系統(tǒng)將于2009年年底投入試用。