摘 要:數(shù)字位移傳感器位移測量系統(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題。云臺的一米紅外太陽望遠(yuǎn)鏡終端為了得到清晰的太陽光譜，將采用該位移測量系統(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)計和系統(tǒng)的軟件設(shè)計，并且進(jìn)行位移測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該位移測量結(jié)果達(dá)到了紅外太陽望遠(yuǎn)鏡主鏡調(diào)焦的精度和實(shí)時性要求，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;位移測量

中圖分類號:TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-095-03

Displacement Measurement System Based on Digital Displacement Sensor

LI Xuebao，XU Jun，SONG Tengfei，HUANG Shanjie

(Yunnan Observatory，National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming，650011，China)

Abstract:The digital displacement sensor of the displacement measurement system has the merit of high accuracy，excellent resolution and better stability，and the SPP to RS 232 interface circuit of the system can solve the problem of short distance between the host computer and position feedback.In order to obtain the clear solar spectrum，the terminal of Infrared Solar Telescope with the aperture of 1m in Yunnan Province (YNST) can apply this displacement measurement system.The overall structure of the system and working principle of the digital displacement sensor are presented.The hardware design of SPP to RS 232 interface circuit and the software design of the system are introduced.In the end，the displacement test has been carried on.It is proved that results of the test reach the precision and respond time of the primary mirror of YNST which has been focused.

Keywords:digital displacement sensor;mechanical-electrical control;SPP to RS 232 interface;displacement measurement

0 引 言

在許多計算機(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)是傳輸速度相對較慢，但傳送距離較遠(yuǎn)[1]。

云臺一米紅外太陽望遠(yuǎn)鏡(以下簡稱YNST)的主鏡調(diào)焦將采用基于數(shù)字位移傳感器的位移測量系統(tǒng)，在所提出來的科學(xué)目標(biāo)中，要求主鏡調(diào)焦中M3鏡調(diào)焦范圍為0～20 mm，并且位移測量值實(shí)時地顯示在數(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)動控制環(huán)節(jié)和位移反饋環(huán)節(jié)組成[2]。上位機(jī)為至少含有兩個COM口的工業(yè)控制計算機(jī)。運(yùn)動控制環(huán)節(jié)主要由運(yùn)動控制器、驅(qū)動器、混合式步進(jìn)電機(jī)和水平機(jī)械運(yùn)動裝置組成;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)字位移傳感器型號為5CB-10C，位移測量范圍為0～20 mm，數(shù)顯表讀數(shù)范圍為0～19.999 mm，分辨率為1 μm，線性度達(dá)到滿量程的0.05%，即精度達(dá)到10 μm。

圖1 位移測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

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變壓器(LVDT)和電測儀器組成。LVDT是把被測位移量變換成電信號的傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單使用方便、使用壽命長等特點(diǎn)，可直接用于測量物體間的相對變位，物體的長度變化。它不但可測靜態(tài)位移也可測量動態(tài)位移，電測儀器由電子測量線路和數(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10 μs。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付邊繞組所組成的線圈及一可動鐵芯構(gòu)成，其原理如圖2所示。

圖2 差動變壓器工作原理

當(dāng)原邊供給一振蕩電壓時，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，兩付邊對原邊的互感量正好相等，同時兩付邊的交流電壓分別經(jīng)檢測電路檢波后，把所得兩直流電壓取其差值，則輸出差動直流電壓V為零。當(dāng)鐵芯往上位移時，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，則差動直流輸出電壓V>0，反之亦然。LVDT兩付邊的感應(yīng)電壓V1，V2和差動直流輸出電壓V與鐵芯在線圈中的位置的定性關(guān)系見圖3，可見差動直流電壓V與鐵芯位移的大小在某一范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系的。測量時把LVDT殼體夾固在參照物上，把和鐵芯連接的測桿緊固在被測點(diǎn)上，當(dāng)被測對象位移時就帶動鐵芯相對于線圈移動，從而線性地改變LVDT的輸出電壓。這樣通過電測儀器測量LVDT輸出電壓的大小，即可測量出被測對象的位移量[3]。

圖3 鐵芯位移與V的定性關(guān)系

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)動控制器是由云臺光電實(shí)驗(yàn)室自主研制的，它與上位機(jī)之間通過RS 232或RS 485串行接口進(jìn)行通信，串口信號格式為:COM1口、波特率4 800 b/s、無奇偶校驗(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[4]。

2.1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口電路硬件設(shè)計[5]

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器低功耗、低價格、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[6]。

圖4 SPP轉(zhuǎn)RS 232接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5為程序流程圖，其中圖5(a)為上位機(jī)主要通過運(yùn)動控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動程序流程圖，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)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行移位和數(shù)據(jù)處理，最后實(shí)時地顯示在控制軟件界面上。

圖5 程序流程圖

圖6 上位機(jī)控制軟件界面

3 位移測量實(shí)驗(yàn)

先利用Protel和Keil軟件對SPP轉(zhuǎn)RS 232接口進(jìn)行仿真，設(shè)計制作接口電路的PCB板，加工好后選取器件進(jìn)行焊接，編寫匯編程序，調(diào)試好后通過下載線將程序下載到單片機(jī)中，組裝整個系統(tǒng)，進(jìn)行位移測量實(shí)驗(yàn)。步進(jìn)電機(jī)連接一個精度較高并帶讀數(shù)標(biāo)尺的水平移動機(jī)械裝置，上位機(jī)通過運(yùn)動控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動該機(jī)械裝置移動。

為位移測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表1可以看出，位移測量結(jié)果穩(wěn)定，與機(jī)械裝置實(shí)際位移值相比誤差較小，測量精度比較高，而且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，系統(tǒng)的響應(yīng)時間較短，實(shí)時性較高，滿足紅外太陽望遠(yuǎn)鏡科學(xué)目標(biāo)中的主鏡調(diào)焦中M3鏡調(diào)焦的要求。

表1 位移測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

物體實(shí)際位移 /mm控制軟件顯示的位移 /mm位移測量精度 /%

1.2001.2030.250

3.5003.5040.114

5.2005.2090.173

7.4007.4120.162

9.3009.3270.290

11.60011.6140.120

13.50013.5240.178

15.10015.1260.172

17.60017.6350.199

19.30019.3250.130

4 結(jié) 語

基于數(shù)字位移傳感器的位移測量系統(tǒng)為由運(yùn)動控制環(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)過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)位移測量精度和實(shí)時性較高，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。

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