王勁松，程 棟

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

基于nRF905無線多軸電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王勁松，程 棟

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

針對(duì)光學(xué)干涉儀測(cè)量過程中人為干擾和手動(dòng)調(diào)整的局限性，設(shè)計(jì)基于nRF905射頻芯片，采用無線傳輸?shù)姆绞娇刂贫嗤ǖ啦竭M(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過手持終端遠(yuǎn)程控制多路電機(jī)調(diào)整光學(xué)干涉儀。滿足無線遠(yuǎn)程控制、高精度、低振動(dòng)、多通道的特殊要求。文中給出了無線多軸電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖和硬件設(shè)計(jì)電路，并且通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精度的控制要求。

無線控制；電機(jī)控制；高精度；多通道；nRF905

0 引言

在許多特殊的測(cè)量場(chǎng)合下，比如高低溫環(huán)境、真空環(huán)境、人不能參與的環(huán)境下等，傳統(tǒng)的測(cè)控方式可能不能滿足測(cè)量要求，大型光學(xué)干涉儀應(yīng)用于測(cè)量大尺寸光學(xué)元件的表面平整度，因?yàn)閼?yīng)用在特別的測(cè)量場(chǎng)合，對(duì)測(cè)量的精度要求很高，達(dá)到納米級(jí)，所以一些人為的干擾（比如說話、走動(dòng)等）就會(huì)引起測(cè)量誤差，而傳統(tǒng)的大型干涉儀大部分都是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)來測(cè)量的，避免不了人為干擾，文中設(shè)計(jì)一種基于無線控制的電機(jī)控制系統(tǒng)來控制干涉儀的測(cè)量，排除了人為干擾因素，滿足高精度、低振動(dòng)的測(cè)量要求，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求控制精度達(dá)到0.5um，無線控制的距離是要求能夠穿過房間達(dá)到20m，接收靈敏度滿足-80dBm，發(fā)射功率滿足+6dBm。

挪威Nordic VLSI公司推出的nRF905單片射頻收發(fā)器，接收靈敏度為-100dBm，最大發(fā)射功率為+ 10dBm，工作頻率433MHz，工作速率50kbPs，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合［1-3］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)分為控制發(fā)送終端與接受執(zhí)行終端，控制發(fā)送終端采集傳感器的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)，接受執(zhí)行終端接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

控制發(fā)送終端的設(shè)計(jì)采用的傳感器為電阻式搖桿，傳感器的數(shù)據(jù)通過AD采集傳輸?shù)街骺匦酒?，nRF905采用的是SPI接口，主控芯片采用AVR 8位微處理器ATmega16L，芯片集成了10位ADC轉(zhuǎn)換，高速SPI接口，接受執(zhí)行終端的功能是將NRF905接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，然后去控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作［2］，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是通過脈沖個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)度，需要采用了細(xì)分［3］，所以接受執(zhí)行終端的主控芯片需要高速的控制芯片，文中采用了TI公司高性能、高處理速度的DSP 32位微處理器TMS320F28335，在設(shè)計(jì)過程中還考慮了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，無線電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

控制發(fā)送終端中，AVR采集搖桿的數(shù)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)通過nRF905發(fā)送出去，接受執(zhí)行終端中DSP控制nRF905采集接收的數(shù)據(jù)，然后通過分析，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器去控制步進(jìn)電機(jī)做出相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，限位開關(guān)設(shè)置在運(yùn)動(dòng)軌道的兩端，防止電機(jī)在導(dǎo)軌兩端因?yàn)椴僮鞑划?dāng)造成機(jī)械結(jié)構(gòu)部分損壞。

圖1 無線電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為三大部分：nRF905射頻電路、DSP和AVR與nRF905的接口電路、驅(qū)動(dòng)器接口電路。

2.1 nRF905射頻電路

nRF905芯片中集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，無需外加濾波器，只需要簡單的外圍電路就可以組成射頻收發(fā)電路，nRF905射頻電路的原理圖如圖2所示，天線部分設(shè)計(jì)是基于433M通訊頻率來設(shè)計(jì)的。

圖2 工作在433MHz nRF905射頻電路的原理圖

天線的輻射功：

天線的電阻：

式中：l表示的是天線的長度，λ表示的是射頻載波的波長

因?yàn)樘炀€入口處的電流要跑到天線的末端之后，才能發(fā)射出去，所以，對(duì)天線進(jìn)行積分的電流是末端電流，積分形成一個(gè)疊加輻射場(chǎng)，于是形成一個(gè)天線長度與波長的函數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明，四分之一波長，整體效果比較好［4］。

所以，在發(fā)射端連接50Ω單端鞭狀天線。

2.2 單片機(jī)與nRF905的接口電路

nRF905內(nèi)部有5個(gè)寄存器：狀態(tài)寄存器、配置寄存器、發(fā)射地址寄存器、發(fā)射數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，除了對(duì)寄存器讀寫外，還需對(duì)nRF905工作模式的切換進(jìn)行控制，DSP和AVR與nRF905的信號(hào)連接如圖3所示。

TMS320F28335與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸使用SPI接口，DSP的GPIO16、GPIO17、GPIO18、GPIO19連接nRF905的SPI接口，GPIO20-GPIO26連接nRF905的控制信號(hào)和模式控制信號(hào)，用于nRF905的模式切換以及通信過程中必須的信號(hào)的傳輸，ATmega16L與nRF905的接口電路同樣采用SPI接口電路。

圖3 DSP和AVR與nRF905的信號(hào)連接圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的是MSST5，采用脈沖方向輸入模式，脈沖信號(hào)來控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，另一路邏輯信號(hào)控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向（順時(shí)針或逆時(shí)針），輸入信號(hào)是5V邏輯信號(hào)，最小脈寬500ns；換向信號(hào)建立時(shí)間2us（最?。?，最大脈沖頻率2 MHz。

圖4 DSP與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接口電路

DSP的GPIO引腳的輸出是3.3V，而驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)是5V的邏輯信號(hào)，所以還需要將3.3V的信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器接收的5V信號(hào)，我們采用的是74HC245總線驅(qū)動(dòng)器，74HC245的電源輸入引腳VCC接到5V，DSP的輸出引腳通過74HC245就輸出5V的CMOS邏輯信號(hào)，如圖4所示。

這個(gè)接口電路既滿足了設(shè)計(jì)要求而且提高了IO口的驅(qū)動(dòng)能力，提高了穩(wěn)定性，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證DSP的IO端口的上升時(shí)間為10ns，74HC245輸出端口的上升時(shí)間為10ns，滿足高速脈沖頻率。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 主從控制主函數(shù)

控制發(fā)送終端與接受執(zhí)行終端的主函數(shù)流程圖如圖5所示，控制發(fā)送執(zhí)行終端的主要的功能是采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，首先初始化單片機(jī)的IO端口、A/D轉(zhuǎn)換、SPI總線，設(shè)置IO端口的輸出或輸入，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換寄存器和SPI總線寄存器的初始值，初始化nRF905的參數(shù)，設(shè)置nRF905寄存器的值，包括地址匹配、工作頻率、輸出功率等，采集搖桿的AD數(shù)值，然后控制nRF905將這些數(shù)值發(fā)送出去。

接受執(zhí)行終端的主要功能是接受數(shù)據(jù)和控制電機(jī)，首先初始化單片機(jī)的IO端口、SPI總線、定時(shí)器，設(shè)置定時(shí)器中斷的時(shí)間，初始化nRF905的參數(shù)，設(shè)置為接受模式，判斷限位標(biāo)志位，是否去執(zhí)行限位狀態(tài)下控制電機(jī)，讀取nRF905接收的數(shù)據(jù)，處理接收的數(shù)據(jù)，分析出所需的變量、要控制的電機(jī)、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)的速度，輸出信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)做出所需的動(dòng)作。

圖5 控制發(fā)送終端與接受執(zhí)行終端的主函數(shù)流程圖

3.2 nRF905的初始化

nRF905的初始化是無線通訊過程的關(guān)鍵的問題，nRF905的所有配置都是通過SPI接口進(jìn)行的，nRF905的SPI接口只有在掉電模式和standby模式是激活的，當(dāng)CSN為低時(shí)，SPI接口開始等待一條指令，任何一條新指令均由CSN由高到低的轉(zhuǎn)換開始，nRF905的初始化分為發(fā)送模式和接收模式兩種，其工作的過程如表1所示，在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)如果要進(jìn)行接收和發(fā)送模式轉(zhuǎn)換時(shí)，需要對(duì)nRF905進(jìn)行重新配置和初始化［5］。

表1 nRF905初始化過程

3.3 多通道步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制

步進(jìn)電路是通過脈沖進(jìn)行控制的，每一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角，在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)需要單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)，而本系統(tǒng)中需要控制8路步進(jìn)電機(jī)并且需要實(shí)現(xiàn)精確控制，沒有采用常規(guī)的PWM控制方式，有兩個(gè)原因：一是沒有足夠PWM輸出引腳；二是不能精確的控制輸出脈沖數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，我們采用了一種新型控制方式，系統(tǒng)采用軟件定時(shí)，使用DSP的定時(shí)器T0，定時(shí)器每溢出一次就反轉(zhuǎn)GPIO口，兩次反轉(zhuǎn)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，程序只占用了一個(gè)定時(shí)器，但卻極大地提高了CPU的利用率，CPU在定時(shí)器沒產(chǎn)生溢出時(shí)運(yùn)行其它程序。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 調(diào)整分辨率

在設(shè)計(jì)過程中，通過軟件細(xì)分的方式，采用了4檔速度，輸出的脈沖頻率范圍由310Hz到250KHz，方便操作人員在操作過程中有多種控制方式，圖6是DSP輸出最大的脈沖頻率的波形圖，輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)。

圖6 最大的頻率輸出波形圖

圖7 是傳感器控制信號(hào)產(chǎn)生到脈沖信號(hào)輸出比較圖，輸出的波形圖中，我們得出從無線搖桿的操作到DSP做出相應(yīng)的反應(yīng)，中間所需的時(shí)間是30ms，當(dāng)采用最低檔速度時(shí)，DSP輸出的頻率是310Hz，步進(jìn)電機(jī)的軟件細(xì)分是8000，結(jié)構(gòu)上采用了100：1的減速比，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿的導(dǎo)程是1mm，通過計(jì)算：

（30/1000）*310/8000/100*1*106=12.5nm

系統(tǒng)的最小的滯后是12.5nm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 傳感器控制信號(hào)產(chǎn)生到脈沖信號(hào)輸出的時(shí)間

4.2 實(shí)際應(yīng)用與電機(jī)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

文中設(shè)計(jì)無線多軸電機(jī)控制系統(tǒng)就是應(yīng)用在Zygo干涉儀，通過手持終端遠(yuǎn)程控制電機(jī)調(diào)整多個(gè)方向的移動(dòng)，在測(cè)試過程中將標(biāo)準(zhǔn)件（光學(xué)鏡片）與測(cè)試件都安裝在Zygo干涉儀，通過多個(gè)方向調(diào)整測(cè)試件使標(biāo)準(zhǔn)件與測(cè)試件形成干涉條紋，如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)件與測(cè)試件形成干涉條紋

干涉儀通過在定點(diǎn)時(shí)干涉條紋的移動(dòng)來測(cè)量干涉儀的振動(dòng)，圖9是Zygo干涉儀振動(dòng)測(cè)量圖，圖9（a）是掉電狀態(tài)下的振動(dòng)曲線，圖9（b）是電機(jī)在定點(diǎn)位置時(shí)的振動(dòng)曲線，從圖中我們可以得出，兩者的振動(dòng)的幅度都是在±12.5nm內(nèi)，振動(dòng)的頻率都是在低頻（5Hz以下）范圍內(nèi)，說明了電機(jī)的振動(dòng)對(duì)測(cè)量基本沒有影響，因?yàn)殡姍C(jī)的控制信號(hào)為高頻，在測(cè)量圖中幅度很小，也說明整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到的測(cè)量精度。

圖9 Zygo干涉儀振動(dòng)測(cè)量圖

5 結(jié)語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用無線通信方式對(duì)多路步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程無線的控制，采用精確脈沖數(shù)控制方式，在實(shí)際操作環(huán)境中能夠快速并精確的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足無線控制、高精度、低振動(dòng)的特殊要求，在很多特殊領(lǐng)域可以得到應(yīng)用，該系統(tǒng)也為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用提供了一種參考。

［1］ 陸甲子，陳俊杰，邢后銀.一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三相電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)控技術(shù)，2008，27（12）：60-64+69.

［2］ 李立明，柴曉冬，方宇.基于PTR2000的步進(jìn)電機(jī)無線控制系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010（6）：88-90.

［3］ 劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［4］ 陳華君.RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計(jì)［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，44（增刊1）：312-315.

［5］ 蔣博.nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006（3）：52-61+60.

責(zé)任編輯：吳旭云

Design of W ireless M ulti-axis M otor Control System Based on nRF905

WANG Jingsong，CHENG Dong
（School of OPtoElectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

In order to solve the limitations of anthroPogenic interference and manualmobilization in the oPtical interferometermeasurement，the nRF905-based RF chiP is designed，which adoPts wireless transmission to control themulti-channel stePPermotor control system，and makes remote control to adjust the oPtical interferometer by hand-held terminal.Itmeets the sPecial requirements ofwireless remote control，high-Precision，low vibration andmulti-channel.This PaPer Presents a block diagram of thewirelessmulti-axismotor control system and the hardware design circuit.And the stability and high-Precision of the system are verified by exPerimental data.

wireless control；motor control；high-Precision；multi-channel；nRF905

TP273

A

1009-3907（2015）06-0030-06

2014-08-20

王勁松（1973-），男，吉林長春人，副教授，博士，主要從事光電測(cè)控系統(tǒng)與儀器方面的研究；程棟（1989-），男，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事高精度轉(zhuǎn)臺(tái)控制方面的研究。