盧春霞，田 遠(yuǎn)，王建華

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

齒輪測量技術(shù)發(fā)展至今已有近百年的歷史，而于20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的CNC坐標(biāo)測量技術(shù)是對傳統(tǒng)測量概念的一大突破[1]?，F(xiàn)有的齒輪測量中心的測量需要建立在齒輪理論公式的基礎(chǔ)上，它將曲面的理論公式的計算值與實際采樣點坐標(biāo)值相比較，得到該點的誤差值。但是現(xiàn)使用的TESA測頭測量范圍為±0.36 mm，對于對一些超大誤差的工件無法完成正常測量，同樣對于一些用戶提出的未知參數(shù)工件無法進(jìn)行檢測或測繪。為此，設(shè)計了基于C8051F310的數(shù)值隨動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時采集測頭信號，所采集的測頭信號表示的是一個變差值，不需要對設(shè)定值與輸出值進(jìn)行差值計算，直接由測頭信號值作為參數(shù)控制電機(jī)跟隨曲面運(yùn)動，完成測量動作。

1 運(yùn)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨動控制系統(tǒng)是運(yùn)動控制系統(tǒng)的一個功能模塊，在整個隨動控制系統(tǒng)中，隨動控制器在整個隨動系統(tǒng)中處于核心位置，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換和處理。其作用是獲取測頭數(shù)值信息，與設(shè)定值比較得出偏差，通過控制算法計算得出控制量，控制電機(jī)跟隨運(yùn)動。設(shè)計方案本著簡單、可靠、滿足使用要求的原則，選用C8051F系列單片機(jī)為控制核心。測頭信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路送到單片機(jī)芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊，測頭與工件之間的位置偏差由電壓值的表達(dá)形式轉(zhuǎn)化為數(shù)字值被單片機(jī)接收并加以運(yùn)算處理，最終利用AD9850輸出可控制測頭運(yùn)動的脈沖，從而對電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。達(dá)到測頭運(yùn)動跟隨控制信號的目的[2－3]。系統(tǒng)原理總體框圖如圖1所示。

圖1 隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the Servo control system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分主要包含3部分，1）電壓轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)將輸入的±10 V的測頭信號轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的單極性信號。2）隨動控制器采用單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和處理。其作用是獲取測頭數(shù)值信息，與設(shè)定值比較得出偏差，通過控制算法計算得出控制量。3）脈沖發(fā)生模塊接收單片機(jī)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生可調(diào)頻率的脈沖信號，控制電機(jī)跟隨運(yùn)動[4]。

2.1 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

C8051F310的采樣電壓信號的幅值為0～3.3 V，而測頭信號是雙極性的，所以在A/D轉(zhuǎn)換前必須將從測頭采集的電壓信號轉(zhuǎn)化為單極性的，并且通過放大電路把信號范圍降到0～3.3 V，才能保證A/D轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行。實驗電路如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.2 The voltage conversion circuit

設(shè)計中使用兩個電阻對輸入信號分壓，使輸入信號衰減1/4，使用運(yùn)算放大器u2調(diào)整準(zhǔn)位。在電路設(shè)計中分別使用兩個電位器對輸入電壓的幅值和基準(zhǔn)位進(jìn)行調(diào)整。

2.2 AD9850及其接口電路設(shè)計

AD9850是AD公司生產(chǎn)的最高時鐘為125 MHz、采用CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)模變換器（DAC）和高速比較器3部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。內(nèi)部采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成10位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個互補(bǔ)的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調(diào)節(jié)，典型值3.9 kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出方波。在125 MHz的時鐘下，32位頻率控制字可使AD9850輸出頻率分辨率達(dá)0.029 1 Hz。

圖3 C8051F310與AD9850接口電路Fig.3 C8051F310 and AD9850 interface circuit

在設(shè)計中使用串行輸入方式，AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠（Powerdown）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，W－CLK上升沿把25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當(dāng)移動40位后，用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位[5－6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件部分主要是與C8051F310有關(guān)的功能模塊的配置，以及電機(jī)控制算法的設(shè)計。總體思想是采用中斷方式（定時器2中斷）來處理頻率值的更新，測頭狀態(tài)標(biāo)志的操作。主程序完成系統(tǒng)內(nèi)各個模塊的初始化以及頻率輸出的開啟/停止。

系統(tǒng)上電后，由初始化模塊完成各監(jiān)測點的初始化工作并進(jìn)入默認(rèn)工作模式，由定時器2啟動AD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率應(yīng)當(dāng)盡可能小。當(dāng)定時器2溢出后，寄存器進(jìn)行重新裝載并啟動AD轉(zhuǎn)換，同時觸發(fā)中斷程序，更新測頭狀態(tài)標(biāo)志位p，當(dāng)測頭未接觸工件時p=0，當(dāng)與工件接觸時p=1，然后將AD值經(jīng)過計算后賦給AD9850，系統(tǒng)開始控制電機(jī)工作。同時，主程序不斷循環(huán)檢測測頭狀態(tài)標(biāo)志位p判斷測頭值是否處于合適的位置，開啟/停止AD9850模塊頻率信號輸出。

圖4 系統(tǒng)程序框圖Fig.4 The system block diagram

3.1 A/D轉(zhuǎn)換

設(shè)計中使用C8051F310片內(nèi)10位ADC進(jìn)行模擬量的轉(zhuǎn)換，由于其中涉及硬件連接，系統(tǒng)配置，轉(zhuǎn)換速率等各種因素因此這里需要單獨提出。

由于雙極性測頭模擬信號已經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路調(diào)理，并且頻率調(diào)整精度要求不高，因此片內(nèi)AD選擇工作方式為單端模式，使用左對齊方式取高八位，所測量的輸入范圍為0－VREF*255/256。當(dāng)工作在單端方式時，轉(zhuǎn)化碼為8位無符號整數(shù).AD轉(zhuǎn)換速率對系統(tǒng)跟隨運(yùn)動時的響應(yīng)速度有著很大的影響，因此AD轉(zhuǎn)換的合理配置是非常必要的。ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為 200 ksps。ADC0的轉(zhuǎn)換時鐘由系統(tǒng)時鐘分頻得到。有6種A/D轉(zhuǎn)換啟動方式。

為了不斷的更新頻率輸出模塊中的頻率控制字來對脈沖信號進(jìn)行調(diào)整，這里選用定時器2溢出的方式來啟動AD轉(zhuǎn)換，定時器2被配置使用16位自動重載方式工作，使用系統(tǒng)最高頻率，當(dāng)定時器溢出時，啟動AD轉(zhuǎn)換模塊并產(chǎn)生中斷對AD9850控制字進(jìn)行更新，從而實現(xiàn)模擬輸入對輸出頻率的實時調(diào)整。

ADC寄存器的初始化程序為：

3.2 AD9850串口驅(qū)動

40位數(shù)據(jù)/控制字通過AD9850的D7腳輸入，在WCLK脈沖信號的上升沿分40次裝入。驅(qū)動程序需調(diào)整時序，將單片機(jī)運(yùn)算數(shù)據(jù)通過對應(yīng)的I/O口向AD9850送相位、頻率控制字，使IOUT口輸出對應(yīng)的頻率信號?？刂谱指鲁绦蛉缦拢?/p>

4 結(jié) 論

文中介紹了一種使用C8051F310單片機(jī)[7－8]實現(xiàn)測頭跟蹤測量的方法，并給出了重要電路圖和調(diào)試驅(qū)動程序，最后筆者通過實際電路的測試表明，該電路設(shè)計方案可行，輸出頻率與測頭數(shù)值成線性比例關(guān)系，頻率更新速率基本滿足跟蹤控制需要。隨動控制系統(tǒng)在齒輪測量中心的實現(xiàn)對未知輪廓曲線的測量方面，具有重要的實用價值。

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