王 華,石云波,王艷陽,焦佳偉,鄒 坤

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

基于DSP的加速度傳感器測試平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 華,石云波*,王艷陽,焦佳偉,鄒 坤

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

針對現(xiàn)有加速度傳感器靜動態(tài)標(biāo)定測試耗時多、效率低、成本高以及標(biāo)定校準(zhǔn)能力有限的問題,設(shè)計(jì)了加速度傳感器批量測試平臺。通過DSP對電機(jī)和自動鎖緊裝置的控制,以及傾角傳感器的數(shù)據(jù)采集和限位開關(guān)的檢測,對測試平臺裝置進(jìn)行控制操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有上位機(jī)軟件,能夠通過計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令,實(shí)現(xiàn)測試平臺的控制,達(dá)到了加速度傳感器的靜動態(tài)性能測試。

加速度傳感器;控制系統(tǒng);DSP;標(biāo)定測試

MEMS加速度傳感器具有體積小、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用在不同的領(lǐng)域[1]。針對現(xiàn)有的MEMS加速度傳感器靜動態(tài)標(biāo)定耗時多、效率低、成本高以及標(biāo)定校準(zhǔn)能力有限的問題,設(shè)計(jì)了加速度傳感器批量標(biāo)定測試平臺,以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了基于DSP的加速度傳感器測試平臺的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過DSP對電機(jī)和自動鎖緊裝置的控制,傾角傳感器的數(shù)據(jù)采集和限位開關(guān)的檢測,以及其他控制操作,實(shí)現(xiàn)加速度傳感器靜動態(tài)性能批量標(biāo)定測試,可以一次得到加速度傳感器的性能指標(biāo)的定量測試。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

批量測試平臺包含了靜態(tài)高精度翻轉(zhuǎn)裝置與動態(tài)振動標(biāo)定裝置,可以實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的靜動態(tài)特性標(biāo)定。靜態(tài)測試時,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳感器載體進(jìn)行翻滾試驗(yàn);動態(tài)測試時,傳感器載體由自動鎖緊機(jī)構(gòu)固定在振動臺面上進(jìn)行振動測試。測試平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

加速度傳感器的靜態(tài)標(biāo)定主要采用重力場翻滾試驗(yàn)[2],其機(jī)構(gòu)如圖2所示,該裝置由水平電機(jī)實(shí)現(xiàn)對傳感器載體的鎖緊,豎直電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器載體的升降,翻轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器載體的正反轉(zhuǎn),傾角傳感器提供翻轉(zhuǎn)角度反饋。

圖2 測試平臺翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

在動態(tài)性能測試時,傳感器需要與振動臺面緊密結(jié)合,當(dāng)翻滾試驗(yàn)完成后,控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動翻轉(zhuǎn)平臺向下移動,當(dāng)翻轉(zhuǎn)平臺與振動臺面接觸后,自動鎖緊裝置啟動,氣缸夾緊載體,使兩者緊密結(jié)合。

為了實(shí)現(xiàn)對各個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制,根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)使用TI的DSP作為控制系統(tǒng)的主控制器。該控制系統(tǒng)以DSP為核心處理器,充分利用了芯片的高速度、浮點(diǎn)計(jì)算等特性及豐富的外設(shè)資源,在片外存儲空間擴(kuò)展了雙端口 RAM 可以與不同的總線機(jī)制的上位機(jī)通訊,進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸,非常適用實(shí)時信號處理及運(yùn)動控制[3]。

測試平臺控制系統(tǒng)主要包括DSP控制器,水平電機(jī)的控制模塊、豎直電機(jī)的控制模塊、翻轉(zhuǎn)電機(jī)的控制模塊、傾角傳感器和光電限位開關(guān)模塊、自動鎖緊裝置以及上位機(jī),整體框圖如圖3所示。

圖3 測試平臺控制系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)的加速度傳感器測試平臺控制系統(tǒng)主要包括兩個部分:

(1)測試平臺靜態(tài)測試部分控制和反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該測試部分的控制系統(tǒng)主要是由DSP TMS320F28335和電機(jī)驅(qū)動器MD-2522以及MD-2778組成;反饋系統(tǒng)則主要是由高精度傾角傳感器QT210T和槽型光電開關(guān)LU674-5NA組成,其功能是驅(qū)動靜態(tài)測試部分進(jìn)行加速度傳感器的靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定測試。靜態(tài)標(biāo)定時,DSP分別控制步進(jìn)伺服電機(jī)驅(qū)動各運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力場翻滾試驗(yàn),在標(biāo)定過程中,在加速度傳感器載體上安裝的高精度傾角傳感器提供加速度傳感器載體的實(shí)時傾斜角度,實(shí)現(xiàn)載體360°的多位置精確定位,同時,在運(yùn)動部件的起始位置安裝槽型光電開關(guān),對測試裝置的水平驅(qū)動機(jī)構(gòu)和豎直驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行限位控制。

(2)測試裝置動態(tài)測試部分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加速度傳感器動態(tài)測試部分和靜態(tài)部分采用同一個DSP控制器,回轉(zhuǎn)夾緊氣缸MKB40-10Z為執(zhí)行機(jī)構(gòu),自動鎖緊裝置工作,通過DSP控制電磁換向閥,將DSP的開關(guān)量輸出模塊連接到電磁閥的線圈端。當(dāng)該模塊的相對應(yīng)點(diǎn)有電壓輸出時,電磁閥線圈得電,觸點(diǎn)吸合。無電壓輸出,線圈失電,觸點(diǎn)斷開,從而實(shí)現(xiàn)對加速度傳感器載體與振動臺臺面的鎖緊[4]。

圖4 電機(jī)控制原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP控制步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

測試平臺中需要控制的步進(jìn)伺服電機(jī)共6個,DSP輸出6路PWM方波信號進(jìn)行控制,選用PWM1、PWM2控制水平驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的兩個步進(jìn)電機(jī)SS1702A10A;用PWM2、PWM3控制豎直運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的兩個步進(jìn)電機(jī)SS2304A42A。PWM4、PWM5控制兩個翻滾試驗(yàn)中的步進(jìn)伺服電機(jī)。

由于TMS320F28335輸出的PWM波形的高電壓為3.3 V,而在本系統(tǒng)中,電機(jī)驅(qū)動器可接受5 V～24 V的電壓脈沖信號,為解決此問題,選擇芯片SN74ALVC164245,進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,可將3.3 V轉(zhuǎn)換成5 V電壓[5]。電機(jī)控制原理圖如圖4所示。

2.2 DSP與PC的通信電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用RS-485通信模式作為計(jì)算機(jī)與DSP的通信方式,該系統(tǒng)選用SP3485芯片進(jìn)行串行通信,該芯片采用了平衡差分接收的RS-485通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),其抗共模干擾能力強(qiáng),接收靈敏度高,傳輸距離遠(yuǎn)[6]。

DSP 處理器TMS320F28335與SP3485芯片進(jìn)行連接,構(gòu)成RS-485通信接口電路,如圖5所示。

圖5 RS-485通信接口電路

電路通過光耦TLP512-4對DSP 處理器TMS320F28335和RS-485總線電路進(jìn)行隔離,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

SP3485接收器和發(fā)送器的選擇由DSP的GPIO20引腳控制,通過軟件編程控制GPIO20腳電平,可控制SP3485處于發(fā)送或接收狀態(tài)。

2.3 光電限位開關(guān)電路設(shè)計(jì)

針對目前測試平臺開環(huán)控制的情況,考慮在水平和豎直部分均加入光電限位開關(guān),以實(shí)現(xiàn)測試臺水平和豎直運(yùn)動部件的閉環(huán)控制。選用了型號LU674-5NA的槽型關(guān)電開關(guān)傳感器。

圖6 光電限位開關(guān)工作電路

LU674-5NA槽型光電開關(guān)的電源電壓為DC 5 V～24 V的廣范圍,動作模式備有遮光時ON/入光時ON(可切換型),響應(yīng)頻率為2 kHz的高速響應(yīng),入光指示燈明顯,便于進(jìn)行動作確認(rèn)。根據(jù)光電開關(guān)內(nèi)部電路圖,設(shè)計(jì)工作電路如圖6所示。

分別在水平和豎直的起始位置各安裝一個上述光電限位開關(guān),將金屬擋片固定于運(yùn)動部件上隨之運(yùn)動,光電開關(guān)光路導(dǎo)通時DSP測得電壓為3.3 V,當(dāng)金屬擋片到達(dá)預(yù)定位置遮擋紅外光時,測得電壓為0,實(shí)現(xiàn)了高低電平的轉(zhuǎn)換。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

通過LM2576HVS-12產(chǎn)生的12 V為傾角傳感器和光電限位開關(guān)供電;通過LM2576HVS-5產(chǎn)生的+5 V為主控系統(tǒng)提供電源,其中SN74ALVC164245等芯片直接使用該電源。其他電路使用轉(zhuǎn)換后的電源,主要通過雙路輸出低壓降穩(wěn)壓器TPS767D301芯片將5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.9 V電壓。為了增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)中增加了濾波電容,對模擬地和數(shù)字地做了隔離處理。電源電路如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)電源電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制主程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì),按照控制系統(tǒng)的工作原理和功能要求,進(jìn)行程序的編寫,將各功能進(jìn)行模塊化處理,以方便修改、調(diào)試以及后續(xù)的升級。系統(tǒng)主程序主要包括對時鐘的配置、各功能模塊函數(shù)的初始化、串口中斷子程序以及定時器中斷子程序等。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

3.2 DSP串行通信程序設(shè)計(jì)

DSP的SCI模塊發(fā)送器和接收器可以通過查詢和中斷方式進(jìn)行控制。與查詢方式相比,中斷方式具有占用CPU的時間少、實(shí)時性高的特點(diǎn)[7]。因此本設(shè)計(jì)采用中斷方式,上位機(jī)和下位機(jī)采用應(yīng)答方式進(jìn)行通信,系統(tǒng)的串行通信協(xié)議具體規(guī)定如表1所示。

表1 通信協(xié)議格式

下發(fā)和上傳數(shù)據(jù)指令都包括幀頭、字節(jié)長度、有效指令/數(shù)據(jù)、和校驗(yàn)、幀尾5個部分組成,協(xié)議數(shù)據(jù)均采用16進(jìn)制通信。

(1)幀頭表示一幀數(shù)據(jù)的開始;

(2)字節(jié)長度表示一幀數(shù)據(jù)的整個字節(jié)長度;

(3)有效指令/數(shù)據(jù)有效指令表示上位機(jī)要讓下位機(jī)執(zhí)行的命令;有效數(shù)據(jù)表示下位機(jī)向上位機(jī)反饋的相關(guān)信息;

(4)和校驗(yàn)表示有效指令/數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)相加和,如果相加超出了FF那么就取和的低字節(jié);

(5)幀尾表示完整的一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。

本系統(tǒng)的通信波特率為 9 600 bit/s,每個字節(jié)包括8位數(shù)據(jù)位和l位停止位,無校驗(yàn)。接收數(shù)據(jù)采用中斷方式,發(fā)送數(shù)據(jù)采用直接寫外設(shè)方式。對SCI初始化,設(shè)置數(shù)據(jù)幀格式、波特率、中斷優(yōu)先級等。

采用中斷方式接收數(shù)據(jù),在接收中斷服務(wù)程序中,讀取SCI接收緩沖寄存器,放在自定義的接收緩沖區(qū)內(nèi)。一條指令信息幀包含多個字節(jié),需要識別完整的一幀數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)中通過判斷數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾,對數(shù)據(jù)長度校驗(yàn)來保證接收到完整的一幀數(shù)據(jù)。除了上述措施外,軟件中也啟用了定時器,進(jìn)行超時處理,若在一定的時間內(nèi),沒有完整的接收到一組數(shù)據(jù),就將此幀數(shù)據(jù)丟棄掉,清除相應(yīng)標(biāo)志以及緩沖區(qū),從新接收新的數(shù)據(jù)指令。

圖9 中斷接收數(shù)據(jù)流程圖

為了保證下發(fā)數(shù)據(jù)指令準(zhǔn)確有效執(zhí)行,在上述措施的基礎(chǔ)上,還進(jìn)行了和校驗(yàn),和校驗(yàn)程序放到主函數(shù)中的while(1)里面進(jìn)行處理。

4 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件使用 C++語言開發(fā),開發(fā)平臺為 Visual Studio 2010,此系統(tǒng)控制軟件實(shí)現(xiàn)對水平,豎直以及翻轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)、方向的控制,還需對自動鎖緊裝置進(jìn)行控制,使其實(shí)現(xiàn)鎖緊和松開,實(shí)現(xiàn)傾角傳感器的數(shù)據(jù)顯示和實(shí)時狀態(tài)顯示等功能[8]?？刂平缑嫒鐖D10所示。

圖10 控制界面

5 試驗(yàn)與結(jié)果

對測試平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖11所示,首先對加速度傳感器測試平臺各個功能模塊進(jìn)行試驗(yàn),通過上位機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)指令,主要對水平、豎直、翻轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行操作以及實(shí)現(xiàn)氣缸的鎖緊和松開。通過上位機(jī)軟件下發(fā)不同方位電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、停止、正反運(yùn)行以及氣缸的鎖緊和松開指令進(jìn)行測試,通過實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證,其運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖11 測試平臺實(shí)驗(yàn)圖

其次對標(biāo)定測試平臺進(jìn)行自動控制實(shí)驗(yàn),主要按照以下4步進(jìn)行試驗(yàn):

第1步 安裝傳感器到加載平臺,確定各部件回到初始位置;

第2步 上位機(jī)下發(fā)自動運(yùn)行指令,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動水平絲杠旋轉(zhuǎn),將傳感器載體夾緊;自動啟動豎直電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),帶動傳感器載體向上運(yùn)動到一定高度;

第3步 進(jìn)行翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),自動啟動翻轉(zhuǎn)電機(jī),進(jìn)行不同位置法的翻滾實(shí)驗(yàn),待翻轉(zhuǎn)電機(jī)穩(wěn)定后停止在指定位置,便可采集數(shù)據(jù)并存盤,完成后便可自動運(yùn)行到下一個位置,采集數(shù)據(jù)并存盤。

第4步 翻滾試驗(yàn)完成后,控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動翻轉(zhuǎn)平臺向下移動,當(dāng)翻轉(zhuǎn)平臺與振動臺面接觸后,自動鎖緊裝置啟動,使兩者緊密結(jié)合,然后讓水平和豎直回到初始位置,便可進(jìn)行振動實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠,能滿足加速度傳感器批量標(biāo)定測試方面的要求。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)介紹了一種DSP的加速度傳感器測試平臺控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可視化操控的上位機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)對測試平臺的平穩(wěn)、可靠控制,完成了加速度傳感器不同位置的自動運(yùn)轉(zhuǎn)以及自動鎖緊裝置的控制,達(dá)到了加速度傳感器的動靜態(tài)性能測試。

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Design of Test Platform Control System for Accelerometer Based on DSP*

WANGHua,SHIYunbo*,WANGYanyang,JIAOJiawei,ZOUKun

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at the problem that the static and dynamic calibration of the existing acceleration sensor is time-consuming,low efficiency,high cost and limited calibration capability,the mass test platform of the acceleration sensor is designed. Through the DSP control of the motor and the automatic locking device,as well as the Angle sensor data acquisition and detection limit switch,the control operation of the test platform device is carried out. A control instruction is sent to control system by PC software to realize the control of test platform,the test of acceleration sensor static and dynamic performance.

acceleration sensor;control system;DSP;calibration test

項(xiàng)目來源:國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA041109)

2016-04-18 修改日期:2016-05-12

TP274

A

1005-9490(2017)03-0662-06

C:7230;7320E

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.029