宿文玲， 于海宏

（1.黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院，哈爾濱 150025;2.哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

在當(dāng)今的檢測(cè)測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，數(shù)控系統(tǒng)已完全普及，市場(chǎng)上幾乎所有的主流測(cè)量?jī)x器都具有一套能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量功能的數(shù)控系統(tǒng)，而且由于測(cè)量?jī)x器功能要求特殊、產(chǎn)品批量小的特點(diǎn)，所以這些測(cè)控系統(tǒng)都是由各個(gè)生產(chǎn)廠家根據(jù)所產(chǎn)儀器的具體功能獨(dú)立開發(fā)，這種自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可以最大限度地滿足儀器的功能需求，具有很高的靈活性。但與此同時(shí)，也就要求生產(chǎn)廠家要具備很好的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)能力，這樣才能保證配套數(shù)控系統(tǒng)的儀器具有可靠的穩(wěn)定性，由此可見，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配置一套輔助專用檢具就變得十分重要，本文就介紹了一種數(shù)控電箱專用檢具的設(shè)計(jì)過程。

1 總體方案設(shè)計(jì)

考慮到專用檢具的使用條件及功能需求，在制定總體研發(fā)方案任務(wù)書時(shí)，規(guī)定該套專用檢具應(yīng)具備如下特定功能：1）檢具應(yīng)便于操作，有交互操作界面。2）檢具的檢測(cè)功能應(yīng)全面，尤其是例如光柵信號(hào)、伺服電動(dòng)機(jī)控制反饋信號(hào)、操作舵模擬信號(hào)以及各種I/O信號(hào)都要能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。3）檢具所有的電源與接口應(yīng)與數(shù)控電箱內(nèi)被檢測(cè)板卡一致，以便于簡(jiǎn)化檢測(cè)過程的操作。4）在滿足基本功能的前提下，檢具主體電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，具有一定靈活性。因此核心信號(hào)處理電路將采用FPGA可編程門電路芯片完成，這使得檢具主板的主要數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算功能將通過軟件編程的形式實(shí)現(xiàn)，使板卡擺脫了硬件的限制，具備很高的靈活性。5）板卡設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮可調(diào)試性和抗干擾能力。

2 檢具的具體設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案所要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，參照板卡設(shè)計(jì)的常規(guī)設(shè)計(jì)流程，從如下幾個(gè)方面開始檢具的具體設(shè)計(jì)。

2.1 檢具主板原理圖設(shè)計(jì)

檢具主板是整套檢具的主體，檢具各種檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，以及與操作者間的交互界面都由檢具主板完成,因此我們將檢具主板分為檢測(cè)功能模塊、接口模塊、電源模塊和操作交互界面四大模塊進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，這樣做可使設(shè)計(jì)思路更加清晰，同時(shí)分模塊設(shè)計(jì)也大大降低了設(shè)計(jì)難度。

2.2 檢具主板FPGA芯片選型及相關(guān)設(shè)計(jì)

檢具主板所要具備的檢測(cè)功能較多,若每個(gè)檢測(cè)功能都設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路,不僅工作量較大,檢具的功能也將受到限制,因此綜合考慮后決定選用FPGA芯片作為核心處理芯片，所有檢測(cè)功能都通過FPGA芯片內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)以往設(shè)計(jì)案例的經(jīng)驗(yàn),我們選用了應(yīng)用比較多的Altera公司出品的CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C20Q,這款FPGA芯片內(nèi)部集成有程序存貯模塊,這樣在滿足設(shè)計(jì)功能的同時(shí)，節(jié)省了一片外置EEPROM芯片，減少了布線空間和PCB板布線工作量。通過Quartus軟件給FPGA芯片分配管腳定義時(shí),要充分考慮到后期PCB板布線的合理性，將相同功能的管腳定義到芯片同側(cè)。

FPGA芯片按設(shè)計(jì)分配完管腳功能后,檢具主板設(shè)計(jì)功能主要是靠芯片內(nèi)部的程序?qū)崿F(xiàn),因此程序設(shè)計(jì)也是整套檢具研發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn),對(duì)比常用的程序設(shè)計(jì)方法,顯然采用編程語言設(shè)計(jì)結(jié)合圖形設(shè)計(jì)的混合設(shè)計(jì)方法更具優(yōu)勢(shì),我們將每個(gè)檢測(cè)功能用Verilog HDL編程語言實(shí)現(xiàn)后,封裝成特定的圖形功能模塊,再結(jié)合Quartus軟件自帶的通用圖形功能模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用這種混合設(shè)計(jì)方法,整套FPGA程序呈圖像化的表現(xiàn)形式（見圖1）,這樣大大增強(qiáng)了程序的可讀性、可移植性，也降低了開發(fā)難度。

圖1 FPGA程序框圖

2.3 檢具主板電源模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)檢具電源模塊時(shí)考慮到數(shù)控電箱的工作環(huán)境，因此我們?yōu)闄z具主板選擇與數(shù)控電箱相同的工作電源：+5 V、+12 V和-12 V，這樣在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)數(shù)控電箱與檢具可共用電源，減少電源種類，設(shè)計(jì)中每路電源在輸入后都要經(jīng)過濾波電容和電感電容的濾波處理，避免電源對(duì)檢具的干擾。每路電源都串聯(lián)了可復(fù)位保險(xiǎn)絲，可保證若被檢測(cè)數(shù)控電箱電源電路存在故障時(shí)檢具不會(huì)被燒毀。檢具主板除基本工作電壓外，我們還利用電源轉(zhuǎn)換芯片將+5 V電源轉(zhuǎn)換為+3.3 V低壓電源，用于保證FPGA芯片和液晶屏ARM控制芯片對(duì)于低壓電源的需求。

2.4 輔助功能板卡的設(shè)計(jì)

數(shù)控電箱在檢測(cè)過程中，我們應(yīng)盡量模擬實(shí)際的使用情況，針對(duì)數(shù)控電箱的各種功能及工作特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，因此在數(shù)控電箱內(nèi)部被檢測(cè)板安裝到檢具主板上后，為了模擬儀器工作狀態(tài)時(shí)的各種信號(hào)，我們還需設(shè)計(jì)多個(gè)輔助電路板實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。

1）I/O接口檢驗(yàn)及操作舵調(diào)整板。本板卡模擬了儀器的操作面板，與儀器的實(shí)際使用情況相同，板卡通過一根DB37芯插頭與安裝在檢具主板上的數(shù)控電箱的面板接口相連，在此輔助板卡上布置了4個(gè)按鍵、4個(gè)LED指示燈和4個(gè)旋轉(zhuǎn)電位器，分別模擬操作面板上的功能按鍵、按鍵指示燈和儀器模擬操作舵的4個(gè)方向，通過輔助板卡與檢具主板相應(yīng)按鍵和LED指示燈的操作，可判斷數(shù)控電箱與操作面板相關(guān)的輸入輸出信號(hào)是否工作正常。另外，因?yàn)閮x器使用的是模擬操作舵，所以需要在數(shù)控電箱相關(guān)電路調(diào)整操作舵模擬量的放大比，檢測(cè)時(shí)通過檢具主板的液晶屏，將檢測(cè)程序調(diào)整到“操作舵檢測(cè)”項(xiàng)目，通過輔助板卡上的旋轉(zhuǎn)電位器模擬操作舵在極限位置所發(fā)出的模擬量，調(diào)整數(shù)控電箱內(nèi)部的放大比電位器完成操作舵的調(diào)整。

2）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)接口檢測(cè)板。數(shù)控電箱上面板有4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口，用于給儀器4個(gè)坐標(biāo)軸的伺服電動(dòng)機(jī)提供控制電壓、接收驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信號(hào)，同時(shí)給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出“使能”、“嵌位”、“報(bào)警清除”等信號(hào)，因此在本檢驗(yàn)板上，我們?cè)O(shè)置了多個(gè)按鍵及LED指示燈，通過與檢具主板的配合操作檢測(cè)數(shù)控電箱與驅(qū)動(dòng)器間各個(gè)I/O信號(hào)是否工作正常。同時(shí)還設(shè)置了數(shù)碼顯示管，當(dāng)我們通過檢具主板液晶屏將檢測(cè)程序調(diào)整到“模擬量輸出檢測(cè)”后，檢測(cè)主板發(fā)出±10 V區(qū)間的變化電壓，若本輔助檢測(cè)板上的數(shù)碼管能顯示相應(yīng)的電壓值，則證明數(shù)控電箱伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制電壓接口工作正常。

3）光柵信號(hào)接口檢測(cè)板。對(duì)應(yīng)每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的電動(dòng)機(jī)接口，數(shù)控電箱還有4路光柵接口，用于接收儀器各軸光柵編碼器信號(hào)，與其它輔助檢測(cè)板卡相同，將板卡與固定在檢具主板的數(shù)控電箱連接后，將檢具主板的工作程序通過TFT液晶顯示調(diào)整到“光柵檢測(cè)”功能，通過在輔助檢測(cè)板上設(shè)置的按鍵模擬光柵報(bào)警和光柵零位信號(hào)，同時(shí)通過特定程序使輔助檢測(cè)板上設(shè)置的單片機(jī)發(fā)出差分?jǐn)?shù)字信號(hào)模擬光柵信號(hào)，若檢具主板液晶屏上能正常顯示光柵計(jì)數(shù)，證明數(shù)控電箱光柵接口電路正常。

完成綜合檢具主板及各個(gè)輔助功能板的原理圖設(shè)計(jì)后，按常規(guī)設(shè)計(jì)流程開始相應(yīng)PCB板卡的設(shè)計(jì)，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在PCB板卡的設(shè)計(jì)過程中我們將各元器件按信號(hào)功能就近布置，方便PCB板信號(hào)線的布置；電源線與地線進(jìn)行了加粗處理，同時(shí)各種信號(hào)接口封裝樣式都與數(shù)控電箱內(nèi)部被檢測(cè)板卡相同，提高檢具的易用性。

3 檢具的試制與測(cè)試

首套檢具PCB板制板完成后，按照裝配圖逐一焊接電氣元件，同時(shí)觀察元件封裝是否有不便于焊接操作的地方，以便在下次生成前進(jìn)行修改完善。所有檢具電路板完全焊接后，先對(duì)電源檢測(cè)確認(rèn)無誤，按照總體設(shè)計(jì)方案的項(xiàng)目，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)功能進(jìn)行了逐一檢測(cè)，經(jīng)過多次反復(fù)的調(diào)試修改，檢具主板（見圖2）和輔助功能板都通過了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，且操作簡(jiǎn)單易學(xué)，信息提示清晰準(zhǔn)確。利用這套檢具檢測(cè)多套新裝配的數(shù)控電箱，實(shí)踐證明，經(jīng)過檢具檢測(cè)的數(shù)控電箱在裝配到儀器主機(jī)上后，首次通電合格率極大提高，即使有故障的數(shù)控電箱，在檢具的幫助下電工也能快速地找到故障點(diǎn)并加以解決。

圖2 檢具主板圖

4 結(jié)語

這套專用綜合檢具的研發(fā)成功，可使裝配電工在數(shù)控電箱檢修時(shí),不用再像以前那樣將電箱帶到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，連接儀器主機(jī)調(diào)試，而是利用這套檢具在電工生產(chǎn)工段快速、準(zhǔn)確地判斷數(shù)控電箱是否存在故障，并幫助電工診斷故障點(diǎn)。這套檢具極大地提高裝配電工的生產(chǎn)效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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