【正文】 只點(diǎn)亮，由此讀出發(fā)光二極管所對應(yīng)的刻度值。幾年前，在檢測領(lǐng)域一直保持著“三代同 堂”的局面。世界各國的量儀廠之間的競爭是很激烈的。但是 目前國內(nèi)的電子柱量儀存在數(shù)字化程度低、無超差報(bào)警、儀器功能擴(kuò)展性差等不足，不能實(shí)現(xiàn)快速測量，越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、制造及檢測要求。但是傳統(tǒng)方法的測量功能單一、測量誤差較大、并且無法對測量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理更談不上智能化。 Menu structure。然而這些參數(shù)對產(chǎn)品的使用性能有著重要的影響。為實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的高效、高精度的測量，針對目前的測量方式存在的這些問題，本課題結(jié)合傳感器、檢測、通訊和微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)，采用模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，研究開發(fā)了 三色電子柱量儀。 LED bargraph display。 電子柱量儀是一種 用長度尺寸的相對法精密測量的測量儀器 ， 特別對圓度、平行度、垂直度等微小變動(dòng)量的測量極為有用。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各制造商在不斷更新制造技術(shù)的同時(shí)，對生產(chǎn)檢測技術(shù)都給予了極大的重視 [2]。為了在競爭中取勝，就要不斷提高質(zhì)量，不斷改進(jìn)和推出下一代量儀。這就是生產(chǎn)線上仍在使用卡板、塞規(guī)之類的專用量具的同時(shí)，氣、電量儀幾乎用于全部孔徑和軸徑的最終檢驗(yàn)，而電子柱量儀等先進(jìn)檢測技術(shù)也紛紛登場。美國專刊書 3825827 中為“浮標(biāo)效果”。檢驗(yàn)員要逐個(gè)觀看指針是否在合格的范圍內(nèi)，既費(fèi)時(shí) 又疲勞。美國 Vernon 公司，西德 Feinpruf 公司和意大利 Marposs 公司等先后應(yīng)用了 PDP 顯示板，研制成電子柱電感式測微儀。 在現(xiàn)代工業(yè)測量控制領(lǐng)域中，各種儀器對參數(shù)的顯示方式中最常見的主要有兩種：指 針式和數(shù)字顯示式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場合應(yīng)采用不同的顯示方式。近年對 LED 光柱顯示 (又稱為 LED 條形顯示 )開發(fā)和應(yīng)用也開展了不少的研究， LED 光柱顯示是一種可以集指針顯示和數(shù)字顯示兩者優(yōu)點(diǎn)與一身的顯示技術(shù)。 課題研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)目的 本 設(shè)計(jì)的目的 是 開發(fā)一種 高精度 的三色電子柱量儀。 8 2. 通過設(shè)定不同的報(bào)警 /預(yù)警公差帶的上下限 ，并搭配不同的自感式差動(dòng)傳感器及其信號處理模塊可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的測量。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 該課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括 三 部分： 1. 電子柱量儀硬件電路的設(shè)計(jì) 。 此定義具有以下幾方面的含義： 部分，能完成部分監(jiān)測任務(wù)； ，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； ， 這種量要便于轉(zhuǎn)換、處理等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量； 有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。 如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性載體就是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換成彈性載體的形變。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進(jìn)行過程控制。 敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而基本轉(zhuǎn)換電路為了減小外界的影響也希望和 它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，基本轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。 電感式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對工作環(huán)境 要求不高、分辨力較高（如在測量長度時(shí)一般可達(dá)）、示值誤差一般為示值范圍的 %%、穩(wěn)定性好。 自感式電感傳感器有氣隙型、截面型和鑼管型。此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個(gè)測微儀組合來測量物體形狀的時(shí)候。也可以分為氣隙型、截面型和螺管型三種。 差動(dòng)式傳感器與單線圈式傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： ； 度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號大一倍； 、電源波動(dòng) 、外間干擾、電磁吸力對傳感器精度影響，能相互抵消而減少。使銜鐵上下位移，自感量將相應(yīng)變化，這就構(gòu)成螺管型傳感器。但實(shí)際上，由于磁場強(qiáng)度分布的 不均勻性，輸入量和輸出量之間的關(guān)系是 14 非線性的。 15 第 3章 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)原則 要實(shí)現(xiàn)一臺功能豐富、運(yùn)行穩(wěn)定、工作獨(dú)立的量儀，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。 3． 盡量選用功能強(qiáng)、集成度高的芯片，提高系統(tǒng)可靠性。 7． 整個(gè)系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配。當(dāng)磁芯處于兩線圈的中間 位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示 。電路中電源電壓的大小和穩(wěn)定性直接影響著傳感器的靈敏度和精度。由 A3 組成的后級是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差動(dòng)放大器，其產(chǎn)生的輸出誤差失調(diào) 在 增益為 1 的情況下也是很小的。其原理為：三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，振蕩信號 Vosc 經(jīng)過比較器產(chǎn)生同相的方波信號 V2，當(dāng) V2 為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通， A2 同相輸入端接地， U0 加到 A2 的反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為 ― 1，輸出信號 UI=― U0， 在 V2為低電平時(shí)，三極管截止， U0 同時(shí)加到放大器的同相和反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為 +1，輸出信號 UI= U0。由分析可知，在傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)，差動(dòng)電橋輸出 U0 的方向是相反的，即相位差為 180176。 圖 36 低通濾波器 電路 數(shù)據(jù)采集 模塊 一個(gè)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制電路關(guān)鍵是微處理器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇，以硬件電路設(shè)計(jì)簡單、電路成本低、有益于軟件設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)的總體原則。使用的硬件平臺對后期的軟件和硬件設(shè)計(jì)決策有相當(dāng)大的影響，本課題選用 ADμC812 單片機(jī)。但這樣相應(yīng)的犧牲了系統(tǒng)的靈活性，外部的輸入信號必須為單極性正電源輸入，范圍在 0VREF之間， AD 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)才是有意義的，而基準(zhǔn)源電壓范圍為 ，可見輸入信號的范圍較小。 22 圖 38 模擬 輸入通道電路 由圖可知，該電路包括輸入級運(yùn)放、 RC 濾波、保護(hù)限壓三部分組成。由于 電容是 2pF 的4096 倍以上。 數(shù)據(jù) 處理 模塊 ADμC812 的單片機(jī)內(nèi)核是與 8051 兼容的、可編程 8 位 MCU。 2. 存儲(chǔ)器系統(tǒng)： 8KB 片內(nèi)閃速 /電擦除程序存儲(chǔ)器； 640B 片內(nèi)閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；片內(nèi)充電泵 (不需要外部提供擦除 /寫入電壓 VPP)； 16MB 外部數(shù)據(jù)地址空間； 64KB 外部程序空間。 ADμC812 可工作 在 –40℃ 85℃ 范圍，共 52 個(gè)管腳，采用 PQFP 封裝。ADμC812 外圍配置電路及管腳資源使用分配如圖 311 所示。 人 機(jī)對話 模塊 人機(jī)對話模塊是儀器鍵盤和顯示硬件 的 實(shí)現(xiàn)部分?？赏瓿蓤D形顯示 ,也可以顯示 2 個(gè) (1616 點(diǎn)陣 )漢字 .與外部 CPU 27 接口采用并行或串行方式控制。 本設(shè)計(jì)采用串行方式實(shí)現(xiàn)控制， 其讀寫時(shí)序如 圖 312 所示。 2. 消抖動(dòng)，當(dāng)按鍵開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或者斷開到其穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短暫的抖動(dòng)和彈跳。 本課題設(shè)計(jì)的鍵盤 輸入 電路 如圖 314 所示 。 單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器 ADμC812 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的低 128 字節(jié)映象與 MCS51 相同，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高 128 字節(jié)映 象為特殊功能寄存器區(qū)，給 CPU 和所有片內(nèi)外圍結(jié)構(gòu)提供接口。 外部存儲(chǔ)器 與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸也具有并行傳送和串行傳送兩種方式。 I2C 總線是一種用于 IC 器件之間連接的二線制半雙工總線， 接口線 包括：串行數(shù)據(jù)線 SDA，串行時(shí)鐘線 SCL，利用兩根線實(shí)現(xiàn)總線上的器件之間的信息傳送，可連接多種功能器件。 2. 在數(shù)據(jù)傳輸期間，時(shí)鐘 SCL 為高電平；數(shù)據(jù)線 SDA 數(shù)據(jù)保持不變。 與 AT24C256 相比較 FM24C256 包含了 RAM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擁有 ROM 技術(shù)的非易失性特點(diǎn)。 要實(shí)現(xiàn)該器件的讀寫 必須按照該器件的讀寫規(guī)范進(jìn)行讀寫。 FM24C256 的 寫操作有兩種模式： Byte Write(單字節(jié) )、 Page Write(多字節(jié) )； 讀操作有三種模式： Current Address Read(單字節(jié) )、 Random Read(單字節(jié) )、 Sequential Read(多字節(jié) )。 此時(shí) 與 SPI 總線復(fù)用，為了 防止 器件 發(fā)生誤操作 ，通過 口 32 控制 WP 管腳，當(dāng) WP 為低電平時(shí)， 器件處于正常寫操作狀態(tài)，當(dāng) WP 為高電平是，器件的寫操作被禁止 ，防止器件被誤寫。 我們采用 標(biāo)準(zhǔn) 的工業(yè) 串行接口 進(jìn)行通訊 ，如 RS232C、 RS422A、 RS485 等。 RS485 總線采用平衡電 路， 每個(gè)信號都有專用的導(dǎo)線對，其中一根導(dǎo)線上的電壓等于另一根導(dǎo)線上的電壓取反，或者取補(bǔ)。 由于 RS485 總線以上的特點(diǎn) ，所以 RS485 總線 通訊距離遠(yuǎn) ，傳輸速率高，其性能優(yōu)于其它 RS232 或RS422 串口總線 。 光柱顯示 及其驅(qū)動(dòng)模塊 光柱顯示部分 是實(shí)現(xiàn)三色光柱顯示的 關(guān)鍵 ，本部分詳細(xì)介紹了 雙色 光柱驅(qū)動(dòng)電路 的實(shí)現(xiàn)。 在數(shù)字電路中采用專用驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)三色光柱顯示器的驅(qū)動(dòng)是 比較困難 的 。 這種 驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的外圍驅(qū)動(dòng)電路 、 顯示驅(qū)動(dòng)程序簡單、占用 CPU 處理時(shí)間少、驅(qū)動(dòng) 邏輯 修改 、 升級方便 。 R1R10 為紅色 LED 組 的 共陽極 掃描端， G1G10 為綠色 LED 組 的 共陽極 掃描端，兩者 都 是高電平有效。 由 FPGA 實(shí)現(xiàn)光柱顯示驅(qū)動(dòng)電路，其硬件驅(qū)動(dòng)模型如圖 320 所示。其顯示原理與動(dòng)態(tài)掃描多位 LEDLCD 類似。 Data 為 8位 數(shù)據(jù) /控制信號輸入端， Addr 為地址信號輸入線，用于區(qū)分 Data 輸入端輸入的是顯示數(shù)據(jù)還是控制信號。 FPGA 與光柱的 接口 電路 設(shè)計(jì) 36 由于 LED 顯示管的數(shù)量比較多，整個(gè)顯示電路功耗比較大，如果采用FPGA 直接驅(qū)動(dòng)， FPGA 將由于功耗過大而出現(xiàn)的工作不穩(wěn)定或燒毀的現(xiàn)象，因此 FPGA 與光柱顯示器的接口需要額外的功率驅(qū)動(dòng)電路，如圖 322 所示。 單片機(jī)下載調(diào)試模塊 ADμc812 的用戶程序可以用兩種方式寫入到單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，一 37 種是通過標(biāo)準(zhǔn)的 UART 串 行接口進(jìn)行串行下載寫入即在線編程模式；第二種方式和 E2PROM 的編程方式相同， 通過專門的編程器并行寫入，即并行編程。由于ADμC812 的調(diào)試器是在用戶系統(tǒng)復(fù)位時(shí)檢測 PSEN 引腳狀態(tài)的， 在系統(tǒng)復(fù)位時(shí) PSEN 引腳拉低是在線調(diào)試和下載功能實(shí)現(xiàn)的另一關(guān)鍵所在。 (2) 資源占用問題 ADμC812 具有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即：定時(shí)器 0、定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2。 38 (3) 模擬輸入 與其他 ADC 芯片相比， ADμC812 的 ADC 模塊有一個(gè)缺點(diǎn)，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～ VREF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～ +5V)，一旦輸入負(fù)的模擬電壓，則會(huì)影響 ADμC812 正常工 作 ，若長時(shí)間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。 電源模塊 ADμC812 電源電路 ADμC812 的輸入電壓為 +5V。其電路原理如圖 325 所示。 40 圖 326 ADμC812 下載電路 在對 ADμC812 進(jìn)行下載和調(diào)試時(shí) 發(fā)現(xiàn)的一些應(yīng)注意的問題及其解決辦法介紹如下 ： (1) PSEN 引腳 在具備 上述 RS232 接口電路之后，還需通過一個(gè)與地相連的 1kΩ 電阻將ADμC812 的 PSEN 引腳拉至低電平才能進(jìn)入在線調(diào)試和下載狀態(tài)。經(jīng)試驗(yàn)證明，在 PSEN 引腳損傷不嚴(yán)重時(shí)，可通過把 PSEN 直接對地短路將其拉至低電平；但若損 傷嚴(yán)重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。 當(dāng)單片機(jī)處于在線調(diào)試時(shí)，定時(shí)器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時(shí)器屏蔽才能正常運(yùn)行，在線下載功能不受此影響。若在實(shí)際使用中，不須將 8 個(gè)通道 ADC 都用上， 將 P1 口用 作數(shù)字輸入時(shí)，在檢測是否有輸入信號之前，須將 0 寫至對應(yīng)端口，然后再判斷。指軟件系統(tǒng) 代碼 容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。這樣不但使得設(shè)計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢錯(cuò)、調(diào)試時(shí)也很方便。即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。準(zhǔn)確性對整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。第二是 42 在環(huán)境惡劣干擾嚴(yán)重情況下，軟件必須保證也能可靠運(yùn)行。本課題 實(shí)現(xiàn)的儀器功能比較多 ，如果采用單個(gè)文件來實(shí)現(xiàn)軟件，將導(dǎo)致程序的可讀性變差，而且對軟件的 修改和功能的加減也不容易實(shí)現(xiàn)。 顯示數(shù)據(jù)部分的工作則是由定時(shí)器 2 來 定時(shí)采樣數(shù)據(jù) ， 再將測量數(shù)據(jù)送到 LED 光柱和 LCD 液晶顯示器 進(jìn)行顯示 的，采用這種方法 可以使顯示數(shù)據(jù)的刷新 速度保持一致， 如果將采集顯示代碼也放于主程序循環(huán)中，則在 與計(jì)算機(jī)通訊或讀寫存儲(chǔ)器 時(shí)， 程序的 執(zhí)行時(shí)間 比較長 ， 將 導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯示 刷新 速度變慢 ， 給用戶停頓或死機(jī)的感覺 。 整機(jī)軟件的流程圖 如圖 41 所示 。 ADμC812 的軟件既 可以采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，又可以采用 C51 語言實(shí)現(xiàn)。 5. 可靠性。系統(tǒng)軟件的可測試性具有兩方面的含義：其一是指比較容易地制定出測試準(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對軟件進(jìn)行測定；其二是軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無誤后才可投入實(shí)際運(yùn)行。同時(shí)，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方