【正文】 案，對(duì)于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和修改也提供了很大的方便 。在軟件的設(shè)計(jì) 方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種方法，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)分成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (4) P1 口 值得注意的是，在 ADμC812 中端口 0、 2 和 3 是雙向端口，而端口 1 是只輸入端口 ,P1 口的電路包括了位鎖存器和輸入緩沖器，但沒(méi)有輸出驅(qū)動(dòng)器，因而 P1 口只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。每一個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器包含 2 個(gè) 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝ 0， 1 和2)。值得強(qiáng)調(diào)的是， PSEN 引腳與地之間連上 1kΩ 電阻并不一定就能保證 PSEN 為低電平。本系統(tǒng)采用方便、實(shí)用的串行下載進(jìn)行 編程。 ADμC812 電源電路如 圖 324 所示。當(dāng) P1 口用作模擬輸入時(shí)，它對(duì)應(yīng) 于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。所有 3 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器均可配置作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，此功能和普通單片機(jī)相同。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電 阻不能將 PSEN 引腳拉低。下載電路如圖 323 所示。在驅(qū)動(dòng)電路中采用 NPN 三極管 8050 驅(qū)動(dòng) LED 光柱的共陽(yáng)極， 8050 作為射極跟隨器，提供大電流驅(qū)動(dòng)，電阻 R1， R3 用于調(diào)節(jié)三極管發(fā)射極的電流從而控制 LED 光柱顯示顏色的亮度和混合顏色的純度。其電路原理如圖 321 所示。 CS為片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 輸出管腳為 R_Out[0..9]， G_Out[0..9]， Seg_Out[0..9]；輸入管腳為 CS，WR， CLK， Addr， Data[0..7]。 當(dāng) R 或 G 單 端加掃描信號(hào)時(shí)，只顯示紅色 LED 或綠色 LED，當(dāng)在 R 和 G 端同時(shí)加相同的掃描信號(hào)時(shí)，則 顯示紅色和綠色的混合色即黃色。 S 1S 2S 9S 8S 7S 6S 5S 4S 3S 0R 1G 1R 2G 2R 1 0G 1 0? ? 圖 319 三色 LED 光柱原理圖 發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)方式為共陽(yáng)極驅(qū)動(dòng) ，采用動(dòng)態(tài)掃描方式完成整個(gè)顯示，減小顯示電路功耗 。 采用 可編程邏輯器件 來(lái)實(shí)現(xiàn) LED 三色光柱 顯示 的 數(shù)字驅(qū)動(dòng)邏輯是比較好的解決方法 [13,14]，克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單、方便 。 采 用 專用芯片 (LM391 IC9504 、 CS0100 等 )實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng) ， 該類驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)輸入一般為模擬信號(hào)，因此 非常 適合應(yīng)用于模擬電路中 ，而不適合 應(yīng)用于 數(shù)字電路 。 33 圖 318 RS485 通訊接口 RS485 為雙向、半雙工通訊口，通過(guò)單片機(jī)的 口控制 485 口的 接 收與發(fā) 送數(shù)據(jù) 。平衡連線是無(wú)噪聲的，因?yàn)檫@兩根信號(hào)線都傳遞幾乎相同大小的反向電流，大多數(shù)噪聲電壓在這兩根導(dǎo)線上或多或少都同時(shí)出現(xiàn)，任何在一個(gè)導(dǎo)線上出現(xiàn)的噪聲電壓或從電纜外部 耦合 進(jìn)入導(dǎo)線的干擾都被在另一根導(dǎo)線上的噪聲電壓所抵消。 RS485 接口可以有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，利用高阻抗接收器，一個(gè) RS485 最多 可以連接 256 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 外部通訊模塊 本儀器要求能 實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī) 的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和管理 功能 ， 這就需要設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)的通訊接口。 圖 317 存儲(chǔ)器電路 在電路中， 將地址線直接接地，該器件的 I2C 總線 讀指令 地址為 0xA1，總線 寫指令地址為 0xA0。 尋址格式如 下 表所示： 器件類型地址 可編程地址 讀 /寫 響應(yīng)位 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 R=1/W=0 ACK 對(duì)于 RAM 及 E2PROM 是 器件類型 編碼為： 1010。集體封裝、功能管腳和 AT24C256 一樣，容易被接受和運(yùn)用。 30 4. 開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸 (START)后 ， 停止數(shù)據(jù)傳輸 (STOP)之前 ， SCL 高電平期間 ， SDA 上數(shù) 據(jù) 、 命令為有效 。 SDA 和 SCL 都是雙向 I/O 口線，當(dāng)總線空閑時(shí)兩線均是高電平 。 外擴(kuò) 的存儲(chǔ)芯片 為 FM24C256 串行存儲(chǔ)器 ， 存儲(chǔ)空間為 8KB， 用于保存用戶測(cè)量的數(shù)據(jù) 。 通過(guò) 對(duì) 6 個(gè) SFR 寄存器 操作來(lái)完成讀寫 640B 的存儲(chǔ)空間 數(shù)據(jù) ，這 6 個(gè) SFR 為 EADRL、 EDATA1 ECON。 29 存儲(chǔ) 模塊 存儲(chǔ)部分主要 用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)和保存當(dāng)前儀器的設(shè)置狀態(tài) ，對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大，需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 3. 串鍵保護(hù) ， 串鍵是指同時(shí) 有一個(gè)以上的鍵按下，串鍵會(huì)引起單片機(jī)的錯(cuò)誤響應(yīng) 。 圖 313 LCD 顯示電路 利用滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié) LCD 顯示屏的 對(duì)比 度。串行數(shù)據(jù)傳送特點(diǎn)是占用 I/O 口資源少，連線少，成本低，但速度慢，并行數(shù)據(jù)傳送與之相反。鍵盤輸入采用編碼鍵盤實(shí)現(xiàn) 。 RESET 端的按鍵可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位功能。 24 圖 39 ADμC812 的功能方框圖 ADμC812 的引腳排列如圖 310 所示。 4. 電源：兼容 3V 和 5V 兩種電壓工作；正常、空閑和掉電工作模式。器件包括在工業(yè)溫度范圍內(nèi)用的3V 和 5V 電壓工作兩種規(guī)格，它有 52 引腳、塑料四方形扁平封裝形式可供使用。 圖中肖特基二極管是為了限制輸入引腳電壓，由于對(duì) ADμC812 安全輸入 23 電壓范圍為 0VDD引腳電壓，特別是對(duì)負(fù)電源，極易損壞單片機(jī)。 RC 電路有利于濾除一些高頻率噪聲，看似是濾波器電路，但實(shí)際上其截止頻率遠(yuǎn)在 AD 采樣的奈奎斯特頻率之上，其主要功能是保證抑制 ADC 輸入在切換通道時(shí)的沖擊，由于在選擇新通道時(shí)，來(lái)自轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的 2pF 取樣電容器的駐留電荷會(huì)產(chǎn)生瞬間沖擊，在保持之前，信號(hào)源必須消除這種瞬時(shí)沖擊，可以通過(guò)在軟件中加入延時(shí)來(lái)穩(wěn)定信號(hào)，或者通過(guò)硬件 方法，即采用快速運(yùn)放來(lái)穩(wěn)定信號(hào)。 本儀器設(shè)計(jì)的模擬量輸入通道共有四路，它們的 電路結(jié)構(gòu)和功能完全一致，以一個(gè)通道為例說(shuō)明其電路構(gòu)成。其模擬輸入電壓范圍為 0VVREF，內(nèi)部提供高精度、低漂移并經(jīng)過(guò)工廠標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的 基準(zhǔn)電壓，同時(shí)也可由外部基準(zhǔn)經(jīng) VREF驅(qū)動(dòng)，可在 引腳電壓范圍內(nèi)。因?yàn)檫@樣能使系統(tǒng)連線大為減少，同時(shí)內(nèi)置的 12 位 ADC、 DAC 使系統(tǒng)精度大為提高，這便大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)和程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 20 低通濾波器 通過(guò)濾波電路，將相敏整流后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，以反映位移量的變化，而被濾除的高頻信號(hào)為干擾信號(hào)、器件元件的噪聲、以 及相敏整流信號(hào)的各種。其整流 波形如圖 35 所示： 圖 35 相敏 整流 波形圖 相敏整流 可用來(lái)檢測(cè)相位及幅值等。 相敏整流器 本課題采用的是方波相敏 整流 電路，如圖 34 所示 ： 19 圖 34 相敏整流電路 圖中 A1 為過(guò)零檢測(cè)器， A2 和三極管構(gòu)成了相敏整流器。 圖 33 放大電路原理圖 A A A3 按理想放大器分析 ，由圖可知， U3=U1， U4=U2，可求得 R2上的電流為： 221RUUI ?? (25) 進(jìn)一步可 求得： 18 112 215 URR UUU ???? (26) 212 216 URR UUU ????? (27) 定義 21 UUU ??? ，則有： 1265 2 RR UUUU ?????? (28) U5― U6為 后級(jí)的差分輸入電壓， 可求得輸出電壓為： 43210 )21( RRRRUU ???? (29) 在電路設(shè)計(jì)中一般令 R3=R4， 運(yùn)算放大器的增益公式簡(jiǎn)化 ： )21( 210 RRUU ??? (210) 由式 210 可見(jiàn)，調(diào)節(jié) R2 即可方便地調(diào)節(jié)電路增益。該信號(hào)調(diào)理模塊，通過(guò)測(cè) 量電橋?qū)㈦姼辛孔兓儞Q為電信號(hào)，最終輸出正比于電感量變化的直流電壓信號(hào) [8]。當(dāng)振蕩器供電的電橋失去平衡而輸出一個(gè)交流 電壓信號(hào)， 其幅值則正比與磁芯的位移。 9． 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。 5． 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)，留有適當(dāng)?shù)挠嗟兀詡鋵?lái)修改、 擴(kuò)展之需。為了使硬件電路設(shè)計(jì)趨向合理，借鑒別人的成功經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中著重考慮到如下幾個(gè)方面 [7]： 1． 盡可能選擇典型電 路。在整個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)中，傳感器的測(cè)量精度影響和決 定著整個(gè)儀器可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度，而傳感器輸出信號(hào)的后續(xù)信號(hào)處理電路對(duì)整個(gè)儀器的精度影響不大。 單個(gè)線圈的電感為： l rNL 220??? (21) 當(dāng)進(jìn)入線圈的鐵芯長(zhǎng)度為 cl ，則線圈的電感為： 22220 ])1([l rllrNL ccr ??? ??? (22) 當(dāng)鐵芯長(zhǎng)度增加 cl? 時(shí)，則電感量的變化為： 2220 )1(l lrNL crc ???? ??? (23) 式中 N — 單個(gè)線圈的匝數(shù)； 0? — 空氣的磁導(dǎo)率； r— 線圈半徑； l — 線圈長(zhǎng)度； 13 cr — 鐵芯半徑； cl — 鐵芯長(zhǎng)度； r? — 鐵芯磁導(dǎo)率； cl? — 鐵芯長(zhǎng)度變化量； 例如現(xiàn)有一單線圈 式 傳感器與一差動(dòng)式傳感器，其各種情況均相同，線圈匝數(shù) N =1000 ，線 圈半徑 r = ， 線圈 長(zhǎng)度 l =25mm ， 磁芯 半徑cr =，鐵芯長(zhǎng)度 cl =25mm， cl? =，這里的磁導(dǎo)率是指物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值，故空氣中的磁導(dǎo)率 0? 可取值為 1，查表可得，鐵芯磁導(dǎo)率 r? =。 自感式螺管型差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖 [6]如圖 22 所示。所以，近年來(lái)這種類型傳感器的使用逐漸減少。一般，這種傳感器的二次線圈有兩個(gè)，接線方式 又是差動(dòng)的，故常稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。截面型具有較好的線性，自幼行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。此外，利用電渦流原理的電渦流式傳感器， 利用壓磁原理的壓磁式傳感器，利用平面繞組互感原理的感應(yīng)同步器，亦屬此類。 電感傳感器 電感 式 傳感器的特點(diǎn) 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，其核心部分是可變自感或可變互感， 在將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或線圈互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成， 如壓電式加速傳感器，其中質(zhì)量塊石敏感元件，壓電片是轉(zhuǎn)換元件，因傳感元件的輸出量已是電量，故無(wú)須轉(zhuǎn)換電路。 如應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是傳感元件，它的作用是將彈性載體的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一 感二傳，即感受被測(cè)信息并傳送出去。 3. 電子柱量?jī)x和控制軟件之間通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)。 4. 能夠通過(guò)外部通訊口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備的通訊。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)目標(biāo)如下： 1. 通過(guò)自感式差動(dòng)傳感器可測(cè)量工件的形位誤差或尺寸誤差，并用 LED三色光柱對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。可以說(shuō)LED 光柱顯示器替代儀表指針，已成為儀表儀器行業(yè)的新趨勢(shì) [3,4]。 自上世紀(jì) 九十 年代以來(lái)， LED 作為一種新型光源有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 八十年 代中期，歐美一些國(guó)家先后推出了品種繁多的電子柱（氣動(dòng)或電感式）測(cè)微儀，顯示裝置常用 101 只發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱 LED 光柱）或 301 只 PDP光柱顯示，測(cè)量時(shí)由一大串 LED（或 PDP）發(fā)亮，形成一條彩色光柱，示值清晰醒目，稱之“溫度計(jì)”效應(yīng)。量?jī)x設(shè)計(jì)師們自然想到量?jī)x直列拼臺(tái)式的優(yōu)點(diǎn)。 電感式測(cè)量?jī)x雖具有高精度、高效率，能進(jìn)行和差演算、記憶、峰值測(cè)量及數(shù)顯等特點(diǎn)，但顯示方式傳統(tǒng)為指針和數(shù)顯，這種顯示方式在單參數(shù)測(cè)量中還比較適用，用于多參數(shù)綜合測(cè)量就極不方便。這一變化是出人意料的，因?yàn)槊绹?guó)是浮標(biāo)氣動(dòng)量?jī)x的發(fā)源地，為何變化如此之快呢？因?yàn)殡娮又績(jī)x克服了浮標(biāo)氣動(dòng)量?jī)x的許多缺點(diǎn)，如測(cè)量頭初始間隙小，線性不好，浮標(biāo)容易粘在玻璃管上等等。一般認(rèn)為檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械量具算是第一代；氣電量?jī)x可做第二代的典型；電子柱量?jī)x和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)等就列入第三代技術(shù)了。新檢測(cè)技術(shù)不斷揭示了傳統(tǒng)制造技術(shù)的不足之處，促使工藝師們進(jìn)一步改善和創(chuàng)新；新制造技術(shù)有反過(guò)來(lái)對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，二者相輔相成，互相促進(jìn)。在精密機(jī)械制造業(yè)、汽車拖拉機(jī)業(yè)、紡織業(yè)以及國(guó)防和科研等方面的精密測(cè)量中有著廣泛地應(yīng) 用 。 RS485 Serial munication protocol 3 目 錄 摘要 ............................................................................................................................. 1 ABSTRACT ....................