【正文】 col which is high efficiency of data transfer and high performance of fault tolerant to connect with personal puter through the bus of RS485. Also we develop the software of PC to manager the instrument and collect realtime measuring data with work and realize the user interface. The date of measure and configuration is stored in the ACCESS database convenient for managing, analyzing, displaying and printing the data. Key words: ADμc812。 1 摘要 在檢測 機(jī)械零件外形尺寸的細(xì)微偏差時，傳統(tǒng)方法有著測量功能單一、測量誤差較大、無法對測量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計算機(jī)處理和智能化等缺陷。 本設(shè)計 首先選定了自感式差動傳感器并為其設(shè)計了信號采集處理的電路，再確定以高性能單片機(jī) ADμC812 為核心，以 使電路設(shè)計 得到簡化、提高 穩(wěn)定性 ， 然后圍繞該單片 機(jī)設(shè)計了 可隨總線速度無限擦寫的存取器 FM24C25 容錯性能好的 RS485 串行 通訊接口、 鍵盤和 12232F 點(diǎn)陣式液晶顯示器等一系列模塊，接著 采用 FPGA 器件實現(xiàn) LED 三色光柱顯示驅(qū)動，最后對量儀系統(tǒng)軟件 進(jìn)行了設(shè)計。 FPGA。 主要用 于機(jī)械 制造、 加工及各種檢測 中 。專家們逐漸認(rèn)識到，制造技術(shù)與檢 測技術(shù)結(jié)下了不解之緣。 國內(nèi)外各制造商對產(chǎn)品的質(zhì)量都極為重視，而主要保證產(chǎn)品質(zhì)量的手段之一，是先進(jìn)的檢測技術(shù)。 6 近年來，浮標(biāo)氣動量儀“一統(tǒng)天下”的局面在美國發(fā)生了根本的變化，取而代之的是電子柱量儀。利用此類顯示裝置制造的量儀，定名為電子柱量儀。這個缺點(diǎn)就使電感測微儀的應(yīng)用受到了限制。測量時，電感傳感器給出電信號，由等離子器件發(fā)出醒目的橘紅色亮光，形成一束彩色的光柱，達(dá)到直列式顯示的目的，給電感式量儀帶來了生機(jī)。指針式顯示表頭對被指示參數(shù)的變化趨勢一目了然，但是它抗 7 震能力差，機(jī)械慣性大，對參數(shù)的較快變化無力反應(yīng)；數(shù)字顯示式表頭雖具有較好的可靠性，但它卻不能顯示參數(shù)的變化趨勢，特別是在工業(yè)現(xiàn)場多參數(shù)多表頭顯示時，更難辨明哪些參數(shù)在增加，哪些參數(shù)在減小。 LED 光柱可以獨(dú)立地用于指示信號幅度，也可以配合數(shù)字顯示表頭以增強(qiáng)動態(tài)效果，與指針擺動的動態(tài)效果相比，此外， LED 光柱顯示還具有不存在機(jī)械慣性、使用壽命比較長、在暗處也無需照明、顯示精度比模擬指針顯示精度高等優(yōu)點(diǎn)。 該儀器 以常用而且測量精度很高的電感傳感器為基礎(chǔ) ， 將位移信號轉(zhuǎn)換為電信號， 對 該電 信號進(jìn)行調(diào)理， 再 用單片機(jī)對信號進(jìn)行處理并通過 FPGA 驅(qū)動 LED 三色光柱 顯示 測量結(jié)果 。 3. 通過鍵盤輸入與 LCD 液晶顯示器可實現(xiàn)儀器的人機(jī)對話功能。 2. 電子柱量儀 系統(tǒng) 軟件的設(shè)計 。 關(guān)于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器、換能器等，它們的內(nèi)涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都是用傳感器這一名稱了。 傳感元件 ：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。 事實上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。盡管如此，因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。它的缺點(diǎn)是頻率響應(yīng)低，不宜用于快速測量。氣隙型傳感器靈敏度高， 11 對后續(xù)測量電路的放大倍數(shù)要求低，它的缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運(yùn)動方向上受鐵芯的限制， 故自由行程小。 互感式傳感器本身是其互感系數(shù)可變的變壓器， 當(dāng)?shù)谝淮尉€圈介入激勵電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，互感系數(shù)變化時，輸出電壓將作相應(yīng)變化。氣隙型互感式傳感器與氣隙型自感式傳感器一樣 ，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是示值范圍小、非線性嚴(yán)重。 本設(shè)計中 傳感器 的工作 原理 綜合考慮儀器需要，本課題測量傳感器采用自感式螺管型差動傳感器。采用差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度之外，對電源電壓、頻率波動以及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而可以提高測量精度。 電子柱量儀的測量原理就是利用位移量的變化與電感量的變化成正比來實現(xiàn)的。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)的功能單元；二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備。 4． 注意選擇通用性強(qiáng)、市場貨源充足的元器件。 8． 在電路設(shè)計時，充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。當(dāng)測頭帶動磁芯移動時，線圈的電感量產(chǎn)生變化，從而交流阻抗相應(yīng)變化。 16 圖 31 電子柱量儀硬件框架系統(tǒng) 硬件各模塊的設(shè)計 傳感器信號調(diào)理模塊 自感式傳感器電感量變換為電壓信號的變換原理，如圖 32 所示。 17 圖 32 傳感器信號調(diào)理模塊 差動交流放大器 本課題采用的放大器由 3 個運(yùn)算放大 器 組成 數(shù)據(jù)放大器 ， 其原理圖 如圖33 所示。 因此，該數(shù)據(jù)放大器是一種高輸入電阻、高共模抑制比、高增益的直接耦合放大器，具有差動輸入、單端輸出的特點(diǎn)，非常適合用于放大傳感器輸出的信號 [9]。從而實現(xiàn)了對輸入信號的整流過程，最后由濾波器將整流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。從 波形圖 中可以看出：相敏整流電路輸出 UI 的極性是對應(yīng)于 U0的相位的，從而實現(xiàn)了銜鐵移動方向的判別 [10]。 綜合性價比考慮，本設(shè)計最終選擇的方案是： 采用內(nèi)置 12 位 ADC 及DAC 及高精度電壓基準(zhǔn)的單片機(jī)。 ADμC812 中集成 8 通道 12 位單電源 ADC，是基于電容 DAC 的常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器原理組成的。在本課題中采用 3V 外部基準(zhǔn)參考源，此時 12 位 A/D 采樣值的 1LSB 的變化代表的輸入電壓的變換量為 3V/4096=732μV，可以發(fā)現(xiàn)，整個電路的設(shè)計特別模擬輸入電路是要充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，否則很難達(dá)到系統(tǒng)的精度要求。 由于 A/D 轉(zhuǎn)換器存在直流漏電流，如果電路信號源阻抗太大，就會產(chǎn)生明顯誤差，由數(shù)據(jù)手冊可知 ADμC812 模擬輸入最大有 10μA 的漏電流，即10IA??? ，源阻抗為 61Ω， 為基準(zhǔn)源時，誤差電壓有： 1 0 6 1 6 1 0U I R A V? ? ? ?? ? ? ? ? ? 2 .51 6 1 04096LS B V V??? 1U LSB? ? 可知該誤差剛好對應(yīng) A/D 的 1LSB 誤差，輸入運(yùn)算放大器的接入有利于降低輸入信號的輸入阻抗，從而降低測量誤差。當(dāng)來自先前通道的 2pF 電荷被投放到它的時候， 電容器上的電壓變化不到 12 位分辨率的最低有效位 (1LSB，即 FS/4096)。 ADμC812的 MCU 內(nèi)核和模數(shù)轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑以及掉電工作模式，它提供了適合于低功率應(yīng)用的靈活的電源管理方案。 3. 與 8051 兼容的內(nèi)核：額定工作頻率 12MHz(最大 16MHz)； 3 個 16 位定時器 /計時器； 32 條可編程的 I/O 線；端口 3 高電流驅(qū)動能力； 9 個中斷源， 2 個優(yōu)先級。 ADμC812 的功能方框如圖 39 所示。 26 圖 311 ADμC812 引腳圖 XTAL1 、 XTAL2 引腳接晶振以為單片機(jī)提供時鐘。 用戶通過鍵盤完成儀器進(jìn)行的 功能設(shè)置，并通過顯示器 反饋儀器當(dāng)前 狀態(tài)和 顯示 被測 工件的測量值 。 目前數(shù)據(jù)傳送有串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)傳送兩種方式。 圖 312 LCD 的串行接口讀寫時序圖 LCD 顯示 電路如圖 313 所示 。這是機(jī)械式開關(guān)的一個共同性的問題，抖動時間長短與其機(jī)械特性有關(guān)。 圖 314 鍵盤 輸入 電路 圖中 可實現(xiàn)的最大按鍵數(shù)量為 6 個 。 閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲器陣列包括 640 字節(jié)，被配置為 160(00H9FH)頁，每頁 4 個字節(jié) 。本設(shè)計采用串行傳送方式來簡化硬件電路設(shè)計。每種功能器件最多可接 8 片，每個器件可通過地 址編碼加以識別。 3. 在時鐘 SCL 為高電平時，數(shù)據(jù)線 SDA 從高變到低電平時，為數(shù)據(jù)傳輸起始條件 (START)；在時鐘 SCL 為高電平時，數(shù)據(jù)線 SDA 從低變到高電平時，為數(shù)據(jù)傳輸停止條件 (STOP)?？偟膩碚f， FM24C256 的存儲指令和 AT24C256 兼容，只是在讀寫指令和應(yīng)答是不需要延時，提高了擦寫速率。 在對該器件操作前，必須進(jìn)行尋址。 其 操作格式如圖 316 所示 ： 31 圖 316 FM24C256 讀寫模式 存儲器 電路如圖 317 所示 。 由于 I2C 總線是 內(nèi)部集電極或漏極開路形式 ，在 電路中 加入 1kΩ 上拉電阻是必須的。綜合考慮 接口的可靠性、通訊速度與距離、通訊信道的抗干擾能力、帶負(fù)載能力等 因素 ，我們選用RS485 串行總線 作為 數(shù)據(jù)通訊 接口。接收器對這些電壓之間的壓差作出反應(yīng)。 而 且 RS485 總線 易于硬件實現(xiàn)，其硬件原理如圖 318 所示。 目前對 LED 光柱的驅(qū)動 方法較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。 目前， 采用現(xiàn)有的數(shù)字芯片 來 驅(qū)動 的 LED 光柱國內(nèi)也有 較多的 研究 [12]，如 采用 鍵盤顯示芯片 827 并行 I/O 擴(kuò)展芯片 8255 等 器件來 實現(xiàn)光柱的 顯示驅(qū)動， 采用這些器件，需要大量的外圍電路來實現(xiàn)整個驅(qū)動 電路 ，同時這些電路的 顯示 驅(qū)動程序 實現(xiàn)起來 也比較復(fù)雜 ，完成一次動態(tài)掃描顯示， 需要 占用大量 的 CPU 處理 時間 。 光柱顯示器的原理 光柱 顯示器 的結(jié)構(gòu) 原理如圖 319 所示 。 S0S9 控制 組內(nèi)每個 LED 的 亮與滅， 為 低電平有 效 。 圖 320 驅(qū)動光柱 模型管腳定義 35 圖中， 該器件的驅(qū)動方式為動態(tài)掃描方式， 與光柱顯示器的顯示模式一致。 CLK 輸入作為FPGA 的時鐘信號，實現(xiàn)對 LED 光柱掃描以及器件內(nèi)部的同步。 FPGA 存儲電路的設(shè)計 為實現(xiàn) FPGA 在斷電并重新啟動后能繼續(xù)之前的工作，本設(shè)計采用EP2LC20 作為閃存設(shè)計了其存儲模塊。 圖 322 LED 光柱 功率 驅(qū)動電路 上圖為驅(qū)動單個 LED 光柱條的功率驅(qū)動電路圖， G0， R0 分別為光柱綠燈和紅燈的共陽極， S0S9 為光柱的各段控制端。本系統(tǒng)采用方便、實用的串行下載進(jìn)行 編程。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。每一個定時器 /計數(shù)器包含 2 個 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝ 0， 1 和2)。 (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，但沒有輸出驅(qū)動器，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。為使其能夠穩(wěn)定工作，本設(shè)計采用 MC7805三端穩(wěn)壓芯片來為提供穩(wěn)定的 +5V 直流電。 39 圖 325 FPGA 電源電路 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)部程序存儲器 ，一種是通過標(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)位時檢測 PSEN 引腳狀態(tài)的， 在系統(tǒng)復(fù)位時 PSEN 引腳拉低是在線調(diào)試和下載功能實現(xiàn)的另一關(guān)鍵所在。 (2) 資源占用問題 ADμC812 具有 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，即：定時器 0、定時器 1 和定時器 2。 (3) 模擬輸入 與其他 ADC 芯片相比， ADμC812 的 ADC 模塊有一個缺點(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，則會影響 ADμC812 正常工 作 ，若長時間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。 41 第 4章 軟件系統(tǒng) 設(shè)計 軟件設(shè)計 原則 在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件 設(shè)計 同樣重要。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 性 ，設(shè)計人員很難在短時間內(nèi)就對整個系統(tǒng)理解無誤，軟件的設(shè)計與調(diào)試不可能一次完成，有些問題是在運(yùn)行 中逐步暴露出來，這就要求編制的軟 件容易理解和修改。當(dāng)出現(xiàn)問題時，可以根據(jù)問題的種類和現(xiàn)象來判斷是哪一部分出的問題，很容易找出故障所在和故障原因。 3. 可測試性。系統(tǒng)要進(jìn)行大量運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性問題對控制結(jié)果有直接影響 。 單片機(jī) 系統(tǒng) 軟件 的設(shè)計 單片機(jī)系統(tǒng)的軟件部分，是整個系統(tǒng)的核心，軟件設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及功能的實現(xiàn)。為了 實現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計，采用多個文件來組織整個軟件。 通過定時器定時 采樣顯示 的