机械装置性能综合测试硬件设计 毕业论文

机械装置综合测试下位机硬件设计摘要在本设计中，选用光电编码器、直线位移、压力、加速度传感器分别检测系统执行机构的曲柄转角位移、执行构件直线运动位移、刀具切削阻力、滑枕的振动加速度信号。而机械装置综合则是下位机硬件设计的主要目的是就是对各个传感器输出信号就行滤波、放大、阻抗匹配以满足单片机A/D转换的满量程要求，并将传感器输出的模拟信号转换为计算机能够识别和处理的数字信号（传感器输出的信号也有数字信号和模拟信号之分，比如加速度传感器输出的信号就是数字信号，该信号只需调理后就可直接输入到单片机I/O口，而其他的光电编码器、直线位移、压力传感器输出的信号为模拟信号，不仅需要信号的调理，也需要A/D转换，把经过调理电路调理后的模拟信号转换成数字信号，而后输入到单片机中进行处理），硬件设计中通讯电路的设计采用RS232通讯接口来实现上位机与下位机的通讯和数据的传输。在该设计中下位机硬件设计站有重要的地位，但是机械装置与单片机、上位机沟通交流的桥梁。硬件系统的设计是否合理有效对整个系统的正常工作有着决定性作用。关键词机械装置，单片机，硬件设计，传感器COMPREHENSIVETESTINGMECHANICALDEVICEHARDWAREDESIGNABSTRACTINTHISDESIGN,SELECTIONOFPHOTOELECTRICENCODER,LINEARDISPLACEMENT,STRESS,ACCELERATIONSENSORWEREUSEDTODETECTTHECRANKANGLEDISPLACEMENTEXECUTIONMECHANISM,SYSTEMIMPLEMENTATIONOFVIBRATIONACCELERATIONSIGNALCOMPONENTLINEARMOTIONDISPLACEMENT,CUTTINGRESISTANCE,RAMWHILETHEMECHANICALDEVICEISTHEMAINPURPOSEOFHARDWAREDESIGNISTOEACHSENSOROUTPUTSIGNALLINEFILTER,AMPLIFIER,IMPEDANCEMATCHINGTOMEETTHEFULLRANGEOFREQUIREMENTSOFA/DCONVERSION,ANDCONVERTSTHEANALOGSIGNALTODIGITALSIGNALOUTPUTOFTHESENSOROFTHECOMPUTERCANRECOGNIZEANDPROCESSSENSOROUTPUTSIGNALISDIGITALSIGNALANDANALOGSIGNALS,SUCHASSIGNALOUTPUTOFTHEACCELEROMETERISDIGITALSIGNAL,THESIGNALISONLYCONDITIONINGCANBEDIRECTLYINPUTTOTHEI/OPORTOFTHESCM,ANDTHESIGNALOFOTHERPHOTOELECTRICENCODER,LINEARDISPLACEMENT,THEPRESSURESENSOROUTPUTANALOGSIGNAL,NOTONLYNEEDTHESIGNALCONDITIONING,ALSONEEDTOA/DCONVERSION,THECONDITIONINGSIMULATIONSIGNALCONDITIONINGCIRCUITISCONVERTEDINTODIGITALSIGNAL,ANDTHENINPUTTOTHEMICROCONTROLLERFORPROCESSING,DESIGNOFCOMMUNICATIONCIRCUITHARDWAREDESIGNADOPTSRS232COMMUNICATIONINTERFACETOREALIZETHECOMMUNICATIONBETWEENHOSTANDCLIENTCOMMUNICATIONANDDATAINTHEDESIGNTHEHARDWAREDESIGNSTATIONHASANIMPORTANTPOSITION,THEBRIDGEBUTMECHANICALDEVICESANDMICROCONTROLLER,COMPUTERCOMMUNICATIONTHEDESIGNOFHARDWARESYSTEMISREASONABLEANDEFFECTIVEWORKOFTHEWHOLESYSTEMHASDECISIVEEFFECTKEYWORDSAMECHANICALDEVICE,SINGLECHIPMICROCOMPUTER,HARDWAREDESIGN,SENSOR目录前言1第一章总体方案的设计411测试系统设计的一般过程412测试系统硬件划分513测试系统硬件系统总体框图设计5第二章传感器的选择621光电编码器722直线位移传感器823压力传感器824振动加速度传感器9第三章硬件电路设计1131主控制电路及显示模块11311单片机简介11312单片机的时钟电路12312单片机的时钟电路12314PCF8591简介1331512864显示模块1432信号调理模块设计15321角位移信号调理16322位移、加速度信号调理17323压力信号调理1733通讯模块设计18331RS232通讯接口设计18332USB模块设计1934供电模块20第四章硬件系统的设计与调试2241ALTIUMDSINGERSUMMER09简介2342原理图的设计与调试2343PCB的设计与调试2444常见元器件封装简介25结论29参考文献31致谢32附录33前言测试技术属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱之一，测试技术是用来检测和处理各种信息的一门综合技术，在科学研究，工业生产，医疗卫生，文化教育等各个领域都起着相当重要的作用1。对被测量的测试需要一套专门的设备来完成。完成对被测量测试的专门设备成为测试系统。测试系统通过某种技术方法，从被测对象的运动状态中提取所需的信息。机械性能综合测试系统的研究开发，实现了机械系统运动学、动力学参数的实时监测，数据保存显示、离线分析等功能。在设计的过程中应保证系统运行可靠，能够满足教学和科研的需求。目前研究生及本科教学理论与实践脱节，导致学生自主动手、实践能力和创新研究能力不足，本课题是学生自主开发的实验设备设计一套集运动学、动力学参数测试分析一体的通用测试平台。为研究机械效率、机械速度波动、机械振动等性能提供客观真实的依据，同时为学生工程实践能力、动手能力及综合分析创新能力的提高提供一个设计制造与分析平台。这样既充实了教学实践内容，同时为机械运动学、动力学性能参数的进一步研究创造了条件。测试技术存在于机械制造过程的各个环节，贯穿机械制造整个产品生产的全部过程。离线测试、在线测试、极限测试等各种测试技术，在机械制造中实现质量评定、工艺改进、技术革新等方面，起到了关键性作用。在机械工程性能参数方面的测试研究大部分都缺乏综合性、通用性，因此针对机械性能综合参数设计一种通用测试系统将具有重大意义1。进入21世纪以来，科学技术的高速发展，新工艺、新材料、新的制造技术催生了新一代的电子元器件，同时也促使测试技术产生了新的发展趋势。自然科学研究的心成果不断丰富着测试技术的设计思想。新型测试问题的不断出现和最终解决都有赖于传感原理和传感器研究的创新综合目前国内外的研究状况，该领域大致有两个方面主要工作研究开发全新传感原理和传感器；深入研究和改进已有的传感原理和传感器，以获得更好的性能，前者如近年来获得广泛关注的基于MEMS工艺的集成多参数传感器、耐高温压力传感器、微惯性传感器、光纤传感器等；后者如电容、电感、电涡流、光栅尺、观测型扫描电镜、激光干涉仪等传统传感器的深入原理研究和性能改进措施。新型传感器的发明、各种先进的数字处理技术的应用、新材料和新工艺的使用，将测试系统的准确度、分辨率、灵敏度、线性度和测量效率提高了好几个数量级。例如工业参数测量仪器准确度普遍提高到002以上。测量和控制范围也大幅提高，如电压的测量范围从109V到106V，电阻的测量范围从超导到1011，频率测量范围最高达1010HZ，温度的测量范围则是从决定零度到1010等。AGILENT公司的PSA频谱分析仪的测量灵敏度高析仪的动态范围高达169DBM，PNA网络分析仪的动态范围高达143DB。随着微型计算机时钟频率的大幅提高，与硬件控制的实时性的差距越开越小9。微处理器在测试系统普遍采用，这不仅简化了硬件结构，缩小了体积及能耗、提高了可靠性、增加了灵活性，而且使仪器的智能化和自动化程度更高。微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的进展，为这一发展趋势提供了巨大推动力。多核处理技术成为仪器技术发展的助推剂。越来越多的仪器选用以通用软件和通用芯片为平台，采用通用商业软件和基于军用标准的软件，用通用软件代替仪器内部操作软件，易于与通用办公室应用软件连接，充分发挥其效能。涌现出将传感器、调理电路甚至微处理器集成在一起的智能传感器，各种集成调理芯片不断面市，新型显示记录装置的智能化和自动化程度也不断提高。许多原本要有多台仪器实现的功能，现在可以通过集成在一台仪器甚至一个芯片上的智能化仪器完成。现代测试系统通常都具备扩展接口，方便扩展和对外通信。新技术的应用，尤其是INTERNET和INTRANET技术、现场总线技术、图像处理技术、和技术以及自动化控制、智能控制的发展和应用，使得现代测试仪器不断朝着网络化发展。借助于网络技术的应用，可将不同地点的不同仪器、仪表联系在一起，实施网络化测量、数据传输与共享、故障的网上诊断以及技术的网络化培训等。以美国为首的用户和仪器厂商近年来提供了一种新的测试仪器理念和技术NXTEST，它是基于局域网（LAN）的模块化合成仪器（SYNTHETICINSTRUMENT）。本课题所研究的内容及其所需解决的问题如下本课题要求学生对机械测试系统的发展现状、传感器的发展现状、总线1技术的发展现状、及其软硬件开发设计系统的现状进行深入的了解和研究。能够对课题中所要求的要实现的功能并结合目前实验教学中在机械性能参数测试研究方面存在的问题，进行分析并提出合理的设计方案。提出基于通用性设计思想的测试方案。运用机构运动学理论，对实验设备执行机构进行运动学理论分析，计算出各构件的运动规律方程。仿真执行构件及导杆的运动规律曲线，为后续测试分析提供可靠的理论依据。对系统进行需求分析，确定测试参数内容并选择满足精度、测量范围的传2感器，及下位机控制器（单片机）；针对不同的传感器输出信号，设计相应的信号调理电路以满足单片机A/D转换的满量程要求。根据通用计算机支持的接口类型，选用标准的RS232串行总线技术实现上下位机之间数据传输。运用C语言完成下位机的电机驱动程序、各参数信号的AD转换及数据传输3通信协议程序设计，运用CBUILDER进行上位机数据接收、曲线动态显示、测试界面编制；联机调试完成各个参数的测试工作，实现各参数曲线的动态显示、测试数据显示、保存、打印。第一章总体方案的设计测试系统的硬件设计一般包括传感器、模拟信号调理电路、数字信号分析与处理电路、显示部分以及将处理信号传送给控制器或上位机系统的通信接口部分等。进行测试系统总体方案设计时，首先要了解测试系统设计的一般过程、测试内容、实现功能及精度可靠性等要求，这样才能设计出更为合适的系统方案。11测试系统设计的一般过程测试系统的开发过程通常分为以下五个阶段需求分析需求分析就是根据用户对测试系统的需求进行分析。设计任务的确定根据测试系统需要实现的功能，编制设计任务书，确定测试系统设计的具体任务。拟定总体设计方案把测试系统划分为便于实现的软硬件功能模块。测试系统中有些功能模块既可以用软件来实现，也可以用硬件来实现。软硬件划分时应根据系统开发周期、性价比等因素做出合理分配。硬件电路与软件系统的设计与调试硬件设计的一般流程是首先根据测试系统硬件框图按照模块分别进行电路设计，然后进行硬件电路合成，将各模块电路按硬件框图组合在一起，构成一个完整的硬件电路图。整个电路设计完成之后，就可进行电路板制作，最后进行装配与调试。整机联调当软硬件分别调试合格后，要把硬件、软件结合起来进行联机调试。调试过程中可能会遇到各种问题，若是硬件问题，就应修改硬件电路；若是软件问题，就应修改相应程序；若是系统问题，就应对硬件、软件同时修改，如此往复，直到合格为止。12测试系统硬件划分系统软硬件划分是系统设计的一个关键环节，软硬件划分的合理性，直接影响测试系统的研制周期、精度、可靠性、性能价格比。测试系统硬件的主要任务是对被测参数进行信号采集、转换处理后传送给计算机进行处理。具体包括主控制电路模块、数据通信模块、液晶显示模块、各测试参数对应的信号调理电路。为保证电路板的正常工作，还必须能为电路板提供匹配的工作电源，因此必须有电源模块。13测试系统硬件系统总体框图设计系统的测试参数包括执行机构主轴转角位移、执行构件直线位移、刀具切削阻力、电机输入功率、滑枕振动加速度五个参量。测试系统的总体框图组成如图11所示。光电编码器直线位移传感器压力传感器振动加速度传感器图11硬件系统整体框图该测试系统包括机械装置本体、数据采集模块、通信模块三大部分。机械装置就是指实验设备本身；数据采集模块主要由传感器、信号调理和主控制器组成；通讯模块主要包括下位机和计算机。数据采集模块数据采集模块主要功能是将传感器采集的各路信号经信号调理之后进入主控制器进行数据处理。其中信号调理电路主要完成测试信号的放大、滤波和阻抗匹配等工作，把从传感器获得的信号调理至主控制器所允许的范围之内，以满足A/D转换的满量程输入要求。控制模块控制模块主要功能是以计算机为测试系统核心，计算机控制整个测试系统机械装置信号调理电路主控制器计算机的正常工作。一方面计算机接收主控制器传送过来的数据，并存入计算机进行数据转换、动态曲线显示以及相关的数据分析和处理。通信模块通信模块主要功能是实现各数据命令的传输。计算机与主控制器间选用RS232通信接口，进行串行通信。第二章传感器的选择传感器构成测控系统的重要组成部分，大部分所测量的物理量都是由特定的传感器转换成电信号通过A/D卡采集到测控计算机中。传感器总是处于测试系统的最前端，用来获取检测信息，其性能、精度将直接影响整个测试系统的性能和精度15。在实际测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号，这就要求传感器输出不仅能够精确放映出被测量的大小（静态特性），还要准确的测量被测量随时间变化的规律，即要求传感器的动态特性要好。传感器按照输出信号的形式分为模拟传感器和数字传感器。模拟传感器将被测非电参量转换为电信号输出。数字传感器将被测模拟参量直接转换成数字量输出，不需要A/D转换，可直接输入控制器处理。传感器选型时，要充分考虑被测量和被测对象的特点，在了解被测对象和各种传感器特性的基础上，根据能否符合被测量精度、静态及动态性能要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件、传感器的体积以及整个测试系统性能要求等限制，合理选择传感器。为研究机械设备的机械效率、机械速度波动、机械振动等性能，系统对实验设备的执行机构主轴转角、执行构件直线运动位移、刨刀切削阻力、电机输入功率、滑枕振动加速度等参量进行测量。分别选用光电编码器、直线位移传感器、压力传感器、功率传感器、加速度传感器。其中，光电编码器为数字传感器，输出信号为数字信号；直线位移传感器、压力传感器、功率传感器、加速度传感器是模拟传感器，输出信号是模拟信号。21光电编码器光电编码器用于测量系统执行机构主轴的转角位移。本系统中选用长春东河光学仪器厂生产的增量式编码器，其每转输出脉冲个数为1000。图44为光电编码器的外观图。该增量式编码器由光源、码盘和光电元件组成，码盘图案和光脉冲信号均匀，可将任意位置为基准点，从该点开始按一定量化单位检测。光源通过码盘上的三个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z（零位脉冲）、A（增量脉冲）、B（辨向脉冲）三位脉冲信号。码盘上最外圈码道上的一条透光狭缝，作为码盘的基准位置，每当工作轴旋转一周产生一个零位脉冲信号，通常用于转轴机械原点定位。中间一圈码道为增量码道，最内一圈码道为辨向码道。这两圈码道等角距均匀分布着M个透光与M个不透光扇形区，且彼此错开半个扇形区，即90/M，增量编码器的分辨率取决于扇形区的多少，分辨率为360/M。同时，编码器具有辨别方向的功能，辨向脉冲和增量脉冲是相位差为90的正弦波，经放大、整形后变成方波。若增量脉冲超前于辨向脉冲，对应工作轴正转；若辨向脉冲超前于增量脉冲相，对应工作轴反转。22直线位移传感器选用CWYDW系列电阻式直线位移传感器测量执行构件直线位移。该类传感器广泛应用于控制测量系统，线性度高，结构设计可靠。传感器内部安装有电位器，电位器上的可变电阻滑轨连接在被测设备固定位置，通过滑片在滑轨上移动的位置来测量出不同的阻值。可变电阻滑轨两端连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和可变电阻滑轨始端之间的电压与滑片移动的长度成正比，从而传感器把直线机械位移量转换成电压信号输出。根据执行构件的最大行程量，选用型号为CWYDW450的直线位移传感器，最大行程为450MM。图45为其外观图。内部安装一只5K的可变电阻，传感器的信号端电压随导杆伸缩而变化。安装时，传感器可变电阻滑轨固定在牛头刨床机架上，传感器滑动导杆与刀架固定连接，随刀具的往复直线运动而伸缩。主要参数如下可测量范围为450MM标称阻值5K线性度误差为01电阻温度系数004/23压力传感器压力传感器用于测量刨刀的切削阻力，本系统采用一种定制的微型承载力传感器，其量程为5000N。该传感器内嵌在刀架上。当刀具切削工件时，刀具受到切削阻力的作用，传感器感应部位承受压力作用，引起内部电阻发生改变，输出电压信号。该压力传感器是一种电阻应变式传感器，其工作原理是电阻应变效应，即导体的电阻随着机械变形而发生变化。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆组成。电阻应变片贴在弹性元件上，当弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。当传感器弹性元件不受力时，电阻应变片不产生变形，由于没有阻值的变化，电桥维持初始平衡，输出电压为零；当传感器弹性元件受力时，电阻应变片承受应力，电阻发生变化，电桥处于不平衡状态，输出端电压不为零且输出电压正比于应变片受力产生的电阻变化量。该传感器间接测量刀具的切削阻力，通过力矩平衡原理最终转换为刨刀的切削阻力。24振动加速度传感器机床工作过程中，滑枕的振动是一般的机械振动，因此，选用美国ADI公司生产的ADXL320双轴加速度计进行振动测量，安装在牛头刨床执行构件滑枕上，随执行构件滑枕运动状态的变化而变化，输出相应变化的电压信号。ADXL320内部安装双轴加速度检测芯片，图47为其内部电路图。ADXL320传感器检测到信号后经放大器（ACAMP）放大，再由解调器（DEMOD）将交流电压还原为相应的直流电压，被放大后经过32K电阻，最后通过外接的电容设置频宽、滤波后输出电压信号。ADXL320的测量范围是5G5G，方向精度01。加速度计包含内置传感器和单独的调节电路，以完成检测信号的开环加速度测量。该传感器具有多晶硅面微机械结构且附于硅胶片上，传感器上的多晶硅弹片使其悬浮在胶片表面，并产生一个加速度反力。通过微分电容可测出悬浮结构的偏角，而该电容的非固定极板与动片相连，固定极板由方波驱动。工作过程中，加速度作用使连杆偏斜，微分电容不平衡，进而产生一个振幅与加速度成比例的方波信号输出，经解调器矫正并确定出加速度的方向。第三章硬件电路设计31主控制电路及显示模块此次设计是基于LY51S开发板的设计，主控制电路、AD转换芯片、EEPROM、和显示模块都是基于开发版来设计使用的。311单片机简介此次设计的单片机是使用开发版上的深圳宏晶科技生产的STC8954单片机。单片机的引脚信息及其I/O口的分配如下图所示P01234567RSTGND/EX89XIWALVCUB图31单片机引脚信息该单片机在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时器/计数器和多种I/O功能部件，具有一台微型计算机的基本结构，主要包括下列部件。1个8位的CPU、1个布尔处理机、1个片内震荡器、128字节的片内数据存储器、4K字节的片内程序存储器、寻址范围为64K字节的外部数据存储器和程序存储器、21字节的专用存储器、4个并行I/O口、1个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器、5个中断源、2个中断优先级和111条指令，片内采用单总线结构。单片机各引脚的功能介绍如下所示（1）VCC运行和程序校验时接电源正端。（2）P0口P0口是一个8位、漏极开路的双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。（3）P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。（4）P2口P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。（5）P3口P3口是一个8位带内部上拉电阻的准双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。（6）RST复位输入信号，高电平有效。（7）ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。（8）/PSEN片外程序存储器读选通信号，低电平有效。（9）/EA/VPP片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。（10）XTAL1输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。（11）XTAL2反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。312单片机的时钟电路系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。MCS51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22PF。振荡器的工作频率一般在12MHZ12MHZ之间，由于制造工艺的改进，有些单片微机的频率范围正向两端延伸，高端可达40MHZ，低端可达0HZ，一般用110592MHZ晶振。时钟电路图如图32所示7。312单片机的时钟电路12YXTAL0UFCAPGND图32单片机晶振电路复位电路是上电自动复位加按键复位。由于电容两端的电压不能突变，在上电的瞬间电容负端的电位和正端的电位相同都为高电平5V，紧接着电源给电容充电，经过很快的时间充电过程结束，电容对于直流电来说是断路，此时RST引脚通过R12接地。整个过程会在RST引脚上产生一个维持几个机器周期的高电平脉冲足以使单片机有效复位。手动按键复位同样是在按键按下的瞬间使电容完成先放电再充电的过程，也能产生一个维持几个机器周期的高电平脉冲使单片机有效复位。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期即2个机器周期以上。若使用频率为12MHZ的晶振，则复位信号应持续2S以上，复位电路如图10KR36UFC75APVSTGND图33单片机复位电路314PCF8591简介PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8BITCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行IC总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。引脚信息如下AIN0AIN3模拟信号输入。A0A2引脚地址端。VDD、VSS电源端（256V）。SDA、SCLI2C总线的数据线、时钟线。OSC外部时钟输入端，内部时钟输出端。EXT内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。AGDN模拟信号地。AOUTD/A转换输出端。VREF基准电源端。AIN01234567VS8D9CLOEXTGRFUPUAPMOTML图34PCF8591在本设计中A/D转换的四路输入信号分别是加速度信号位移信号和压力信号，信号传入后经A/D转换后通过SDA口输入到单片机的引脚P16后在进行信号的处理。31512864显示模块12864液晶显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字图形，内置国标GB2312码简体汉字字库、128个字符及64256点阵显示RAM。可与单片机直接接口，提供两种界面来连接微处理机8位并行串行两种连接方式。具有多种功能光标显示、画面位移、睡眠模式等。并且在该模块中还可以使用R35滑动年租器进行屏幕亮度的调节。K图35单片机显示模块316独立按键S6WPB785432GNDVC10图36独立按键32信号调理模块设计信号调理主要完成测试信号的放大、滤波和阻抗匹配等工作，把从传感器获得的信号调理至A/D转换所允许的范围之内。前端放大器用于放大和缓冲输入信号，由于传感器输出信号较弱，因此需要加以放大以满足大多数A/D转换器的满量程输入要求。机构主轴切削阻力执行机构滑枕震动光电编码器直线位移传感器压力传感器震动加速度传感器调理电路A/D转换单片机计算机321角位移信号调理OE19T/RA3B7246580VCGNDUHPLKQIEADRSUFPOL图37角位移信号调理电路上图为光电编码器输出的三组（A相、B相、Z相）TTL方波脉冲信号的调理电路图。滤波后的四路信号经74HC14六反相器（施密特触发器）波形规整后，A、Z相对应输出信号直接进入74HC245方向可控缓冲器。由于需要判断光电编码器的转向，B相信号触发后，其输出的双向信号进入74HC74双D触发器进行辨向处理，根据输出信号电平的高低判别编码器的转向。辨向处理后双D触发器Q1端输出信号输入缓冲器进行缓冲驱动。缓冲器输出的三路数字信号和一路方向信号进入单片机外部中断I/O，实现数据的双向异步通信。322位移、加速度信号调理图49为位移、加速度传感器输出信号的调理电路图。该调理电路简单，对直线位移传感器、加速度传感器X、Y方向分别输出的4路模拟信号进行滤波放大处理。传感器输出的模拟信号经滤波处理后进入LM358双运算放大器对电压信号放大，从LM358输出后直接输入单片机相应的I/O口进行A/D转换。其中LM358是高增益的双运算放大器，其芯片内部含有两个独立的放大器，因此，只需两个LM358就可完成对4路模拟信号的放大，把电压信号放大至A/D转换相匹配的电压。OUT1IN23GD567VC8LMPS90AKRESUFPINZROTJCKAL图38位移、加速度信号调理电路323压力信号调理下图为压力传感器输出信号的调理电路原理图。压力传感器输出的电压信号经滤波后进入CD4052差分4通道数字控制模拟开关，选通输出的模拟信号先后经AD620仪表放大器和LM358运算放大器后进入单片机I/O。由于传感器采集到的是毫伏级的电压信号，十分微弱，需要用两级放大器进行前置和后级驱动放大，电压匹配后把电压信号输入相应的单片机I/O进行A/D转换。其中，AD620是一款低成本、高精度的仪表放大器，主要应用于传感器接口，具有低功耗、高共模抑制比，且电路产生噪声和漂移也较低。Y20134VC65ENX7GD8B9AUMROTILMOSUFAPKESIPTL图39压力信号调理电路33通讯模块设计传感器输出信号经调理后，进入单片机I/O，A/D转换后数据存储在单片机缓存器中。采集数据需要发送至计算机进行处理，以及计算机向下位单片机发出指令控制电机，这些都涉及到计算机与测试仪器之间的通讯问题。本系统选用RS232串行通讯方式实现上位PC机对下位机的控制和数据传输。331RS232通讯接口设计RS232是PC机上的通信接口之一，是目前PC机与工业通信应用最广泛的一种串行通信，采用全双工通信方式，实现点对点的双向异步通讯。本系统采用计算机上的RS232接口为9针的，数据传输时，不需使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”，其传输线采用屏蔽双绞线。下图为RS232的通信接口电路原理图。RS232通信接口实现计算机与单片机间的数据通信，因此其接口一端连接计算机，另一端连接下位单片机。但是计算机的串口电平是RS232电平，而单片机串口是TTL电平，两者之间必须有一个电平转换电路，系统采用专用的MAX232电平转换芯片。MAX232芯片是专门为计算机的RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片，采用5V单电源供电。它将单片机输出的TTL电平转换为串口通信电平。MAX232芯片内部包含两路收发器，本系统仅用一路收发器。另外，为除外界信号干扰，其接收、发送端分别与单片机引脚RXD、TXD连接。C1VD2345E6TOU7RIN890GMAXUFAPPOLJNECTR图310RS232通讯模块电路332USB模块设计要实现单片机程序的下载烧制和上下位机之间的通讯，就需要一个USB模块，通过该模块的设计，使用者只需一条USB线就可以实现程序的下载以及上下位机之间的通讯。PL2303是PROLIFIC公司生产的一种高度集成的RS232USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。具体电路图如下图所示10PFC36A7GND2SWPT8LEKR5ESV4UBJAUX_I9HMOY图311USB下载模块PL2303的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM端口,并允许基于COM端口应用可方便地转换成USB接口应用，通讯波特率高达6MB/S。在工作模式和休眠模式时都具有功耗低，是嵌入式系统手持设备的理想选择。该器件具有以下特征完全兼容USB11协议；可调节的35V输出电压，满足3V、33V和5V不同应用需求；支持完整的RS232接口，可编程设置的波特率75B/S6MB/S，并为外部串行接口提供电源；512字节可调的双向数据缓存；支持默认的ROM和外部EEPROM存储设备配置信息,具有I2C总线接口,支持从外部MODEM信号远程唤醒；支持WINDOWS9、WINDOWS2000、WINDOWSXP、WINDOWSVISTA、WINDOWS7等操作系统。因此能够完全满足该设计的要求。34供电模块系统硬件电路需要直流电源供电，而电源直接提供的是交流电，因此需要设计电路将交流电转换为直流电。电源模块产生的5V电压为角位移、功率、位移、切削阻力信号调理、通信电路等提供电压，产生的12V电压为加速度信号调理电路提供电压。此外还要考虑到信号有数字信号和模拟信号之分，因此所需的电源端口有VCC、GND、AGND、5V、12V。INOTDRGLVINOUTGND7805LM12P4HEADR6BGFCPL39A图312供电电路设计供电电路如上图所示，其中经过变压器降压之后的交流电经过桥式电路被转换为12V直流电，分别经过7805、7812、7905三端稳压芯片转换为稳定的电压信号给所需芯片供电。常见三端稳压器概述如下7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输的78系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO220的标准封装，也有9013样子的TO92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出15A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个15A，但应用时需注意并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。常见的三端稳压器封装如下图图313TO220封装的三端稳压器第四章硬件系统的设计与调试在本次设计中硬件系统的设计都是在ALTIUMDESINGERSUMMER09这一软件上完成的。41ALTIUMDSINGERSUMMER09简介ALTIUMDESIGNER是原PROTEL软件开发商ALTIUM公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WINDOWS操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案4。ALTIUMDSINGERSUMMER09是ALTIUM公司于09年发布的一款基于电气设计的软件。ALTIUMDESIGNERSUMMER09的发布延续了连续不断的新特性和新技术的应用过程。使用户更轻松地创建下一代电子设计。同时，使ALTIUMDESIGNER更符合电子设计师的要求。ALTIUM的一体化设计结构将硬件、软件和可编程硬件集合在一个单一的环境中，这将令用户自由地探索新的设计构想。在整个设计构成中，每个人都使用同一个设计界面。SUMMER09版本解决了大量历史遗留的工具问题。其中就包括了增加更多的机械层设置、增强的原理图网络类定义。新版本中更关注于改进测试点的分配和管理、精简嵌入式软件开发、软设计中智能化调试和流畅的LICENSE管理等功能。42原理图的设计与调试在系统原理图的设计中ALTIUMDSINGERSUMMER09中提供了完整的硬件设计及调试流程图，开发者要在熟悉软件的基础上，熟知原理图设计与仿真及调试的步骤。在原理图的设计中要用到很多元器件，有很多元器件在软件自带的元器件库中就可以找到，但是有些库里并没有，这就需要自己在熟知芯片资料的基础上自己动手画出元器件的引脚10。原理图设计的流程图如下图41原理图设计流程图43PCB的设计与调试在PCB的设计中ALTIUMDSINGERSUMMER09也提供了完整详细的设计及其调试流程。我们可以在完成原理图的设计后进行PCB的设计。设计者只需按照所给的设计流程，按步骤一步一步，在熟悉设计环境及操作环境的基础上，结合自己所学的电气规则知识，完成一个合理的PCB设计10。但在PCB设计中有一点雨原理图设计有很大的不同的是，PCB设计中需要定义元器件的封装，在ALTIUMDSINGERSUMMER09自带的元器件封装库中，有些元器件是有封装的，但大多数封装都是过时的错误的，这就要求开发者去所需元器件生产公司的去查找所需元器件的封装信息，然后画出合理的封装信息。启动原理图编辑器设置图纸设置工作环境装载元器件库放置元器件原理图布线原理图电气规则检查生成网络表文件存储及打印PCB设计的流程图图42PCB设计流程图44常见元器件封装简介元件封装不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB印制电路板的设计和制造，启动工作环境设置工作环境添加网络表设置PCB规则放置元器件布局PCB布线设计规则检查生成各种报表文件存储和打印因此它是至关重要的。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。封装时主要考虑的因素1、芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近112、引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能3、基于散热的要求，封装越薄越好。封装主要分为DIP双列直插和SMD贴片封装两种。从结构方面，封装经历了最早期的晶体管TO如TO89、TO92封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP公司开发出了SOP小外型封装，以后逐渐派生出SOJJ型引脚小外形封装、TSOP薄小外形封装、VSOP甚小外形封装、SSOP缩小型SOP、TSSOP薄的缩小型SOP及SOT小外形晶体管、SOIC小外形集成电路等。从材料介质方面，包括金属、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。封装大致经过了如下发展进程结构方面TODIPPLCCQFPBGACSP材料方面金属、陶瓷陶瓷、塑料塑料引脚形状长引线直插短引线或无引线贴装球状凸点装配方式通孔插装表面组装直接安装具体的封装形式1、SOP/SOIC封装SOP是英文SMALLOUTLINEPACKAGE的缩写，即小外形封装。SOP封装技术由19681969年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出SOJJ型引脚小外形封装、TSOP薄小外形封装、VSOP甚小外形封装、SSOP缩小型SOP、TSSOP薄的缩小型SOP及SOT小外形晶体管、SOIC小外形集成电路等。2、DIP封装DIP是英文DOUBLEINLINEPACKAGE的缩写，即双列直插式封装。插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。3、PLCC封装PLCC是英文PLASTICLEADEDCHIPCARRIER的缩写，即塑封J引线芯片封装。PLCC封装方式，外形呈正方形，32脚封装，四周都有管脚，外形尺寸比DIP封装小得多。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。4、TQFP封装TQFP是英文THINQUADFLATPACKAGE的缩写，即薄塑封四角扁平封装。四边扁平封装TQFP工艺能有效利用空间，从而降低对印刷电路板空间大小的要求。由于缩小了高度和体积，这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用，如PCMCIA卡和网络器件。几乎所有ALTERA的CPLD/FPGA都有TQFP封装。5、PQFP封装PQFP是英文PLASTICQUADFLATPACKAGE的缩写，即塑封四角扁平封装。PQFP封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在100以上。6、TSOP封装TSOP是英文THINSMALLOUTLINEPACKAGE的缩写，即薄型小尺寸封装。TSOP内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚，TSOP适合用SMT技术表面安装技术在PCB印制电路板上安装布线。TSOP封装外形尺寸时，寄生参数电流大幅度变化时，引起输出电压扰动减小，适合高频应用，操作比较方便，可靠性也比较高。7、BGA封装BGA是英文BALLGRIDARRAYPACKAGE的缩写，即球栅阵列封装。20世纪90年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为了满足发展的需要，BGA封装开始被应用于生产。采用BGA技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍，BGA与TSOP相比，具有更小的体积，更好的散热能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有TSOP封装的三分之一另外，与传统TSOP封装方式相比，BGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能厚度和重量都较以前的封装技术有所减少寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高组装可用共面焊接，可靠性高。说到BGA封装就不能不提KINGMAX公司的专利TINYBGA技术，TINYBGA英文全称为TINYBALLGRIDARRAY小型球栅阵列封装，属于是BGA封装技术的一个分支。是KINGMAX公司于1998年8月开发成功的，其芯片面积与封装面积之比不小于1114，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高23倍，与TSOP封装产品相比，其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。采用TINYBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的，而TINYBGA则是由芯片中心方向引出。这