（机械电子工程专业论文）基于pci总线的锯片变形检测系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 金刚石圆锯片是加工石材的主要工具，其性能的优劣在很大程度上决定了石材的加 工质量和锯片的寿命。由于锯片径厚比很大，极易发生轴向变形。而锯片的轴向变形是 影响锯片性能的重要因素。因此，工业上在使用锯片进行石材加工前一般都要对锯片进 行轴向变形检测，以进行张力预处理。但是目前我国石材行业的自动化程度还较低，很 多地方这项工作还是靠目测手量完成。因此，开发一套锯片轴向变形自动检测系统，是 一项具有现实意义的重要课题。 、 课题首先提出了基于单片机的系统解决方案，并付诸实践。在总结基于单片机的检 测系统优缺点的基础上，提出了一套基于p c i 总线的系统解决方案，并对这个方案的可 行性进行了详细地论证。 锯片变形检测系统硬件设计的目标是设计制作一块p c i 数据采集卡，具体包括变形 量数据采集、角度量数据采集和p c i 总线接口三个方面。采用电涡流传感器采集变形信 号，调理后用m a x l 5 1 进行模数转换。用步进电机来提供锯片转动力矩并分度锯片。 采用霍尔传感器u s 5 8 8 1 来提供检测锯片的零度线信号。采用p c i 9 0 5 2 作为系统的p c i 接口芯片。 锯片变形检测系统的软件开发包括驱动程序开发与应用程序开发。本课题利用 w i n d r i v e r 开发了p c i 数据采集卡的w d m 设备驱动程序。利用v i s u a lb a s i c 开发了系统 应用程序。 经过试验，运行结果表明，本套系统整体设计合理、性能可靠、操作方便快捷，大 大提高了检测的自动化程度，基本实现了预期的设计目标。 关键词：锯片；变形检测；p c l 总线：数据采集；p c i 9 0 5 2 ；步进电机 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 p c i - b u s - b a s e dc i r c u l a rs a w - b l a d ed i s t o r t i o nm e a s u r e s y s t e m a b s t r a c t c i r c u l a rd i a m o n ds a w - b l a d ei so n eo fm a i ns t o n e sm a c h i n i n gt o o l s i t sp r o p e r t ym o s t l y a f f e c t st h eq u a l i t yo f m a c h i n i n gs t o n ea n dt h el i f eo f t h es a w - b l a d e s a w - b l a d ei st e n dt ob e a x i a ld i s t o r t i o nb e c a u s eo fi t s l a r g e r a t i oo fr a d i u s c o m p a r ew i mt h i c k a n d t h a tt h e a x i a l d i s t o r t i o np l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h ep r o p e r t yo fs a w - b l a d e s oi t i s u s u a l l y m e a s u r e di t sa x i a l d i s t o r t i o nb e f o r e m a c h i n i n g s t o n e st o p r e p a r e f o rt e n s i o n p r e 仃e a t m e n ti ni n d u s t r y b u tt h ea u t o m a t i o nd e g r e eo f t h ei n d u s t r yi ss t i l ll o w e ra tp r e s e n t t i m ei no u rc o u n t r y p e o p l ed ot h i sw o r kj u s t o n l yb ye y e b a l l i n ga n dh a n d s oi t i sa s i g n i f i c a n tt a s kt od e s i g na n dd e v e l o pa na u t o m a t i cs y s t e mi nm e a s u r i n gt h ed i s t o r t i o no f s a w - b l a d e f i r s t l y , t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r das y s t e mr e s o l v es c h e m e b a s e do nm c u , a n dc a r r i e si t o u t o nt h eb a s eo f s u m m a r i z i n g t h em c u s y s t e m ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r das y s t e m r e s o l v e s c h e m ew h i c hb a s e do np c r - b u s a n dm a k e sad e t a i lr e a s o n i n go f i t sf e a s i b i l l t y t h ea i mo fh a r d w a r ed e v e l o p m e n ti st od e s i g na n dm a k eup c id a t aa c q u i s i t i o nc a r d 。 i n c l u d i n g d i s t o r t i o n - d a t aa c q u i s i t i o n ，a n g l e d a t aa c q u i s i t i o na n di n t e r f a c eo fp c i - b u s w eu s e a i le d d yc m - r e l l ts e n s o rt oa c q u k et h ed i s t o r t i o nd a t a ，u s em a x l 5 1t od oa d c a f i e ra d j u s t i n g t h es e n s o r ss i g n a l as t e p p i n gm o t o ri st ob eu s e dt od r i v et h es a w - b l a d ea n dd i v i d et h e s a w b l a d e w eu s eah a l l i c u s 5 8 8 1t op r o v i d et h ez e r o l i n es i g n a lo ft h es a w - b l a d e p c i 9 0 5 2i su s e da sa l li n t e r f a c eo f t h es y s t e m t h es o f t w a r e d e s i g ni n c l u d e s d r i v ep r o g r a md e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o g r a m d e v e l o p m e n t w eu s ew i n d r i v e rt od e v e l o p m e n tw d m d r i v ep r o g r a mo ft h ep c id a t a a c q u i s i t i o n c a r d a n du s ev i s u a lb a s i ct od e v e l o p m e n ts y s t e ma p p l i c a t i o n p r o g r a m t h er e s u l to fe x a m i n a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ed e s i g no fw h o l es y s t e mi sr e a s o n a b l ea n d r e l i a b l e ，m e a s u r e sas a w - b l a d ee a s i l y a n dr a p i d l y t h ea u t o m a t i cd e g r e eo fm e a s u r i n gi s i m p r o v e dg r e a t l y t h ea n t i c i p a t i v ea i mo f d e s i g n i sb a s i c a l l ya c h i e v e d k e y w o r d s ：s a w - b l a d ed i s t o r t i o n m e a s u r i n g p c i - b u sd a t a a c q u i s i t i o n p c i 9 0 5 2 s t e p p i n gm o t o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 翻、与、沁 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 人类的历史，是从加工石器开始的。从旧石器时代到信息时代，石材一直伴随着人 类，人类一直加工着石材。人类走入信息时代，石材加工也发展成为一个现代化的加工 业。加工手段也从原始的劈、砸发展到使用现代化加工工具。其中，金刚石圆锯片( 以 下简称锯片) 是一种最常用的切割工具。 西方一些国家的石材加工业现代化程度很高，但由于受环保、劳动力费用和资源等 因素的影响，石材加工业正在不断地向发展中国家转移。曾有专家预测说，世界石材的 加工中心正在向亚洲转移，特别是向正在蓬勃发展的中国转移。我国石材资源丰富，劳 动力充足，因此石材加工业发展极为迅速。2 0 0 2 年中国石材进出口总额达1 6 亿美元， 在1 2 0 亿美元的世界石材贸易额中，中国大陆已占到了1 3 以上。 随着石材加工业的飞速发展，对锯片的需求也与日俱增。据统计，到上世纪9 0 年 代末，我国已有锯片生产厂家约3 0 0 0 多家，年消耗锯片的价值约6 1 0 亿元人民币，制 造这些锯片基体消耗钢材约在万吨以上。 然而，我国所生产的锯片基体的质量和使用寿命较国外的低，各生产厂家的产品质 量相差较大，同一厂家的产品质量也不稳定。锯片在切割石材时偏摆量大，切口宽，基 体的使用寿命短。例如，国产直径1 6 0 0 m m 锯片的基体，通常复用2 - 6 次，而国外同样 大小的锯片基体，复用次数可达l o 次以上。国产组锯锯片基体一般只能使用一次，而 进口的基体可用3 - 5 次。【1 在切割过程中，锯片承受离心力、锯切力、锯切热等外载荷的作用，这些外载荷在 锯片内形成不同的应力区，是锯片产生变形的诱因。又因为锯片的径厚比一般都在2 0 0 以上，属于典型的超薄零件，极易产生轴向变形。当锯片的外缘部分在圆周方向上存在 压应力时，轴向变形后呈波浪状；在半径方向存在压应力时，发生变形后呈碟状。这两 种变形都会使人造金刚石除了切削方向运动外，还存在不规则的两侧方向的运动，这必 然导致切缝增大，切割偏斜，金刚石消耗增大，同时造成石材切面不平直，石材废料多， 锯切时噪声大，振动加剧，从而导致锯片结块早期破损、锯片寿命降低。 由此可见，认真研究锯片的工作条件及其对基体的性能要求，选择适宜的材料制造， 并进行必要、严格的强化处理，对延长基体的使用寿命、减少钢材消耗、提高石材的加 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 工质量、降低石材加工成本，都具有十分重要的意义。 2 】 1 2 国内外技术概况 ， 为解决上述问题，目前国内外普遍采用张力预处理法。所谓张力预处理就是锯片在 使用前，预先使锯片内部形成一分布适当的张应力，理想的情况就是该应力能完全抵消 工作应力中的压应力，并且在整个锯片内形成分布适当的张应力，即适张度，以提高锯 片的轴向刚性和稳定性，抑制轴向变形。 在对锯片进行适度张力预处理之前，首先要了解锯片内部应力分布状况，然后才能 对症下药，对锯片进行合理校正及张力预处理。因此问题集中到如何对锯片的应力分布 进行检测分析上。 1 2 1 锯片应力检测方法 目前国内外对锯片进行应力分布状态检测的方法主要有以下几种： 3 ( 1 ) 应力测试法 应力测试法就是通过直接的应力测试以判断锯片的应力分布情况。常用的应力测试 方法有电阻应变片法、x 射线衍射法等。其中后一种方法因为可以测试锯片上任一点的 周向和径向应力，所以被广泛用于科学研究中。 x 射线测定金属材料表面的残余应力在无损应力测量方面是一种比较成熟的测量方 法。它测量快而准，被广泛地应用于科学研究和工业生产的各个领域。日本的梅津二郎、 野口昌巳等人已尝试用x 射线测量圆锯片表面的应力，积累了一定的经验。 在各种无损测量残余应力的方法中，x 射线衍射法被公认为是最可靠、最实用的。 通过测定等强度梁在不同载荷下的应力，可以看到x 射线应力检测与载荷应力检测结果 有很好的一致性。 x 射线法有如下特点： 优点： 非破坏性的检测方法。 可测定表层( 1 0 一3 5 p m ) 的应力。这对于镀层、涂层、氧化层、表面热处理 等的应力测定特别有效。 可测局部小区域的应力和表面上的应力。x 射线法还可以较准确地测定应力 沿层深的分布( 采用剥离测量，此时需要破坏试样) ，特别是应力在小范围内急 剧变化时，x 射线法最有效。 可测量纯粹的宏观应力，而对微观及超微观应力亦可分别测得。 2 大连理工大学硕士学位论文 可测定复项合金中各个项的应力。 缺点： x 射线法的主要缺点在于准确度不十分高。而当晶粒特别细小或特别粗大时，测量 的准确度将进一步下降。若需测定大型零件或构件在动态过程中各瞬时内的应力分布情 况，x 射线法也将有困难。另外检测成本也比较高，不适合应用于工业现场。 ( z ) 光隙检测法 光隙法是基于内部应力可以导致锯片产生一定的变形的原理。实际作业中主要有两 种方法：第一种方法是“自重法”。检测时把锯片平放在工作台上，用手将锯片一边抬 起，将锯片边缘与工作台、手接触的两点分别设为3 、4 点，显然3 、4 为圆锯片直径 上的两个端点，与3 、4 垂直的另一直径上的两个端点分别设为5 、6 点。用规尺靠在 锯片直径或半径上，如果锯片有足够张力，在重力作用下，锯片中心部分会下垂。但是 由于锯片周边存在周向张应力会将5 、6 两点稍微上抬，这样锯片表面与规尺之间便会 出现弓形光隙。压应力大的地方，光隙也大。当锯片较小或内部应力较小时，可用抬锯 片之手的拇指在4 点以内向下压锯片，以便扩大光隙。第二种方法称为“弯折法”。 黪渗 自重法弯折法 图1 1 光隙检测法 f i g 1 1l i g h t - s l o tm e t h o d “弯折法”是将锯片连同中心平放在工作台或铁砧边上，用手在悬空一端向下压， 好像要把锯片弯折一样，这时会产生一种和“自重法”相反的力，使锯片中心部分上抬。 因此，“弯折法”产生的光隙和“自重法”相反。 在实际生产实践中，修锯工检测锯片应力分布状态往往还有其它方法。例如，用手 扶住锯片顶端，将锯片竖立在工作台上，用另一只手扣动锯片套装孔左右摇动，以感觉 其“活芯”程度。或是将竖立的锯片向一边慢慢倾斜，待锯片倾斜到一定程度后，重力 会使锯片中心部分凹向倾斜一边，观测其倾斜角度以判断应力分布状态等等。 由于缺乏一定的量化检测指标，修锯工的经验决定了光隙法检测锯片应力分布状态 的可靠程度，所以这种方法具有一定的局限性。 ( 3 ) 刚度检测法 3 基于p c i 总线的锯片变形检j 系统 用刚度来测量锯片应力分布也是种无损检测，它通过测量锯片的模态刚度来分析 内部应力对锯片固有频率的影响。 由于锯片模态刚度与固有频率、临界速度之间有一定的对应关系，所以刚度检测法 需要在接近锯片振动弯曲模态时测量出它的静态挠曲刚度。 测量时，锯片必须垂直悬挂以消除重力的影响。由于加载横向变形量最大为厚度的 i 2 时加载力和锯片变形量具有线性关系，所以锯片刚度应该在这一范围内测量。而且 由于锯片最初的不平度，要把锯片转动1 8 0 度后再测量一次锯片的刚度。锯片要像在工 作状态时那样中间夹紧，并用宽频带横向随机电磁激振力激振锯片，对横向位移信号进 行实时分析，通过实时频谱分析仪测出它的固有频率。 剐度检测法由于需要专门的频谱分析仪等电子设备，而且检测结果不直观，需要操 作人员具有较高的素质，很难用于工业现场。要使这种检测方法得到普遍应用，还需要 进一步简化设备和操作。 ( 4 ) 磁声发射检测法 应力的磁声发射检测是根据材料的磁声发射与应力的对应关系来测量圆锯片的应 力分布。所谓磁声发射( 姒e ) 是指铁磁材料在交变磁场的作用下产生应力应变波的现 象。铁磁材料的磁化过程是不连续的，即使很缓慢地增加磁场强度、磁畴壁的运动也是 分阶段跳跃式地进行，磁畴壁总是停留在某一能量极小的位置，当外加磁场增加到某一 值时，畴壁将突然地跳跃到高一级的能量极小的位置，伴随着这一过程产生了应力应变 波。材料应力状态、化学成分和金相组织等都直接影响畴壁的跳跃幅值。在被检测锯片 的化学成分和金相组织一定时，影响磁声发射的因素可以认为只有材料的应力状况了， 所以用检测磁声发射强度的办法可以测得铁磁性材料的内应力的大小。 磁声发射检测由于需要的设备较多，容易受工业现场的干扰影响，目前只能在实验 室得到初步的应用，需要进一步的研究。 ( 5 ) 固有频率检测法 这是基于内部应力大小与锯片固有频率之间有一定的对应关系的原理。使用这种方 法时，需逐次由小到大增加激振频率。当锯片共振时，振幅显著变大。这时的激振频率 与锯片的某阶固有频率相等。这种方法的缺点是只能表述锯片的整体应力分布状况，效 率低；另外，锯片平放，检测受重力影响。 ( 6 ) 振动模态分析法 该方法分激振器试验和冲击试验。采用脉冲锤进行冲击实验，冲击激励的低频响应 较好，高频响应较差。而我们在研究中最感兴趣的正是锯片在8 0 0 h z 以下频段上的固有 频率。冲击激励的响应比较理想，而且设备简单。这种方法在国内外用的比较普遍。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内外研究现状 国外对于锯片的应力分析、变形检测及张力处理具有很成熟的技术，并且已经研制 出了高效自动化的检测和处理系统。 8 0 年代中期，美国加州大学林产品实验室开发出一种通过测量固有频率来对锯片进 行应力分布状态进行分析的设备。这种设备用正弦激振法检测出锯片的固有频率，然后 利用应力分布状态与固有频率的对应关系分析锯片的应力分布状况。【3 法国的c h a l a n d 公司是世界上生产金刚石圆锯片的主要公司之一。它认为对锯片进 行张力预处理是为了抵消切割过程是所产生的周边热与切削力而引起的压应力，从而可 以有效地提高锯片发生振动时的临界速度。该公司具有世界领先的张力处理方法及后续 的检测系统。他们利用s i n t r i s 的液压滚筒张力处理机与可视控制系统相连，使锯片的 端面跳动与张力处理图显示在屏幕上，使操作者立即了解锯片的张力处理情况并予以校 正，并打印出结果。该系统用一电容式位移传感器和一旋转编码器，将锯片上不同位置 的点或局部区域变形转化为数字信号输入计算机，然后进行数据处理，显示并打印出变 形图。该系统集张力处理与检测于一体，是该公司最先进的张力处理设备。 德国的a r r o s e n t h a l 利用激光对圆盘形的切削刀具进行预应力处理。他认为：激 光对表面进行热处理而产生残余应力，在表面涂层中所产生的这种确定的应力有助于改 善锯片的运动状况，从而延长锯片寿命，降低锯片的偏心运转。这种应力还改善了固有 频率，使锯片的临界速度提高，且能在高的切削速度下减少轴向振动。激光处理方法相 对于传统的张力处理方法，是一种革新。但他们认为这种预应力处理方法主要用于加工 有色金属的圆盘刀具，而对加工石材的锯片仍采用传统的方法处理。另一位德国人 j e h w i t h a m i l z 研制的a d i c 2 0 0 0 系统可以对锯片进行优化质量中心，并检测锯片的应力 状态( 压缩拉伸) 。此系统由1 2 个传感器和一台3 2 位计算机组成，并带有打印机和显 示屏，使检测结果以表格或图形的方式呈现给操作人员。这个系统使锯片质量控制变得 十分方便。 香港华瑛公司的m 【j m m e n o f f 应力调整与测试系统，也是对金刚石圆锯片基体进 行完美质量控制的一个完整系统。它的原理是：通过传感器将锯片基体变形的位移转化 为电信号，经过变送调节器和转换送入计算机，同时计算机将实时处理后的结果输出反 馈给应力调整机，输出电信号驱动执行元件对锯片实施应力校正，使检测和校正同步进 行的实时控制系统。 国内目前对锯片变形检测手段和张力处理大部分是采用前面介绍的光隙法，凭工人 的经验用手工进行变形检测和张力处理，使用的工具一般是手尺、测力仪、锤子等。这 种方法缺乏理论指导，很难对检测和处理结果进行量化，因而锯片的加工质量很难控制， 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 产品一致性差，寿命低。因此，有必要开发一种金刚石圆锯片变形检测和应力分析系统， 把锯片张力处理前后的轴向变形快速、准确地测量出来，并将结果通过显示器和打印机 直观地显示出来，为锯片的张力预处理提供确切的数据具有重要的现实意义。 4 1 1 5 】 1 3 课题主要研究内容 1 3 1 课题的理论依据 生产实践证明，光隙法是一种检测锯片应力分布状态行之有效的方法，只是这种方 法缺乏理论指导，很难进行量化。资料表明 2 】，这种量化是可行的。在极坐标条件下， 当锯片上的检测半径r 一定时，锯片变形形仅是角度。的函数。因此可以首先检测出锯片 沿圆周方向的轴向变形数据，得到一系列离散值。然后采用正交函数进行数据拟合处理， 得到变形值与角度的函数矿) 。然后根据公式( 1 1 ) 求出锯片内应力列阵，再用公式 ( 1 2 ) 求得直角坐标下的应力分量仃。和仃，和fx v 。接着用公式( 1 3 ) 便可求出极坐标 下的应力分量盯，和盯。公式如下： 1芦0 1 0 oo 生兰 2 s i n 20 g o s 2 0 s i n 2 0 2 s i n 0 一s i n 2 0 一c 0 $ 2 0 d 2 w d 0 2 d d o ( 1 1 ) 其中，鸭、鸠为弯矩，为扭矩，f 为锯片厚度，e 为锯片材料的弹性模量， 为泊松比。 吒= 丁1 2 m = z 1 2 m y ， q 2 产z 1 2 m w ， f d2 了2 z 其中z 为锯片轴向厚度值，0 z t 。 铲7 o s 2 占一半s m 2 口 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 南 一1 = 1，lll，j 坂呜 。，l = 膨 口曰 2 2口g s s 掣 廿 + 一目口 2 2 m s c q q + 口目醇po 盯 c s r x 盯 盯 = = r 口 盯 盯 大连理工大学硕士学位论文 所有公式的推导和公式( 1 1 ) 中等和i d z 矿w 的求法见参考文献 2 。 由此可见，理论化和量化“光隙法”是可行的。本课题就是在上述理论的基础上开 展的。 1 3 2 课题的主要内容 本课题的主要任务和目标是通过p c i 总线，将圆锯片指定半径处的轴向变形数据采 集到普通微型计算机中，并对采集的数据进行处理。要求检测自动、快速、准确，并能 将结果以表格和图像的形式输出。 根据设计要求，本课题的主要内容有： 1 ) 系统总体方案设计； 2 )元器件的选择； 3 )硬件电路设计及调试，包括： a 传感器信号的信号调理； b 步进电机的驱动与控制； c 模数转换电路： d 开关信号采集电路； e p c i 接口电路与自动配置： 4 )驱动程序的编制； 5 )应用程序的编制： 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 2 系统总体方案的设计 根据设计要求与实际情况，有两种比较合适的系统总体解决方案。一种基于单片机， 另一种基于p c i 总线。这两种方案都可基本满足设计要求。实际工作中我们将这两种方 案都先后付诸实践。本章详细讨论一下这两种方案的异同与各自的优缺点。 2 1 基于单片机的系统解决方案 基于单片机的系统解决方案框图与工作原理图如下。 a t 8 9 c 5 2 图2 1 基于单片机的系统框图 f i g 2 1d e s i g ni l l u s t r a t i o no fm c u - b a s e d - s y s t e m 图2 2 基于单片机的系统工作原理图 f i g 2 2w o r k i n gt h e o r y i l l u s t r a t i o no f m c u - b a s e d - s y s t e m 编码器的作用是分度锯片，即检测锯片的角度值。编码器信号接到单片机的外部 中断脚。工作时用手转动锯片，单片机计数接收到的编码器脉冲信号，每转过1 。就开 8 大连理工大学硕士学位论文 启a d 转换检测一个锯片变形值。测完3 6 0 。即完成对锯片的一次检测。单片机把检测到 的数据暂存到r a m 中，当接收到上位机的r e a d y 信号后，把暂存的信号通过r s 2 3 2 接口 发送到上位机进行处理。 这套系统已经应用于实际生产，而且能基本满足实际要求。经过实践检验，发现这 套系统还存在如下一些问题： 。 ( 1 ) 干扰问题。工业场所的干扰比较强。这套系统采用外部中断方式，干扰信号容 易进入单片机：且单片机采集到的数据通过r s - 2 3 2 传送到上位机，传送过程中也可能 因干扰而发生错误。 ( 2 ) 零点问题。操作人员不知道系统开始检测的确切时间和位置，检测结果与锯片 上的具体点很难一一对应，导致预处理时的偏差。而且实际生产时需要对同一锯片预处 理前后进行多次检测，对比检测结果。零点不重合，对比就没有实际意义。 ( 3 ) 动力问题。圆锯片靠人手拨动旋转，会导致锯片的轴向振动，影响测量的正确 性。而且锯片旋转的速度不均匀，可能会使电涡流传感器测量的数据发生漂移。操作人 员不同，拨动力量不同，检测结果可能也会不同。 ( 4 ) 实时问题。通信是在所有数据采集完成后才进行的，不能实时反映所测锯片的 轴向变形，也就不能实时校正。 2 2 基于p c i 总线的系统解决方案 基于上述方案存在的问题，又设计了另一方案。系统框图与工作原理图如下。该方 案与基于单片机的解决方案有以下不同： 1 基于p c i 总线； 2 用步迸电机代替编码器来分度锯片； 3 系统增加了识别锯片零度线的功能。 该方案基于当今流行的p c i 局部总线，将数据直接采集到计算机进行处理，省去了 中间通信环节，最大限度地减少了受干扰的可能性。用步迸电机代替编码器，不但能实 现锯片分度，而且还能提供锯片转动的力矩，提高了系统的自动化程度。检测时在锯片 零度线上吸附一块小磁片，当磁片转到霍尔元件处时，霍尔元件发出一个开关量信号。 系统收到该信号后，开始启动a d 转换检测锯片变形值。系统在收到霍尔元件发出的开 关量信号以后，每驱动步进电机走几步就检测一个a d 值，直到转完一圈。 这个解决方案，不但能满足系统设计要求，还基本解决了第一个方案的缺陷。本课 题和论文就是围绕这个方案的具体实现而展开的。 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 图2 3 基于p c i 总线的系统框图 f i g 2 3d e s i g ni l l u s t r a t i o no fp c i - b a s e d - s y s t e m 图2 4 基于p c i 总线的系统工作原理图 f i g 2 4w o r k i n gt h e o r y i l l u s t r a t i o no f m c u - b a s e d - s y s t e m 10 大连理工大学硕士学位论文 3p c i 总线简介 3 1 总线概述 总线是一种数据通道，由系统中各部件所共享，或者说，是在部件与部件之间，设 各与设备之间传送的一组公用信号线，是在主控设备的控制之下，将发送设备发出的信 息准确地传送给某个接收设备的信号通路。总线的特点在于其公用性，即它可同时挂接 多个部件或设备。如果是某两个部件或设备之间专用的信号连线，就不能称之为总线。 所以总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路。总线的一个很重要的特征是传 输媒质被由总线上的所有部件所共享，可以将计算机系统内的多种部件连接到总线上。 总线上的任何一个部件发出的信息，计算机系统内所有连接到总线上的部件都可以 接收得到。但在进行信息传输时，每一次只能有一个称作主控设备的部件可以利用总线 给一个叫做从属设备的部件发送信息。 通常总线是由多条通信路径或线路组成的，每条信号线上仅能传送二进制的。或1 信号。在一段时间里，一条信号线就能传送一串的二进制信息，将几条信号线组合在一 起，这样总线就可以在同一时间并行地传输二进制信息。像一个字节信息就可以通过总 线中的8 条信号线完成信息传输。 计算机系统内有多种总线，它们在计算机系统内的各个层次上，为各部件之间的通 信提供通路。按在系统的不同层次、位置，总线可分为如下类。 ( 1 ) 片内总线( c h i pb u s ) ： 片内总线是指在微处理机芯片内部的总线，是用来连接各功能部件的信息通路。例 如，c p u 芯片中的内部总线，它是a u j 寄存器和控制器之间的信息通路。片内总线根 据功能又分为地址总线、数据总线和控制总线。 ( 2 ) 主板局部总线 主板局部总线是指在印刷电路板上连接各个插件的公共通路。例如，c p u 及其支持 芯片与其局部资源之间的通道即属于局部总线。 ( 3 ) 系统总线 系统总线又称内总线，是指模块式微处理机机箱内的底板总线，用来连接构成微处 理机的各个插件板。它可以是多处理机系统中各c p u 板之间的通信通道，也可以用来 扩展某块c p u 板的局部资源，或为总线上所有c p u 板扩展共享资源之间的通信通道。 系统总线对微处理机设计者和微处理机应用系统的用户来说都是一种很重要的总线。选 择具有标准化和开放性总线的计算机系统，通过适当选择各种模块，构成符合要求的计 算机系统，是当前选择微处理机应用系统的趋势。 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 ( 4 ) 通信总线 通信总线又称外总线，它用于微处理机系统与系统之间、微处理机系统与外部设备 之间，如打印机、磁盘设备或微处理机系统和仪器仪表之间的通信通道。这种总线数据 的传送方式可以是并行( 如打印机) 或串行，数据传送速率比内总线低。不同的应用场 合有不同的总线标准。 从7 0 年代一直到现在，系统总线从低到高，为适应不同的应用领域、适应不同的 微型机出现了许多种，也形成了相应的总线标准。以下介绍一下典型的几种总线标准： s 1 0 旺美国m i t s 公司1 9 7 5 年推出的总线标准，针对8 位的i n t e l8 0 8 0c p u 设计 的，也可用于z 8 0c p u 系统，但受当时的条件限制，功能不强，现在已不用。 s t d 总线一美国p r o l o g 公司1 9 7 8 年推出的面向工业控制的总线标准，其设计符合 微电子技术的发展潮流。1 9 8 7 年经过改迸，将其作为正式标准i e e e 9 6 1 推出，它采用 分时复用技术，支持8 位、1 6 位c p u ，如i n t e l 系列8 0 8 8 、8 0 8 6 和8 0 2 8 6 微型机。目前， 新的s t d 3 2 总线与原s t d 总线兼容，同时还适用于3 2 位c p u 系统。 i s a 总线一又称工业标准总线。美国毋m 公司1 9 8 2 年在其推出的m m p c x t 微机 上设计出m p c 总线，又称i o 通道，实质上是系统总线的延伸，是针对i n t e l8 0 8 8 c p u 设计的8 位系统总线。为了和i n t e l8 0 2 8 6 等1 6 位微处理器配合使用，将原来的m mp c 总线扩展为1 6 位的a t 总线，即i s a 总线。现在i s a 总线占有广大的数据通用微机市 场，也广泛用于工业控制领域。 e i s a 总线一当i n t e l 推出8 0 3 8 6 c p u 之后，微机系统内部结构产生了飞跃性的变化， 由1 6 位的数据总线扩展到3 2 位，c p u 的处理能力加大。但i s a 总线不能满足c p u 的 处理需求。为此，以c o m p a q 为首的9 家p c 兼容机厂商联合推出了3 2 位p c 机的系统 总线_ e i s a 总线( e x t e n d e di s a ) ，它是一种支持多处理器的高性能3 2 位系统总线，并 提供了成组传送，广泛应用在3 8 6 4 8 6 等3 2 位微机上。但成本高，主要应用在微机服务 器上。 6 7 】 8 9 】 3 2p c i 总线简介 3 2 1p c i 总线概述 随着计算机技术的发展，c p u 的处理速度越来越快。为适应c p u 的发展，各类系 统总线的标准一变再变。然而不但没跟上c p u 的发展速度，反而产生了混乱。不断新 出现的标准只是针对当时的问题头疼医头，没有时间跨度较长的解决方案，更不用说解 决未来五年中会出现的问题。针对这种情况，i n t e l 公司决定不再支持v e s av l 标准， 提出要用p c i 局部总路线技术特性作为p e n t i u m 微处理机等高性能微处理机连接技术标 大连理工大学硕士学位论文 准。1 9 9 2 年6 月2 2 日i n t e l 联合m 、c o m p a q 、a p p l e 等大公司推出p c i 技术规范 1 0 版。1 9 9 3 年4 月发布2 0 版，1 9 9 5 年发布2 1 版，1 9 9 9 年2 月发布最新的p c i 2 2 修 改版。经过1 0 多年发展，p c i 已成为事实上的局部总线的新标准。在p c 机及工控领域， i s a e i s a 等总线已逐渐被p c i 总线所代替。 1 0 1 1 1 t 】 p c i 的含义为周边器件互连( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 。p c i 总线支持 3 3 m h z 的时钟频率，其数据宽度为3 2 位，可以扩展到6 4 位。这就为大批量的数据传 送和高性能的磁盘输入提供了硬件技术支持。p c i 总线开放性好，具有广泛的兼容性， 是一种低成本、高效益、能与i s a 总线兼容的、代表未来发展趋势的局部总线。 p c i 总线有如下特征：【1 2 ( 1 ) 它拥有3 2 位和6 4 位两种数据通道； ( 2 ) 它拥有的最高操作时钟的速度为3 3 m h z ； ( 3 ) 它支持由p e n t i u m 微处理机通常采用的2 - 1 1 1 形式的成组数据传送方式： ( 4 ) 它支持总线主控方式，允许多处理机系统中的任何一个微处理机都可以成为总线 主控设备，对总线操作进行控制； 图3 1p c i 总线结构 f i g 3 1t h e s t r u c t u r eo fp c ib u s ( 5 ) 它还与i s a 、e i s a 、m c a 等多种总线兼容。由于p c i 总线在p e n t i u m 微处理机 与其他总线间架起了一座桥梁，它也支持像i s a 、e i s a 以及m c a 等这样的低速总 线操作。“桥梁”内的缓冲器是为微处理机写入数据用的，所以允许微处理机先将数 据写到缓冲器内，然后再去处理自己的事务。而低速的总线则是放下正在处理的任 务再到“桥梁”缓冲器去取信息。 ( 6 ) 也可以把p c i 局部总线看作是一个独立的处理器，它可以与任何一种微处理机 一起使用，不局限于8 0 x 8 6 。正是基于这种原因，许多大的计算机公司都宣布支持 p c i 总线。这样可确保8 0 x 8 6 系列机在更新换代时，也不会把p c i 局部总线抛弃。 13 基于p c i 总线的锯片变形检测系统 ( 7 ) 它支持5 v 和3 3 v 两种扩充插件卡。可以从5 v 向3 3 v 进行平滑的系统转换。 p c i 总线上装有一个很小的断路键，使用户在插卡时不会导致在系统主板上有不同 的电压电源。 ( 8 ) 它还提供了自动配置能力，用户可以安装一个新的添加卡，且不用设置d i p 开 关、跳线和选择的中断。配置软件会自动选择未被使用的地址和中断，以解决可能 出现的冲突问题。 ( 9 ) p c i 总线管脚引线，在信号的安排顺序上也是用心良苦，它在每两个信号之间都 安排了一个地线，以减少信号间的相互干扰以及音频信号的散射问题。 d o ) p c i 总线实现了触发级的中断，这种中断可支持中断共享。 0 1 ) p c i 总线能支持高达1 0 多个外围设备，而且其中的某些外围设备必须嵌入到系 统主板上。 当插入扩展槽内卡的数量最大时，p c i 总线工作频率在3 3 m h z 上不变化，这要 取决于工作电压是5 v 还是3 3 v 。当插入扩展槽的卡 的数量超过5 个时，其操作时钟频率会低于3 3 m h z 。 这样就极大地改善了小触点接插件的使用，使得p c i 总线成为一种高时钟频率总线。 3 2 2p c i 总线信号 p c i 总线插槽引脚如图3 2 所示。 1 0 1 1 1 2 】 在一个p c i 应用系统中，如果某设备可以取得p c i 总 线控制权，可以发起一个p c i 传送，就称其为“主设备”； 而不能获得p c i 总线控制权，不能主动发起p c i 传送的称 为“从设备”。如果是主设备，则对应接口信号至少为4 9 条。若为从设备，则至少需要4 7 条。 p c i 总线协议对所有信号类型规定如下： n ：表示标准的输入信号类型； 叫t ：表示标准的输出驱信号类型； t s ：表示一双向的三态输入输出信号类型； s t s ：表示一持续的并且低电平有效的三态信号类 型。在某一时刻该类型的信号只能属于一个主设备并被此 主设备驱动。这种类型信号从有效变为浮空( 高阻) 之前 必须保证使其具有至少一个时钟周期的高电平状态。另一 图3 2 p c i 插槽引脚图 f i g 3 2p c i s l o tp i n s 大连理工大学硕士学位论文 主设备想驱动该类型信号，至少要等到该类型信号的原有驱动者将其释放( 变为三态) 一个时钟周期之后才能开始。同时，如果此类信号处于持续的非驱动状态时，在有新的 主设备驱动它之前应采用上拉措施，并且该措施必须由中央资源提供。 o d ：表示漏极开路，以线或形式允许多个设备共同驱动和分享。 p c i 总线信号按功能分为七组，下面按组逐一介绍。 ( 1 ) 系统信号 c l k i n ：时钟信号，为所有p c i 交易包括总线仲裁提供时序基准。在时钟上升 沿采样p c i 设备的所有输入，所有p c i 时序参数都要根据它的上升沿来确定。2 x 版p c i 规范规定，所有p c i 设备必须支持在0 m h z 到3 3 m h z 范围的p c i 操作。 r s t # i n ：复位信号，用来使所有的p c i 配置寄存器、主从设备和输出驱动器重 置为初始状态。基本所有p c i 输出信号都必须是三态的( 有个别另外) 。 ( 2 ) 地址和数据信号 a d 3 t ：0 】t s ：地址和数据复用信号线。f r a m e # 有效时是地址周期，i r d y # 和 t r d y # 同时有效时是数据周期。p c i 总线支持突发传送，一个p c i 传输中包含一个地址 周期和一个或无限个数据周期。地址周期为一个时钟周期，该周期中a d 3 1 ：0 1 线上含有 一物理地址( 3 2 位) 。对于i o 操作，它是一个字节地址；对于存储器操作和配置操作， 则是双字地址。在数据周期，a d 7 ：0 为最低字节，a d 3 1 ：2 4 】为最高字节。当i r d y # 有 效时表示写数据稳定有效，而t r d y # 有效时表示读数据稳定有有效。 c b e 3 ：0 # t s ：总线命令和字节使能多路复用信号。在地址周期时，这四条信号 线上传输的是总线命令，定义了交易类型，见表3 1 所示；在数据周期时，它们传输的 是字节使能信号，用来表示在整个数据期内，a d 3 1 ：o 】上哪些字节为有效数据。 p a r t s ：奇偶校验信号。在地址段完成后一个时钟周期或在写交易i r d y # 有效 和读交易t r d y # 有效之后一个时钟周期，该奇偶校验信号被驱动，阻确保奇偶校验通 过了a d 3 1 ：o 和c b e # 3 ：1 。 ( 3 ) 接口控制信号 f 吣伍 fs 厂r s ：帧周期信号。由当前主设备驱动，表示一次访问的开始和持续 时间。该信号有效表示总线传输的开始，在其存在期间意味着数据传输继续进行。 f r a m e # 失效后，表示是传输的最后一个数据期。 i r d y # s t s ：主设备准备完成信号。该信号的有效表明发起