（测试计量技术及仪器专业论文）关节臂式坐标测量机数据采集系统的研究.pdf

摘要 本文的研究对象是以单片机和c p l d 为核心的关节臂式柔性三坐标测量机数 据采集系统。测量机采用高精度的角度传感器测量各个关节的旋转角度，再根据 杆件长度，通过系统模型方程得出测头的中心坐标，具有结构简单、量程大、体 积小、价格低廉、安装方便、易于操作、可在线使用、便于携带等优点。 数据采集系统主要对硬件和软件进行了分析和设计，并在最后经过实验验证 了设计的正确性。在充分分析了传统关节臂数据采集系统的缺点后，提出了精度 更高、成本更低的数据采集系统；可编程逻辑器件( c p l d ) 与单片机的结合，使 得系统更具柔性化；c 语言与v e r i l o gh d l 语言的结合使得系统调试灵活，方便 整个系统的功能扩展。实验证明，本系统能够准确完成测量机的数据采集任务。 本论文研究的课题是国家自然科学基金项目，项目编号是5 0 4 7 5 1 1 6 ，主要 工作包括以下几个方面： l 、参照了国内外的设计，根据测量机整体要求，确定了数据采集系统的整体方 案； 2 、为了满足系统的速度、精度及可靠性要求，选取a v r 单片机和c p l d 作为硬 件核心，对整个数据采集系统的硬件进行了设计； 3 、绘制数据采集系统p c b 板，并对焊接后的电路进行了调试，经过两次改版， 顺利完成了系统要求的调试任务； 4 、在q u a r t u s 环境下，采用v e r i l o gh d l 语言对c p l d 编程，实现了信号的差分 处理、4 细分、辨向、可逆计数、锁存等功能； 5 、在i c ca v r 环境下，对a v r 单片机编程，实现了各电路板间的多机通信、 读取并发送c p l d 数据、实时显示等功能； 6 、在实验室仿真条件下，利用c p l d 模拟的a 、b 、z 信号，对计数的准确性、 同步锁存性、辨向可逆计数进行了验证，实验证明，系统可以达到设计的要 求； 7 、在现场环境下对底部关节进行了实验，验证了系统计数的准确性、同步锁存 性和辨向可逆计数，并对对径读数的必要性进行了验证。 关键词：关节臂，坐标测量机，同步锁存，对径读数，实时显示，数据采集 a b s t r a c t t h es t u d yo b j e c to ft h i s p a p e ri st h ea r t i c u l a t e da lm c m m sd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m m c ua n dc p l da r eu s e da st h ec o r eo ft h i ss y s t e m h i g h p r e c i s i o na n g l e s e n s o r sa r eu s e dt om e a s u r et h er o t a t i o na n g l ei ne a c hj o i n t t h ep o l e s l e n g t ha r e f i x e d t h ec e n t e rc o o r d i n a t e so ft h ep r o b ec a nb eg o t t e na c c o r d i n gt ot h es y s t e m m o d e le q u a t i o n s t h em a c h i n ee a r n st h ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l a r g e s c a l e ，s m a l ls i z e ，l o wc o s t ，e a s yf o ri n s t a l l a t i o n ，e a s yf o ro p e r a t i o n ，a v a i l a b l eo n l i n e u s i n g ，e a s yf o rc a r r y i n ga n ds oo n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r em a i n l ya n a l y z e d a n dd e s i g n e d t h ec o r r e c t n e s so ft h es y s t e mi sv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n ti nt h el a s t p a r to f t h i sp a p e r i naf u l la n a l y s i so fs h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a la r t i c u l a t e da r m s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h eh i g h e rp r e c i s i o n ，l o w e rc o s td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r e p r o p o s e d ；t h es y s t e mb e c o m e sm o r ef l e x i b l eb e c a u s eo ft h ec o m b i n a t i o no ft h e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) a n dt h es i n g l e c h i pm c u ；t h es y s t e m d e b u g g i n gb e c o m e sm o r ef l e x i b l ea st h ec o m b i n a t i o no fcl a n g u a g ea n dv e r i l o g h d l l a n g u a g e ，w h i c hf a c i l i t a t e st h ee x p a n s i o no ft h ee n t i r es y s t e m a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t s ，t h ed a t ac o l l e c t i o nt a s kc a nb ec o m p l e t e da c c u r a t e l y t h es t u d yo ft h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t ， t h ep r o j e c tn u m b e ri s5 0 4 7 5116 t h em a i nw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ，a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lr e q u i r e m e n t so ft h em e a s u r i n gm a c h i n e ，w i t hr e f e r e n c et o t h ed e s i g na th o m ea n da b r o a d ，t h eo v e r a l lp r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a s d e t e r m i n e d ； 2 ，i no r d e rt om e e tt h es y s t e m sr e q u i r e m e n t so fs p e e d ，a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y , a v r m c ua n dc p l dw e r es e l e c t e da st h eh a r d w a r ec o r et od e s i g nt h eh a r d w a r ep a r to ft h e e n t i r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ； 3 ，t h ep c bb o a r do ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd r a w na n dt h ew e l d e dc i r c u i t w a sd e b u g g e dt o o t h ed e b u g g i n gt a s k so ft h es y s t e mw e r ec o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y a r e rt w or e v i s i o n ； 4 ，v e r i l o gh d ll a n g u a g ew a su s e dt op r o g r a mc p l di nt h eq u a r t u se n v i r o n m e n t ， w h i c hr e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fd i f f e r e n t i a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，4s u b d i v i s i o n ， d i s c e r n i n gd i r e c t i o n 。r e v e r s i b l ec o u n t i n g ，p a i r - r a d i u sr e a d i n g ，d a t al a t c h e se t c ； 5 ，p r o g r a m m i n ga v rm c ui nt h ei c ca v re n v i r o n m e n tc o m p l e t e dt h ef u n c t i o n so f m u l t i m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h ev a r i o u s c i r c u i tb o a r d s ，r e a d i n ga n d s e n d i n gc p l d sd a t a ，r e a l t i m ed i s p l a y i n ga n ds oo n ； 6 ，i nt h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ea ，b ，zs i g n a l s ，g e n e r a t e df r o mc p l d w e 陀u 8 e dt ov e r i f yt h ec o u n t i n ga c c u r a c y , s y n c h r o n o u sl a t c h ，r e v e r s i b l e c o u n t i n g t h e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n 7 ，t h ea c c u r a c yo fc o u n t i n g ，s y n c h r o n i z a t i o nl a t c h e sa n dr e v e r s i b l e c o u n t e rw e r e v e r i f i e dd u r i n gt h eb o t t o mj o i n te x p e r i m e n ta tt h es c e n e a tt h es a m et i m e t h e n e c e s s i t yo f t h ep a i r - r a d i u sr e a d i n gw a sv e r i f i e dt o o k e yw o r d s ：a r t i c u l a t e da i m ，c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ，s y n c h r o n o u sl a t c h p a i r - r a d i u sr e a d i n g ，r e a l - t i m ed i s p l a y ，d a t aa c q u i s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谓 之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作者繇浚讯签字嗍哆年乡月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：法l 专 签字日期： d9 年么月 f 季 日 导师签名： 玄7 攒 签字日期： 叼年多月争日 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 关节臂式坐标测量机是一种新型的非正交式坐标测量机”i 。它以角度基准取 代长度基准，将若干杆件和一个测头通过旋转关节串联连接，一端固定，另一端 ( 测头) 在空间自由运动构成一个球形测量空间。与正交式坐标测量机相比， 关节臂式坐标测量机具有结构简单、体积小、量程大、便于现场使用等优点。 1 1 1 关节臂式坐标测量机国外发展概述 1 9 8 6 年日本小阪研究所研制出关节臂式坐标测量机，如图i 一1 所示，采用两 关节结构，其坐标重复精度00 5 m m ，空间坐标测量精度ol m m ，臂长分别为 1 2 5 0 m m g l1 5 5 0 r a m ，重量】8 - 9 5 k g i ”。 圈】小阪研究所关节臂式坐标测量机 1 9 9 6 年德m 学者w l o t z e 提出了双关节s 眦n mx 型坐标测量机鸭如图i - 2 所示，是一种为在车间环境下工作而设计的手动测量机，具有扫描测量、数据评 定与误差修正等功能的计算机系统，它与s c a r a 机器人的原理类似，是基于非 正交坐标系统，具有z 向的线位移导轨和标尺，为了实现在x y 平面上进行测量而 第一章绪论 设置了两个精密关节与角度盘，在其自由端装有三维模拟铡头和力传感器，由于 整个结构的质量轻，惯性力可以忽略，因此能快速地对工件进行扫描铡量。 图i2s c 锄m a x 型测量机结构筒圈 目前，国外在关节臂式坐标测量机这一领域已经取得了非常瞩目的成就。自 从j 9 8 6 年推出第一台关节臂式坐标测量机，c i m c o r e 公司成为便携式关节臂测量 机的创始人，专门为需要在车间或实验室环境下进行检测、测量和逆向工程的企 业设计、开发和推广便携式测量机”j 。目前，该公司的制造机构位于法国和美国， 并专长于在全球范围内提供技术先进、功能优异、质量稳定的关节臂式坐标测量 机。如图1 3 所示为i n f i n i t e 配备了集成w i f i 80 21 i b 无线通讯技术以及锂电池 的i n f i n i t e 关节臂式坐标测量机，无论在现场还是在车间都可提供无限的便携 性。其它特征还包括：获得专利的主轴无限旋转技术、先进的碳纤维材料、全新 设计的集成式灵巧平衡机构、集成式u s b 数字相机和测头的自动识别等功能 表i 一1 和表卜2 分别列出c i m c o r e 公司的两大系列产品特性参数。 图1 - 3i n f i n i t e 系列涮量机 第一章绪论 表1 1i n f i n i t e 系列柔性三坐标测量机及其精度 表1 - 2s t i n g e r1 1 t m 系列柔性三坐标测量机及其精度 1 9 8 2 年f a r o 公司成立于加拿大蒙特利尔市，早期从事基于关节臂式坐标测 量技术的医疗产品研发、销售，目前已广泛应用在航空航天、机械、汽车车身测 量及逆向工程等领域口 。f a r o 测量臂采用航空标准级复合碳素材料制造，具有 重量轻、高硬度和抗弯曲性等特点；专利内置式平衡机构保证测量机操作应用自 如，测量空间内任意位置无死角主轴可以无限制旋转，其中铂金系列单点精度 最高可达00 0 5 m m ，空间长度精度可达o0 1 8 r a m ，图1 _ 4 是型号p l a t i n u m4 础自产 品图，表1 3 给出了p l a t i n u m 系列各个型号的特性参数。 圈1 4 型号p l a f i n m4 n 的产品圈 第一章绪论 表1 3f a r op l a t i n u m 关节臂式坐标测量机及其精度 型号 重复性 重复性长度 f a r o a r m ( 测量范围)球测试( 1 a m l 锥测试( r t m )精度( 岬) 重量( k g ) 6 轴或7 轴 6 轴 7 轴6 轴7 轴6 轴7 轴6 轴7 轴 p l a t i n u m1 2 m5 171 31 8 1 8 2 59 19 3 p l a t i n u m1 8 ml o1 32 0 2 6 2 9 3 7 9 39 3 p l a t i n u m2 4 m1 92 42 5 3 03 64 3 9 59 7 5 p l a t i n u m3 0 m3 84 64 35 2 6 1 7 39 7 59 9 8 p l a t i n u m3 7 m 5 36 46 l 7 3 8 61 0 39 9 81 0 2 1 另外，意大利c o o r d 3 公司、德国z e i s s 公司等均研制了多种型号的的关节 臂式坐标测量机，用于各种规则和不规则的小型零件、箱体和汽车车身、飞机机 翼机身等检测和逆向工程中，并已显示了其强大的生命力。2 0 0 4 年美国国家标 准委员会制定了关节臂式坐标测量机测试标准( m e t h o d sf o rp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no f a r t i c u l a t e da r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ) ，对测量机的精度评 定指标进行了相关规定1 6 l 。 1 1 2 关节臂式坐标测量机国内发展概述 国内最早从事关节臂式坐标测量机研究的是1 9 9 9 年哈尔滨工业大学的车仁 生教授，叶东博士等人1 7 ，他们依托于航天科技集团四院四十四所立项课题主要 做了机械结构、数据采集和标定技术等方面的研究并研制了样机，但是没有给出 具体的精度数据，后来一直没有见到有后续的研究成果的发表。华中科技大学的 李德华等人依托8 6 3 项目( 8 6 3 3 0 6 0 4 0 6 3 9 8 ) 和国家自然科学基金项目( 6 9 7 7 5 0 2 2 ) 对坐标测量机的数学模型和参数标定做了相应研列引。合肥工业大学费业泰等 人在台湾省科学委员会专题研究计划资助项目州s c 9 3 0 2 2 1 2 0 e 0 2 6 9 0 0 15 ) 的资 助下主要对坐标测量机的数学模型和参数标定做了一些研刭9 l ，虽然有杂志对其 样机进行了报导，但是直到现在还未见产品。天津大学在国家自然科学基金( 项 目编号是5 0 4 7 5 1 1 6 ) 的资助下，通过与北京航空精密机械研究所合作，在机械、 电路和标定方面都有很大的进展，图1 5 是关节臂测量机实物图。 4 第一章绪论 图1 5 天津大学关节臂式坐标测量机 1 2 课题的提出及研究意义 坐标测量技术是制造工程学科的共性关键技术，是逆向工程、虚拟制造中产 品原型数据获取和物理模拟实验研究不可或缺的技术工具。它将一切尺寸、形状、 位置等几何量都归结为坐标测量利用软件求特征参数，然后进行评定，使它有 较强的通用性。关节臂式坐标测量机作为一种高教的精密测量仪器，是先进制造 技术的重要组成部分。它测量范围大、精度高，易与桑性制造系统和计算机集成 制造系统相连接，因而它在机械制造、电子、汽车和航空航天等工业领域有极广 泛的应用。 虽然最近国内有研发的同类产品，但都无法和国外厂家形成竞争，所以目前 国内市场上的关节臂式坐标测量机的价格都非常高。加快关节臂式柔性三坐标测 量机的研究，对于填补国内此类产品的空白，节约仪器进口费用和发展新型的柔 性坐标测量机都有十分重要的意义。关节臂式三坐标测量机的工作原理是将光栅 角度计数值与定长的关节臂结合，按照标定的数学模型转换为铡头中心的坐标 值。由于测量机的整体精度是微米级，因此对于包括数据采集系统在内的各个部 分必须要有更高的精度。只有高精度、稳定的数据采集系统才可以得到后续的精 确坐标值，所以设计一个可靠、高精度、低成本的数据采集系统迫在眉睫。 -宣冀ii 第一章绪论 1 3 课题的主要工作 ( 1 ) 综合分析了系统要求，以单片机和c p l d 相互配合为基础设计了柔性数据采 集系统 ( 2 ) 完成了数据采集硬件电路设计及调试，其中包括数据采集系统的功能模块设 计、电源模块设计等 ( 3 ) 在硬件调试成功的基础上完成了数据采集软件设计及调试，包括c p l d 对信 号的差分处理、4 细分、辨向、可逆计数、锁存等功能，单片机部分实现各电路 板间的多机通信、读取并发送c p l d 数据等功能 ( 4 ) 上位机软件采用l a b v i e w ，实现控制下位机、实时显示采集的角度数据、 完成系统的建模和系统的误差补偿建模、处理零位信号等功能 第二章数据采集系统的基本原理 第二章数据采集系统的基本原理 2 1 关节臂式测量机测量的基本原理及结构 关节臂式测量机通常采用6 关节机械结构，其优点是转动灵活、测量空间内 测量死角较小。但经过m a t l a b 打点法可以看出，5 关节结构其测量范围和空间形 状都与6 关节结构非常相似，只是6 关节测头在空间同一位置点处具有更多姿态 i i o 1 l l 】。本着节省成本、提高精度、减少重量、最优化原则，我们选择了5 关节 结构来实现。本测量机由三根刚性臂、5 个活动关节和一个接触测头组成，如图 2 1 所示。三根臂相互连接，其中一根为固定臂，它安装在任意稳定基座上支撑 测量机的所有部件，另外两臂为活动臂可在空间任意位置旋转，以适应测量需要， 其中一活动臂为中间臂，主要起连接作用，另外一根为末端臂，并在尾端安装测 头。第一根支撑臂与第二根中间臂之间、第二根中间臂与第三根末端臂之间、第 三根末端臂与测头之间均为关节式连接，可做空间回转，而在每个活动关节处都 装有相互垂直的、测量回转角的一对圆光栅测角传感器，可测量各个臂和测头在 空间的位置。关节的回转中心和相应的活动臂构成一个极坐标系统，回转角即极 角由圆光栅传感器测量，而活动臂两端关节回转中心的距离为极坐标的极径长 度。可见，该测量系统是由三个串联的极坐标系统组成，当测头与被测工件接触 时，数据采集系统采集角度信号并传给p c 机。p c 机再根据所建立的数学模型进 行坐标变换，计算出被测点的空间三维直角坐标。 图2 1 关节臂式测量机结构图 圆光栅3 圆光栅4 测头板 圆光栅5 第二章数据采集系统的基本原理 本关节臂式测量机的数学模型是采用改进的d h 参数而建立，这种方法可以 减少以后的误差标定工作。我们采用的结构是如图2 2 所示的五关节坐标测量机 关节配置。与六关节坐标测量机相比，少了一个水平角运动的关节，测头杆及各 关节臂长度分别为b 7 、b 5 和b 3 ，各相邻关节轴线夹角分别为仅2 = 9 0 。，a 3 = 0 0 ， 锄= - 9 0 。，a s = 9 0 。其测量空间表达式如式( 2 1 ) 所示。 瞒) 图2 2 五关节结构配置图 f z ( 岛，岛，b ，e 4 ，0 5 ) = ( 媚c 只c ( 岛+ 只) 一s o , s e 4 ) ( 口。c 绣一，5s 以) i+ ( c q s ( 岛+ e o ( a 6 s e , + 毛c 包) 一【c e , s e c ( e 2 一岛) 一s 研c 幺】玩 i+ a , c e , c 幺c ( 哩+ 0 3 ) 一日5 s 鼠s 幺一媚1 4 s ( e 2 + 岛) + c e , ( a 2 一厶s 岛) jj ，( 舅，岛，岛，幺，岛) = ( s 日c 包c ( 幺+ 岛) + 以s 幺) ( 吒c 绣一s 只)r 2 】、 i+ o b s ( 岛+ 岛) ( 口岛+ t c e , ) 一【s q s 即( 睦一0 3 ) 一c qc 幺】6 6 l+ 口5 s qc 幺c ( 岛+ 0 3 ) + a , c e , s a 一s 岛5 ( 晚十岛) + s q ( 啦一毛s 岛) z ( q ，0 2 ，岛，幺，岛) = s ( 岛+ 岛) 【咀( 口6 c 岛一f 5 s 色) + ( 口5 c 幺一6 6 s 只) 】 【 一c ( 岛+ 岛) ( 口6 s o , + l s c 0 5 一) + 毛c 色 其中( x ，y ，z ) 表示测头点p 的空间三维坐标值，汐，秒2 ，矽3 ，矽彳，8 5 分别表示关节 l ，2 ，3 ，4 ，5 绕图示方向的转角；胡表示c o s o ，s o 表示s i n 0 ，b 3 ，b 5 和b 7 分别表示 两臂和测头的长度值，都是固定值；系统要完成的任务就是将8 ，8 2 ，矽3 ， 8 彳，矽5 的数据采集出来，最终计算出测头的空间三维坐标值。 第二章数据采集系统的基本原理 2 2 一般测量机的数据采集原理 传统的关节臂式坐标测量机采用的是一体式的数据采集结构，即将所有的角 度数值传送给一块主板处理，如图2 3 所示，处理过的数据通过r s 2 3 2 接口传送 给上位机以实现系统模型方程、误差补偿。这样做的方法有严重的缺点，第一点 是增加了数据的出错概率，因为各个编码器或读数头的数据要经过很长的距离传 输到处理主板，另外还要经过滑环的传输，长距离导致信号减弱，干扰增加，滑 环不断的摩擦也增加了数据的干扰，特别是对于脉冲信号；第二点是增加了机械 设计的难度，因为信号线非常多，必须选用多线、大滑环的传输，这就增加了机 械的体积，机械体积的增加势必影响关节臂的精度及成本1 12 | 。 信号1 信号2 信号n 1 信号n 滑环 ，厂、! 串口 ；1)二处理器 一 l 上位机 魁 【 1r 一u 7 图2 3 传统关节臂坐标测量机数据采集结构 2 3 本关节臂式测量机的数据采集原理 数据采集系统的结构如图2 1 和2 - 4 所示。系统由三块电路板组成，底座电 路板( 以下简称底座板) 位于臂1 内、中间电路板( 以下简称中间板) 位于臂2 内、 测头电路板( 以下简称测头板) 位于臂3 内，采用r s 4 8 5 总线连接这三块板，经 过各板的数据采集和处理，将数据汇总于底座板，最后通过u s b 接口传给上位机。 传感器采用m i c r o e 公司1 8 0 0 系列的圆光栅i l3 】和读数头，可以实现信号的数字输 出，5 个圆光栅分别位于5 个关节内部，为减小圆光栅的安装偏心带来的误差， 每个圆光栅在对径位置上安装两个读数头。1 0 个读数头中4 个分配于测头板、4 个分配于中间板、2 个分配于底座板。当测头触发信号到来时，各个板同时锁存 各自的读数头数据，然后由底座板单片机协调各电路板读取各自的c p l d 信号， 最后将各关节的数据汇总于底座板单片机，并通过u s b 口传输到上位机。其中 c p l d 完成光栅信号的锁存、4 细分、辨向、可逆计数，单片机和c p l d 之间采用 并行总线相连，方便对c p l d 进行数据读取和控制。各个板的单片机采用多机通 信，底座板单片机为主机，其它两个单片机为从机。另外底座板单片机还负责和 上位机进行通信，实现上位机控制整个系统。 9 测头触 发信号 第二章数据采集系统的基本原理 测头板l 叫中间板 2 4 本章小结 r s 4 8 5 总线 底座板k 二二 | 上位机 图2 4 关节臂式测量机数据采集系统内部框图 推导了关节臂测量机的模型公式，分析了一般测量机的数据采集原理。通过 改进一般测量机数据采集系统，得出了本测量机数据采集的原理。数据采集系统 以c p l d 和a v r 单片机为核心，r s 4 8 5 为通信总线，可以实现快速而准确的数 据采集。 读数头m 第三章数据采集系统的硬件设计 3 1 芯片选型 第三章数据采集系统的硬件设计 本着高精度、低成本、容易开发的目的，系统采用a t m e g a 公司的a v r 单片机 完成控制和通信功能，采用a l t e r a 公司i 拘i c p l d 完成信号的处理，采用r s 4 8 5 1 4 1 总 线和u a r t 转u s b 芯片完成底层与底层的通信、底层与上位机的通信。 3 1 1 单片机选型 本系统采用高速a v r 单片机，与其它单片机相比其具有高速、大内存、易开 发的优点。接口处理板的控制核心采用单片机实现，单片机有8 位、1 6 位及3 2 位几种，由于电路板体积大小的限制及实现功能简单，而且数据量也不大，所以 8 位单片机可完全实现系统所需功能，51 系列单片机是8 位中的经典之作，在测 量、控制等领域应用很广，但由于内部基本结构的限制，导致其存在固有的缺点， 如i o 口的驱动能力不强、外部时钟内部1 2 分频及单累加器a 对性能的限制等， 这些缺点限制了5 1 系列单片机在一些行业的应用；5 1 系列单片机是c i s c ( 复杂 指令集) 指令集，这样各个指令的复杂度就不一样，如有单机器周期指令，也有 双周期指令等，虽然给程序的编写提供了一定的灵活性，但不仅使程序的时间性 能预测性差，而且导致程序结构复杂；而r i s c ( 精简指令集) 指令集具有指令 长度单一、程序结构简单、时间性能好等优点，在近年获得广泛的应用。a v r 系列单片机【1 5 】【1 6 】【1 7 】是1 9 9 7 年a t m e l 公司为充分发挥其f l a s h 的技术优势，而推 出的全新配置的r i s c 单片机，片内i s pf l a s h 允许程序存储器通过i s p 串行接口， 或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于a v r 内核之中的引导程序进行编 程，引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用f l a s h 存储区( a p p l i c a t i o n f l a s hm e m o r y ) ，在更新应用f l a s h 存储区时引导f l a s h 区( b o o tf l a s hm e m o r y ) 的程 序继续运行，实现t r w w ( r e a d w h i l e w r i t e ) 操作，而且价钱低廉，为许多嵌入 式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。a v r 单片机具有三个大系列： a t t i n y 系列、a t 9 0 s 系列及a t m e g a 系列，分别对应低、中、高档产品应用；a v r 系列单片机普遍具有i o 口驱动能力强、内部精密晶振、资源丰富等优点，本文 依据具体功能需求，选用a t m e g a l 6 和a t m e g a 6 4 单片机，它们的差别只在程序 存储的空间不同，所以下面以a t m e g a l 6 做介绍。 第三章数据采集系统的硬件设计 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a l 6 的数据吞吐 率高达lm i p s m h z ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，其内核 具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与a l u ( 算术 逻辑单元) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄 存器，这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至 1 0 倍的数据吞吐率。 a t m e g a l 6 单片机内部资源丰富，1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时 读写的能力，即r w w ) ；l k 字节e e p r o m ，具有擦除1 0 0 0 0 次的能力；2 k 字 节s r a m ：3 2 个通用i o 口线，各个i o 口带有内部1 0 k 上拉电阻，电流驱动 能力达到2 0 m a ；用于边界扫描的j t a g 接口，支持片内调试与编程；三个具有 比较模式的灵活的定时器计数器( t c ) ；中断资源达到1 5 个，外部中断源2 个， 使用非常灵活；可编程串行u s a r t ；8 路1 0 位具有可选差分输入级可编程增益 的a d c ；具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；内部带有已精密调整的r c 振荡器，最高8 m h z ，精度达到1 ；同时，a t m e g a l 6 具有六个可以通过软件 进行选择的省电模式，如空闲模式、掉电模式、省电模式、a d c 噪声抑制模式、 s t a n d b y 模式、扩展s t a n d b y 模式。 虽然a t m e g a l 6 能完成上述的功能，但底座板要完成的任务较多，需要由较 大的程序存储空间来存储程序。所以本系统对于底座板采用的是双u a r t 口和 程序存储空间是6 4 k 的a t m e g a 6 4 单片机，中间板和测头板都采用程序存储空间 是1 6 k 的a t m e g a l 6 单片机。 3 1 2 复杂可编程逻辑器件选型 日前，a l t e r a 公司宣布扩展m a xi i 1 8 】【1 9 】器件系列，以满足不断发展的便携式 应用需求。m a x1 1 器件采用新的超小外形封装和新型关断功能，是一种低成本 器件，手持式应用设计人员使用该器件后，成本和功耗仅是竞争产品的一半。 a l t e r am a xi ic p l d 满足了点对多点( p m p ) 系统、条形码扫描器、p d a 和手持式 传感器等便携式系统设计人员对小外形封装和低功耗功能的要求。 根据系统要求，选用的c p l d 型号为e p m 2 4 0 t 1 0 0 和e p m 5 7 0 t 1 0 0 ，两种芯 片除了逻辑单元的数量不同外，其余的都相同。根据处理的信号量不同选择不同 芯片。底座板处理的是两个读数头的信号，所以选择逻辑单元为2 4 0 个的 e p m 2 4 0 t 1 0 0 芯片。中间板和测头板都分别处理4 个读数头的信号，所以选择逻 辑单元为5 7 0 个的e p m 5 7 0 t 1 0 0 芯片。c p l d 在各板中实现的都是滤波、4 细分、 辨向、可逆计数、锁存等功能。 第三章数据采集系统的硬件设计 3 1 3 总线选型 在小规模系统中，内部控制总线应用一般有c a n l 2 0 、r s 4 8 5 总线两种选择， c a n 总线称为控制器局部网( c a n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线，是 b o s c h 公司为现代汽车应用领域推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现 已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、医疗仪器及环境控制等众多领域，此 种控制总线是控制系统为适应分散式需要而发展起来的。目前c a n 2 0 可达到 1 m b p s 数据率，数据协议采用数据帧、位填充格式，在帧报文中加入了c r c 检查、 帧检查及总线检查等功能，所以数据协议较复杂，实现难度较大，其最大的特点 就是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，这样使网络上 的节点数理论上不受限制。r s 4 8 5 总线是在r s 2 3 2 总线基础发展起来的，r s 2 3 2 总线传输距离近，而且抗干扰较差，所以应用范围有限，而r s 4 8 5 采用平衡发送 和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检 测低达2 0 0 m y 的电压，故传输信号能在千米以外得到回复，在1 2 0 0 b p s 传输速率 下，传输距离可达到10 0 0 m 左右，使用r s 4 8 5 总线，一对双绞线就能实现多站联 网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到 了广泛的应用，而且技术较简单、易于实现。由采集系统的数据传输率可知， r s 4 8 5 总线的传输速度足够满足系统需要，而且采集电路板放置在关节臂内，所 以体积受到很大的限制，故本系统内部总线采用r s 4 8 5 结构，由一个主采集板控 制总线，另两个从采集板响应总线的请求。 上面论述的是底层通信的方式，系统的底层与上层通信方式是r s 2 3 2 总线。 实现的方法有两种，一种是基于r s 4 8 5 基础上的r s 4 8 5 转r s 2 3 2 通信，另一种 是基于u a r t 的u a r t 转r s 2 3 2 通信。第一种方法是用m a x 4 8 5 芯片将u a r t 电平转换成m a x 4 8 5 电平，然后通过一个m a x 4 8 5 转r s 2 3 2 的转接模块实现与 上位机的通信。现在的上位机基本都采用笔记本来提高整个测量机的便携性，上 位机基本没有r s 2 3 2 的接口，最多的接口还是u s b 接口。所以第二种方法就是 采用u s b 接口与下位机通信。真正的u s b 技术开发比较复杂，所以本系统选择 了u s b 转u a r t 芯片c p 2 1 0 2 ，将u s b 口模拟为一个虚拟的串口，也就是为计 算机增加了一个串口，这样就可以像使用串口一样使用u s b 口。 3 2 电源模块设计 电源作为每个电路处理系统的保障部分，其重要性也是无可厚非的，关节臂 式坐标测量机电源尤为重要。本系统包括两部分的电源设计，变压电源设计和便 第三章数据采集系统的硬件设计 携式电源设计。变压电源设计主要是将民用电源电压转换为各板所需的电源电 压，通常这种设计是为测量机在离民用电源较近距离时使用。便携式电源主要是 参照f a r o 公司的电源标准和我国的国家标准设计。 首先分析整个系统的功耗，根据选取的硬件得出各板的功耗，如表3 1 、3 2 、 3 - 3 所示，m e g a 表示a t m e g a ，e p m 表示e p m ，o s c 表示晶振。 表3 1 测头板总功率损耗 l 芯片 m e g a l 6e p m 5 7 0 m a x 4 8 5o s cl m l l1 7 5 0l m l l1 7 3 0 读数头 i 功耗 1 m al m a1 m al m a1 m al m a1 0 0 m a 4 表3 2 中间板总功率损耗 l 芯片 m e g a l 6e p m 5 7 0 m a x 4 8 5o s cl m l l1 7 5 0l m l l l 7 3 0 读数头 l 功耗 1 m a l m a l m a l m ah n a1 m a1 0 0 m a x 4 表3 3 底座板总功率损耗 l m l l ll m l ll 芯片 m e g a 6 4e p m 2 4 0 m a x 4 8 5 o s c c p 2 1 0 2 读数头 7 5 07 3 0 功耗l m al m al m a 21 m al m a1 m al m a1 0 0 m a 2 通过上面三表所示，5 v 输入的情况下，测头板和中间板总功耗都为4 10 m a ， 底座板总功耗为2 1 0 m a 。考虑到l m l l l 7 的输出电流为8 0 0 1 2 0 0 m a ，典型值为 1 0 0 0 m a ，所以每个板上有一个l m l1 1 7 5 0 即可，而总功耗为9 3 0 m a ，所以应 选择2 5 a 以上的电源。 通过上面的分析可得出，本测量机电池的基本参数为【2 1 ，2 2 1 。 表3 4 电池基本参数设计 电压额定输出电流最大输出电流容量 1 2 v1 2 a2 5 a 5 0 0 0 m a h 变压电源系统分配框图如图3 1 的a 所示，电池电源分配框图如图3 1 的b 所示。 1 4 第三章数据采集系统的硬件设计 读数头1 、2 3 3 信号源模块设计 读数头1 、2 图3 1 关节臂式测量机电源系统分配图 以往的关节臂式坐标测量机采用的是单读数头或单编码器，对于安装造成的 偏心误差将是束手无策。本系统采用m i c r o e 公司的圆光栅片和读数头，其具有细 分数量大，误差小的优点【1 3 】。本系统在选择传感器时不仅要求其精度高，而且要 求其角度测量性能稳定可靠，在保证上面两条后，为了最大程度上减少整个仪器 的体积和重量需尽量选用体积较小的角度传感器，因为角度传感器体积加大，则 必然导致各个关节部位的体积和重量增加，而各个关节部件是金属的，它们的重 量在仪器中所占比例很高，这样一来，仪器的重量，特别是测量臂必然也会增大。 表3 - 5 是m i c r o e 公司生产的各种尺寸角度传感器，随着传感器直径尺寸变大，其 传感器的分辨率精度越好，在4 0 0 细分的情