（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的智能高度测试系统.pdf

硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 摘要 殍2 5 6 9 8 本文详细叙述了基于虚拟仪器的智能高度测试系统的设计。其中着重叙 述了系统设计要求和设计方案、光栅尺传感器的工作原理、光栅莫尔条纹信 号的辨向和数字细分技术、系统硬件电路设计和系统软件设计。最后对系统 误差分析和所采取的抗于扰技术也进行了介绍。系统基本上满足了所提出的 设计要求，分辨率达到l u r e ，并可以实现对高度数据的采集、显示、掉电保 护和存储等功能。 ，v 关键词：光栅尺莫尔条纹辨向数字细分虚拟仪器 硕十论文 基于虚拟仪器的智能高度测试系统 a b s t r a c t t h ed e s i g no f i n t e l l i g e n th e i g h tm e a s u r i n gs y s t e mo nv i r t u a li n s t r u m e n ti s d e s c r i b e di nd e t a i li nt h ep a p e r a n dt h ep a p e rf o c u s e so nt h es y s t e m d e s i g n r e q u i r e m e n t sa n ds c h e m e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eo p t i c a lg r a t i n gr u l e r ，t h e s e n s e f i n d i n ga n dd i g i t a l s u b d i v i s i o nt e c h n o l o g yf o rt h eg r a t i n gm o i r 6f r i n g e s i g n a l ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m i na d d i t i o nt ot h a t ， t h ea n a l y s i so nt h es y s t e me r r o ra n ds o m ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n t st a k e n b yt h es y s t e m a r ea l s o p r e s e n t e d t h es y s t e md e s i g n e db a s i c a l l ys a t i s f i e st h e s y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h er e s o l u t i o no ft h es y s t e mi sl u m a n dt h e s y s t e mc a nf u l f i l lt h ed a t aa c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , p o w e r o f fp r o t e c t i o na n ds t o r a g e o ft h eh e i g h t k e y w o r d s ： o p t i c a lg r a t i n gr u l e r , m o i r 6f r i n g e ，s e n s e f i n d i n g ，d i g i t a l s u b d i v i s i o n v i r t u a li n s t r u m e n t 2 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 1 引言 1 1 课题研究背景和国内外研究现状 落锤式动态压力发生器【1 9 】 2 0 1 是对测压传感器( 系统) 实施准静态和准动 态标定的一种重要设备，在国防科研、生产等涉及动态高压测量的领域获得 了广泛的应用。其原理为重锤从一定的高度自由下落，打击液压缸上的活塞， 使液压缸产生一个受控的半正弦压力脉冲，用以对测压传感器( 系统) 进行 准静态和准动态标定。标定时，被校传感器和标准测压传感器安装在液压缸 的同等位置，标准测压传感器系统测量半正弦压力脉冲的压力峰值，作为标 定的标准压力，实现对被校传感器的量值传递。 落锤式动态压力发生器所产生的半正弦压力脉冲的峰值及脉宽与落锤 的质量、落锤的下落高度、油缸的初始容积以及活塞的工作面积等参数有关。 在标定过程中经常需要通过调整落锤的下落高度来获得理想的压力，因此要 求对落锤的高度进行有效的控制。本课题基于虚拟仪器的智能高度测试系统 正是在这样的背景下应运而生。该系统能够对落锤的高度进行实时检测，并 且通过通讯网络与压力发生器的控制系统形成一个闭环系统，从而产生所需 要的标定压力。 在压力发生器中，落锤的下落高度是通过落锤定位机构相对一个基准点 的位移来实现的。在各种位移测量方法中，光栅式测量由于具有以下优点而 作为本系统的首选： 高精度。由于光栅刻划技术及电子细分技术的进展，以及莫尔条纹对光栅 栅距局部误差具有消差的特性，因此光栅式测量原理与其它测量原理相比 较，测量精度较高。 兼有高分辨率、大量程的特性。这对于一般的测量仪器是无法比拟的。 可实现动态测量、自动测量及数字显示。 具有较强的抗干扰能力。对环境条件的要求，与激光干涉测量相比，略可 降低。 具有一定的测量速度。 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 目前光栅式测量已广泛应用于许多领域，如精密仪器、坐标测量、精确 定位和高精度精密加工等。 因此，本系统以数字式传感器一光栅尺为检测装置，通过对其输出信号 的处理，完成对落锤高度的测量。 目前市场上虽然有与光栅尺配套的商品化数显表，但由于不满足与整个 系统相配套的要求( 如功能过多、通信口不符合要求、体积较大、不便于安 装等) ，故需要设计一套新的系统，以满足系统配套的要求。 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展以及其在电工电 子测量领域的应用，测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器 和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐渐发展到叠架式仪器系统、虚拟仪器系统 等。 虚拟仪器的特点就是将计算机技术与仪器技术有机结合，充分利用飞速 发展的计算机技术，用计算机的c r t 模拟各种仪器的控制面板，以多种形式 表达输出检测结果；以计算机软件实现各种各样的信号分析、处理，完成多 种多样的测试，增强仪器的功能。虚拟仪器的出现使得用户可以自己定义仪 器、灵活地设计仪器系统以满足多样化的需求。虚拟仪器包括p c 仪器、g p i b 仪器、v x i 总线仪器、p x i 总线仪器和现场总线仪器等。 考虑到虚拟仪器的灵活、可定制的优点，以及与整个落锤压力发生器虚 拟仪器系统相配套，本系统采用了以单片机为中心的方案，通过通讯口、p c 机，结合相应的软件，共同构成一个基于虚拟仪器的智能高度测试系统。 1 2 本人工作简介 本课题需要设计一个系统。该系统以光栅尺传感器为检测装置，通过对 光栅尺传感器的输出信号进行处理，能够实现对落锤高度进行实时、准确的 测量、显示，并能够完成系统设计所提出的信号输入、数据掉电保存、数据 通信的功能；与p c 机通过通信，共同构成一个基于虚拟仪器的智能高度测 试系统。 在完成设计的过程中，主要的工作如下： 1 ) 根据光栅尺工作原理及系统设计要求，进行系统总体方案设计。 硕士论文基r 虚拟仪器的智能高度测试系统 2 ) 根据系统总体方案，进行系统硬件电路的设计。主要包括光栅尺信 号的辨向、细分电路、高度显示电路、数据保存电路、通信电路以 及接口电路等。 3 ) 系统硬件电路的调试。 4 ) 系统软件的编制及调试。单片机软件采用c 5 1r 1 6 1 进行编制，而p c 机软件采用l a b w i n d o w s c v i 编制。 5 ) 系统的一些抗干扰设计。 硕十论文 基于虚拟仪器的智能高度测试系统 2 系统总体设计方案 2 1系统设计要求 本系统设计要求如下： 1 ) 采用与落锤压力发生器相配的光栅尺传感器为检测装置进行系统设 计，最终要求系统的分辨率达到o 0 0 1 r a m ，即1 u m 。其中光栅尺的 规格为2 5 线m m ，有效测量行程为1 2 0 0 m m 。 2 ) 落锤的有效落高不小于1 1 0 0 m m 。 3 ) 系统信号输入有三种： a 复位按钮，即系统r e s e t 按钮，防止系统死机； b p l c 清零输入，低电平有效。来自于控制方的p l c ，实现对数显 清零。 c 光栅尺传感器的两路正弦输入信号。 4 ) 系统硬件由两块p c b 板组成，系统显示单独做在一块p c b 板上。 系统主板和系统显示板通过显示接口相连。 5 ) 系统输出为数码管l e d 显示，显示格式为口口口口口口口口。其 中左起第一位为符号位( 显示“一”或者为“+ ”时不显示) ，其余 各位为数值位，左起第五位带有小数点，数值单位为m m 。 6 ) 系统具有通讯功能，要求有r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 接口。 7 ) 系统上电初始，显示上一次掉电前的落锤高度。故需要对落锤的高 度进行掉电保护。 8 ) 系统电源采用外接稳压电源。 9 ) 系统体积小、功耗低。 1 0 ) p c 机上能实现对于高度数据的采集、显示和存储。 2 2 系统总体设计方案 单片机控制功能强、体积小、功耗低，并且具有一定的数据处理能力， 因此被广泛地应用于仪器、仪表中。智能化仪器中增加了微型计算机或单片 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 机，可以比较容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起。较之原来的仪 器，不论在性能指标上，还是在功能上都有很大的提高。 由于单片机具有以上的优点，考虑到对于本系统使用单片机已经可以满 足设计要求，故选用单片机作为本系统的控制器。 根据光栅尺的工作原理、性能指标及系统设计要求，可知必须通过对光 栅尺输出的两路正弦信号进行辨向和4 0 细分才能达到系统所需要的分辨率， 这主要通过软件与硬件相结合来完成。在本系统中采用辨向电路进行光栅信 号的辨向计数，即整周期计数；另安排一套电路，来协助软件对信号进行4 0 数字细分，即小数计数。 系统的总体设计方案如图2 1 所示： 图2 1 系统总体设计方案 由图2 1 可以看出系统主要由光栅尺、以单片机为中心的智能高度测试 系统( 如图中虚线框所示) 及p c 机等组成。而智能高度测试系统主要由时 钟电路、信号处理电路、整形、辨向电路、a d 转换电路、数据存储电路、 显示电路、通讯电路、看门狗及复位电路和系统输入电路等组成。将在后面 几章详细介绍。 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 3 光栅尺传感器及辨向细分方案 3 1 光栅尺传感器工作原理 光栅按工作原理可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅可做散射元件进 行光谱分析及光波长的测定；而计量光栅的刻线较物理光栅粗，利用光栅的 莫尔条纹现象进行位移的精密测量和控制。光栅尺即长光栅是计量光栅的一 种。要形成莫尔条纹必须有两块光栅，即主光栅和指示光栅。 3 1 1 传感器的组成 光栅传感器主要是由光源、照明系统、主光栅、指示光栅、接收光学系 统、光电接收元件等组成【2 1 ，如图3 1 所示。 幺百 怠旷霸两 i d _ x 斟烂刿 i 译 l 一光源2 一照明系统3 一主光栅4 一指示光栅5 一接收光学系统6 一光电接收元件 图3 1 光栅传感器的组成 光源发出的光束经过照明系统后成为均匀的平行光照明主光栅。由于主 光栅和指示光栅的相对移动而输出交变的莫尔条纹信号。此信号经光学系统 会聚到光电接收器，转换成反映莫尔条纹特征的电信号供光电计数及细分用。 3 1 2 工作原理 莫尔条纹有横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹、光闸莫尔条 硕+ 论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 纹等。光栅传感器测量位移主要是利用光闸莫尔条纹原理来实现的。工作 时光栅传感器的主光栅、指示光栅之间留有很小的间隙并相对叠合。当主光 栅和指示光栅相对移动时，透过光栅副的光做明暗相间的变化，这种作用如 同闸门一样而形成光闸莫尔( m o i r 6 ) 条纹。莫尔条纹的形成，实际上是光通过 一对光栅( 或称光栅副) 时所产生的衍射和干涉的结果。由于作为计量用的光 栅，它们的光栅常数一般都较大( 光栅常数d 入射光的波长入) ，所以常用 几何光学的方法来讨论光通过一对光栅时的光学现象。下面按几何光学原理， 根据光栅栅线间的遮光关系，来解释莫尔条纹的形成过程。 光源发出的光线经准直透镜后变成平行光束，照亮接受区，由于两块光 栅间的相对移动，光栅盘等间隔的黑白刻线( 透光与不透光) 的相对移动产生 光强度周期性的变化。主光栅和指示光栅相对移动一个栅距，光强度变化一 个周期。其移动过程和光强度变化如图3 。2 所示： 图图图圈圈图图恩 ( a ) 最大光量( d ) 中间光量 督图雷圈圈图图图 ( b ) 中间光量( e ) 最大光量 ( c ) 最小光量 ( f ) 光量与光栅运动 图3 2 光栅运动及光量变化曲线 根据实验证明，在理想的情况下，莫尔条纹是非正弦周期函数，并且当 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 狭缝宽度为w 2 ( 即指示光栅的透光部分) 、间隙为0 时，得到三角波，如图 3 3 ( a ) 所示。但是在实际结构中，由于总是存在一定的间隙、光线的不平 行性和光的衍射作用、刻线面之间光的反射及光栅刻线的不均匀，实际得到 的光栅信号变化曲线为一近似正弦曲线，如图3 3 ( b ) 所示。 光量 光量 l、厂，) 一 光栅位移 1 个栅距 ( a ) 理想情况下光信号变化曲线( b ) 实际情况下光信号变化曲线 图3 3 光栅输出的理想信号与实际信号 当光电元件接收到如图3 3 ( b ) 所示的明暗相间的正弦信号时，便根据 光电转换原理将光信号转变为电信号，此时仍为正弦波，类似于图3 3 ( b ) 。 该正弦波可用式( 3 1 ) 表示。 ：+ _ 1 一n ( - - , u c pu pp s i n ( - - 万+ 塾x ) ( 3 1 ) = + 一一 + 功 ( 3 1 ) 22w 式中z r 光电元件输出信号 w 一光栅栅距x 一位移 “。一直流电平 u p p - - 信号的峰峰值 光栅测量就是利用此正弦曲线，经过一系列处理，如整周期计数、细分、 辨向等，最终实现光栅相对移动的位移的测量。计量光栅是一种增量式编码 的光学标准器，光栅尺是以栅距w 为增量的编码尺，其测量公式为： l = n w + 万 2 1 f 3 2 1 式中卜光栅的位移量 l _ 光栅的栅线数 占一不足一个栅距的小数值 由此可见，所谓光栅测量实际上就是读取相应的n 和6 的值。对于n 只 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 需要对光栅相对移动所形成的光信号经光电转换器后形成的电信号进行整周 期计数即可获得。 根据式( 3 2 ) ，可以设计出数字式光栅测量系统的原理方案图，如图3 4 所示。 取分 一整数计数编码卜 计数 样离 运算 电电 路路 一细分电路卜 显示 图3 4 数字式光栅测量系统原理方案 光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和细分所需信号，然后分别经 整数编码电路和细分电路送入综合计数运算器中( 其中细分电路和综合计数 运算电路都是由软件实现) ；最后，显示测量结果。这种方案适用于高精度快 速测量。 由以上原理方案，我们设计出了本系统的总体设计方案图，可参见图2 1 。 由于本系统所采用的光栅尺的规格为2 5 线m m ，即栅距w 为4 0 u m 。所 以所测的位移值可以由下式表示： l = 4 0 n + l e l s ( 3 3 ) 其中n 一表示正弦波信号的整周期数 如终点处不足整周期的小数位移 厶起点处不足整周期的小数位移 本系统由硬件电路进行辨向，产生整周期的计数信号，然后由单片机进 行整周期n 的计算；同时由软件结合硬件，对信号进行4 0 细分，得出小数 位移值( 4 0 u m ) 。在系统软件的编程中，主要以公式( 3 3 ) 为基础，进行 高度的计算。在系统设计中所涉及到的辨向及细分将在后面介绍。 硕十论文基丁虚拟仪器的智能高度测试系统 3 2 光栅的辨向技术和细分技术 3 2 1 辨向与计数技术 在线位移或角位移的测量中，物体运动并非是单向移动。它有正向，也 有逆向，但单个光电元件只能给出脉冲数，而不能辨别移动方向。为了辨别 光栅的移动方向，可以在相距四分之一莫尔条纹的两个位置上设置两个光电 元件1 5 l 。两路输出信号相差9 0 ，是滞后还是超前完全取决于光栅的运动方 向，从而根据相位差便能区别运动方向。本系统中所采用辨向电路的原理框 图 5j 如图3 , 5 所示。其中u l 、u 2 为光栅尺输出的原始信号经信号调理后，所 获得的两路相位差9 0 的正弦信号。 ( a ) 辨向原理 u z 乃八乃八u 1 。 wu 7 u 3 厂 厂。 r u 4 厂 厂 。 r y 2 r r 。 ( b ) 前进 灯 k u l 刃八刃八。 u u z 7 u 3 厂 厂 r u 4 厂 厂 。 v 1 广厂 ( c ) 后退 图3 5 光栅辨向电路原理框图 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 由图3 5 可以看出两路信号u 1 、u 2 经整形后得到方波u 3 和u 4 。当主光 栅后退时，u 3 的微分信号与u 4 相与得到正向移动脉冲，从与门y 1 输出；而 u 3 反相后的微分，在与门y 2 与u 4 相与。由于在u 3 反相微分脉冲出现时， u 4 是低电平，故y 2 无输出脉冲。当主光栅前进时，u 1 信号相位超前u 2 信号 9 0 ，u 3 的反相方波经微分后，在与门y 2 上与u 4 相与；u 3 微分信号与u 4 在 与门y 1 上相与。其结果正好和后退情况相反，y 1 无脉冲输出，y 2 有脉冲输 出。利用单片机对与门y 1 、y 2 输出的脉冲进行中断计数，就可以实现对光栅 尺运动的方向辨别及整周期计数。 3 2 2 细分技术 莫尔光栅测位移中，待测物体移动一个栅距，输出一个光脉冲。如果对 其直接进行脉冲计数，位移分辨率就是一个栅距，如用每毫米2 5 0 线的光栅， 测量精度可达4 u m 。要进一步将测量精度提高到l o 1 u m 或更高，若增加刻 划密度由于受到工艺限制是行不通的。因此，只能在有合适的光栅栅距的基 础上，对栅距进行进一步细分，才可能获得更高的测量精度。所谓细分就是 对计数脉冲间隔进行细分，即对一个莫尔条纹，可对应输出多个计量脉冲。 细分越细，精度越高。奠尔条纹的细分方法归纳如图3 6 所示。 ff 分化板和读数鼓轮直接对一个条纹进行测微 l 直接细分 四分透镜、裂相指示光栅、列阵光电池等 jl 四倍频法 空间域位置细分 lf 利用机械方法，移动指示光栅，直到对零表归零 l 零位法从而测得指示光栅分数值 l捌用光学测微器进行测微 i 调幅系啪畿懿 时间域相位细分 一 l 洲系销勰萋法 图3 6 莫尔条纹细分归纳 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 3 3 光栅信号的数字细分技术 从系统设计的总体方案可以看出，整周期的计数脉冲由两路正弦信号经 辨向电路获得。通过对计数脉冲计数所获得的只是光栅栅距4 0u m 的整周期 倍数。要达到所需要的l u m 的分辨率，还必须对两路正弦信号进行细分。 fr 幅度调制细分 fl 乘法倍频细分 if 硬件细分法 幅度分割电子细分 lll 相位调制电子细分 细分法 电子细分法 d dy 2 d d d d 2 0 + y 3 d 4 0 一y 4 d 4 0 y 在做好细分查询表后，可以用采集到的信号值的数字量去计算新构建的 函数的数字量，然后去表中查询，最终可以获得小于4 0 u m 的数值。 这种细分方案是利用判别区间和查询表实现细分的，没有细分计数脉冲， 因而也就没有丢失脉冲的问题。采用两路信号构建一新的线性函数，可以消 除灵敏度不均造成的细分误差。采用查表方式也减少了微处理器的运算时间。 通过简单操作，可修改微处理器程序，以实现细分数的改变和其它测量功能。 从以上的细分原理可知，将光栅尺传感器输出的波形进行处理，然后经 a d 转换输出与两路输入波形相对应的数字信号，最后将数字信号用软件进 行4 0 细分，从而使系统的分辨率达到l u m 。 3 4 所选用光栅尺传感器的规格 该传感器是由中国科学院光电技术研究所生产的g s 一6 型光栅尺传感 器。其精密元件采用该所研制的带有零位窗口的铬线玻璃光栅尺。此传感器 体积小、重量轻、可靠性好。外形图如图3 1 1 所示。 硕士论文 基于虚拟仪器的智能高度测试系统 i 1 定尺 2 一动尺3 一信号电缆及接插件 图3 1 1 光栅尺传感器外形图 该传感器工作原理如下：从光源发射的光照射到标尺光栅上，标尺光栅 与指示光栅相对平行移动时，在四个光电元件产生彼此相差成9 0 的四路信 号，经前置处理通过信号电缆输出。工作原理如图3 1 2 所示。 标尺光栅 1 量斟 蛐图 国垂2700 ， 图3 1 2 光栅尺工作原理 该传感器的性能指标如下： 1 ) 传感器的规格为2 5 线m m ，有效测量行程为1 2 0 0 r a m 。 2 ) 传感器的工作电源为+ 5 v 和+ 1 2 v 。 3 ) 传感器具有零位脉冲输出及两路正弦信号输出。两路正弦信号幅值 为3 5 v ，同时叠加了5 v 的直流电平；相位相差9 0 ，超前还是滞 后取决于光栅尺的运动方向。 该传感器的信号电缆接插件管脚说明如表3 2 所示。 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 表3 2 信号电缆接插件管脚信号说明 管脚正弦波 l0 v 25 v 3a 4b 51 2 v 6a b s 7 屏蔽层 ( 表中a 一信号1b 一信号2a b s 一零位脉冲) 1 9 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 4 系统硬件电路设计 本系统所述的硬件电路设计，实际上指的是单片机系统的硬件电路设计 【2 l 】【2 4 】。从系统总体设计方案图2 1 中，可以看出硬件电路所要完成的功能包 括：与系统软件相结合完成光栅尺信号的辨向、实现整周期计数；与系统软 件相结合，通过a d 转换实现软件细分即小数计数；与系统软件相结合，完 成系统设计所要求信号的输入以及数据的显示、掉电存储和通讯等功能；实 现系统的复位等。从本系统功能可知系统硬件电路主要由时钟电路、复位及 看门狗电路、整形、辨向电路、a d 转换电路、数据存储电路、显示电路、 通讯电路、译码电路及输入输出接口电路等组成。下面将对主要的电路设计 做一详细介绍。 4 1 单片机 本系统采用由m c s 一5 1 系列单片机组成的单片机系统来实现其测试、 处理、显示、通讯等功能。单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控 制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到了极 为广泛的应用。 系统所选用的单片机为a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 。a t 8 9 c 5 2 是一种 低功耗、高性能的8 位微控制器，与m c s 一5 1 系列产品兼容。它具有8 k b 的 f l a s h e 2 p r o m 和3 个定时器计数器。 4 2 时钟电路 系统时钟五。是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。振荡周 期和时钟周期又决定了c p u 的时序。单片机内部有一个自激振荡电路。可以 通过内部自激振荡或外部提供振荡源这两种方式，驱动内部时钟电路产生系 统时钟信号【9j 。本系统选用内部自激振荡。 a t 8 9 c 5 2 的晶振最高可达2 4 m h z 。为适应信号采集的要求，选择1 2 m 的晶振。其振荡周期为l 1 2 脚，时钟周期为l 6 a s ，机器周期为l 胛。 a l e 输出地址锁存允许脉冲，在不访问外存时，能产生1 6 振荡器频率的 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 时钟，可作为外部定时或时钟。 本系统中所使用的时钟电路如图4 1 所示。其中x 1 、x 2 分别引至单片 机的x t a l l 、x t a l 2 引脚。 4 3 复位及看门狗电路 单片机应用系统工作时，要求复位电路能准确、可靠地工作。复位电路 的核心就是必须保证r e s e t 引脚上出现持续一段时间的稳定的高电平。系 统复位工作有两部分，一是上电初始化复位，二是运行过程中出现异常情况 时手动按键复位。 当单片机在运行过程中出现死机、程序跑飞等现象时，最简单的方法是 人工复位。但这种方法需要人的参与，而且复位不及时。实际上可以设计一 种模仿人工监测的“程序运行监视器”，俗称“看门狗”( w a t c h d o g ) s l 。 看门狗的主要功能是当程序由于种种原因出现死机、跑飞并且该时间超过了 所规定的时间时，输出复位信号，使单片机复位。看门狗类似于手工复位。 看门狗有软件看门狗、硬件看门狗等。由于后者较前者可靠，故本系统采用 硬件看门狗。 本系统中的复位及看门狗电路由一片m a x i m 公司的m a x 8 1 3 l 芯片【 1 完成。 m a x s l 3 l 是一个低功耗的u p 监控芯片。它的功能如下： ( 1 ) 在系统上电、电源电压降低到门限值以下时，产生r e s e t 输出。 ( 2 ) 具有一个独立的看门狗定时器。系统在1 6 秒之内未反转定时器 输入w d i ，芯片的w d o 引脚将变低。通过将w d o 和m r 短按， 可以使芯片产生r e s e t 输出。 ( 3 ) 具有一个手工复位输入端m r 。将m r 通过复位按钮接地或将其 ；|事i h i 岫 ，。f ；卧 硕十论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 接到低电平上，可以使芯片产生r e s e t 输出，从而使系统复位。 ( 4 ) 具有监控电压输入端p f i 。当电压下降时，p f o 变低。不用时， 可将p f i 接地或v c c 。 根据以上分析，本系统采用如图4 2 所示的复位及看门狗电路。图中m r 为人工复位的输入端、w d i 为看门狗的定时器输入端、r e s e t 接单片机的 复位引脚。 4 4 信号处理 图4 2 复位及看门狗电路 本系统中信号处理电路主要完成的功能为：将光栅尺输出的两路正弦信 号的电压幅值减半、其它参数不变，以利于后续电路对其进行整形及a d 变 换。根据3 4 节说明的光栅尺信号的特征，可知经过调理后，信号的幅值变 为1 7 5 v 、并带有2 5 v 的直流分量，但相位之间的关系保持不变。具体实现 是通过一个精密电阻分压网络来完成的。 4 5 整形及辨向电路 根据光栅尺的工作原理及系统设计要求，我们首先应该进行待测高度的 整周期计数，即得到4 0 u r n 的整数倍数。为此我们首先需要对两路经过调理 的信号进行整形，然后再使其通过辨向电路，结合单片机完成光栅尺信号的 辨向、整周期计数。下面将对整形、辨向电路分别进行说明。 4 5 1 整形电路 整形电路主要完成的功能为将输入的两路正弦信号转换为与之对应的 方波信号，并保持两路信号之间的相位关系保持不变。整形可以通过比较器 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 电路、施密特电路等完成。根据输入信号的特点，选用比较器电路1 0 1 对信号 进行整形。由于两路的工作原理相同，故仅以其中的一路进行说明。具体电 路实现如图4 3 所示。 图4 3 整形电路 本电路中所选用的比较器为n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司生产的 l m 2 9 0 3 1 8 】。此集成块由两个独立的、不超过2 m v 失调电压的精密电压比较 器组成。具有以下性能特点：电路设计为单电源宽电压范围( 2 v 3 6 v ) 工 作，即使供电电压低于5 v 也能正常工作：共模电压范围包含地：微功耗； 体积小，仅有8 个引脚：输出电压能直接与t t l 和c m o s 电路接口：低输 入偏流、低输入失调电压。 4 5 2 辨向电路 辨向电路通过对整形电路输出的两路方波信号进行处理、产生与光栅尺 运动相对应的前进或后退脉冲，结合单片机可以实现对光栅尺运动方向的判 别，进而实现对光栅尺运动的整周期计数。 根据图3 5 ( a ) 辨向原理框图，设计了本系统的辨向电路。辨向电路主 要由微分电路、与非门等组成。微分电路有无源微分、有源微分等。由于无 源微分电路简单、可实现系统所要求的功能，故选用无源微分。辨向电路的 具体实现如图4 4 所示。 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 图4 4 辨向电路 图4 4 中由r 9 、c 2 l 组成的正相微分电路以及由r 1 0 、c 2 2 组成的反 相微分电路的时间常数为1 0 u s ，已经可以满足本系统的设计要求及单片机 的中断计数要求。其中i n l g 、i n 2 f 是经整形电路输出的两路方波信号。 i n l g 方波信号分别经正相、反相微分，然后与i n 2 f 方波信号相与非。在 光栅尺前进时，i n t l 有脉冲输出、i n t 0 无脉冲输出；在光栅尺后退时， i n t 0 有脉冲输出、i n t l 无脉冲输出。1 n t 0 、i n t l 分别引至单片机的外部 中断0 、1 的引脚上，向单片机申请中断。这样单片机就可以利用中断来分 别对前进与后退脉冲进行计数，从而实现光栅尺运动方向的辨别及整周期 计数。 辨向电路中的各信号波形如图4 5 所示。 图中“、“2 一光栅尺输出的两路经过信号调理的正弦波； 舢g 一与“对应的方波信号；删f - 与以对应的方波信号； ( i n l g ) 一i n l g 的微分，；( ，l g ) 一i n l g 的反相微分； i n t o = l n 2 f ( i n l g ) w 丁1 = i n 2 f ( i n 1 g ) ( 4 1 ) ( 4 2 ) 硕七论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 妇厂 h n t l ) 的时序图 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 4 6 4a d 转换电路的设计 本系统a d 转换电路【l3 】所使用的转换器件为m a x l l 4 。由于芯片本身带 有t h 电路，t h 电路不需另外设计，从而使得转换电路的结构变得简单。 将m a x l l 4 的参考正负端接上+ 5 v 电源，即可满足输入电压( o 5 v ) 的要 求。为了满足对a d 转换进行同步采样的要求，本设计中采用如下方法：采 用两片m a x l l 4 ，同时给每片芯片分配两个地址。一个为d 转换启动地址， 一个为读a d 转换数据地址。其中两片刖d 的启动地址相同，但读地址不同。 从而实现了同步采样、分时读出的功能。 基于以上的分析，本系统所设计的a d 转换电路如图4 1 0 所示。 舞 l 墨誊 型墨蠢器 拦； l l _ 鼠v p 兰： g m ! _ t 蛐黑 鏖蓬轳a 羹巨 i 萎。，肇。 蕴一：警 图4 1 0a d 转换及单片机接口电路 图4 1 0 中a d 表示两片m a x l l 4 的a d 转换启动地址、a d r l 表示上 面一片m a x l l 4 的读地址、a d r 2 表示下面一片m a x l l 4 的读地址；a d s l 为上面一片的片选地址、a d s 2 为下面一片的片选地址，从而实现了同步采 样、分时读出的功能。各地址来源于译码器7 4 l s l 3 8 的输出。芯片的启动与 读取地址由片选地址以及通道地址共同决定。 4 7 数据存储电路 单片机的特点之一是在其芯片内部驻留有一定数量的r a m 和r o m 。 a t 8 9 c 5 2 是片内驻留存储器的芯片，它有各自独立的8 k b 的e 2 p r o m 和2 5 6 b 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 的r a m 。内部的程序存储器已经可以满足程序容量的要求。但由于本系统 要求对有关数据进行掉电保护，故必须进行数据存储器的扩展。根据被保护 数据的数量以及编程的需求，本系统选用的存储器为带掉电保护的6 2 6 4 ，它 可以存储8 k 字节的数据。 本系统中所使用的扩展存储器电路如图4 1 1 所示。 图4 1 1 数据存储器扩展电路 l 耋| 从图4 1 1 可以看出本系统中的数据存储器扩展电路采用了常规的方法 芯片的片选地址$ 6 4 由译码器获得。具体说明从略，可参阅有关文献【8 】f 9 】。 4 8 显示电路设计 显示器是智能仪器系统必不可少的输出设备，是控制系统与操作人员之 间交互的窗口。智能仪器必须具有方便的人机交互功能。这样，操作人员可 以通过系统显示的内容，及时掌握系统的状态、获得所需要的信息。常用的 显示器有l e d 、l c d 、c r t 等。本着经济、实用的原则，系统采用l e d 显 示器。 l e d 的显示方式有静态显示和动态显示之分。静态显示各位是独立的， 能同时显示不同的数字或字符。c p u 为显示器服务的时间短、显示稳定可靠 且软件接口简单，但硬件开销大、接口电路复杂；动态显示对各显示位分时 硕士论文基于虚拟仪器的智能高度测试系统 显示，但由于人眼的视觉暂留现象，仍感觉到各显示位“同时”显示。动态 显示的优点是硬件开销省、接口电路简单，但它要求c p u 频繁地为显示服务、 占用机时长。显示电路的译码方式有硬件译码、软件译码等。由于硬件译码 成本高，故一般采用软件译码( 查表法) 。 由于本系统信号变化快、中断请求频繁，为了保证系统对重要任务的快 速响应、显示稳定可靠，显示电路选用静态显示方式，并采用软件译码。 本系统的显示电路如图4 1 2 所示，可以看出静态显示电路【7 】主要由驱动 器、锁存器、译码电路等组成。各位数码管的段选线分别与各自的锁存器相 连、位选线连在一起接v c c 。当需要显示各位数据时，单片机将由软件译码 所获得的相应段码输出，所输出数据经驱动器驱动，最终由锁存器锁存、送 数码管显示。当需要改变数据时，只需要重复同样的过程。图中虚线框中电 路为主板部分、虚线框外为显示板电路，同名