（通信与信息系统专业论文）基于虚拟仪器的光电二维自动检测仪的研究(1).pdf

摘要本丈研究的光电二维自动检测仪，是一种用于回转体零件直径、长度和形状测量的自动检测系统，在许多方面都有实际应用。丈中介绍了光电二维自动检测仪的测量原理和系统构成，包括激光扫描系统、光栅位移检测闭环控制系统。测试系统设计采用了当前比较成熟的单片机技术，同上位机实时交换数据。系统具有功能完备、高精度、高效率等优点。系统软件采用l a b v i e w 图形化编程环境，具有良好的人机界面，操作方便。可以通过交互式图形化前面板来控制系统，并显示结果。由于是基于计算机技术的测试系统，从而使系统的功能可以灵活定义，便于满足用户要求。关键词：激光扫描光栅位移检测步进电机虚拟仪器a b s t r a c tt h et w od i m e n s i o n a lp h o t o - e l e c t r i ca u t o m a t i cd e t e c t o rt h a tt h ep a p e rs t u d i e di sf la u t o m a t i ci n s p e c t i n gs y s t e mt h a tc a r lb eu s e df o rm e a s u r i n gt h er a d i a la n da x i a ls i z e sa n dt h ef o r mo fs o l i do fr e v o l u t i o n ，a n dt h e r ea r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nm a n ya s p e c t s t h ep a p e rh a si n t r o d u c e dt h et h e o r yo fm e a s u r e m e n ta n dw h o l ec o n s t i t u t eo ft h es y s t e mi n c l u d i n gl a s e rs c a ni n s p e c t i o ns y s t e ma n dg r a t i n gd i s p l a c e m e n tc l o s e dl o o pi n s p e c t i o ns y s t e m t h ed e s i g no fi n s p e c t i o ns y s t e ma d o p t st h et e c h n o l o g yo fs i n g l ec l i pm i c r o c o m p u t e rt h a ti sa l r e a d ym a t u r ea tp r e s e n t ，a n di tc a nc o m m u n i c a t ew i t hm a s t e rc o m p u t e rr e a l t i m e t h es y s t e mh a ss o m em e r i t ss u c ha sm a t u r i t yf u n c t i o n ，h i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n ds oo n t h es y s t e m ss o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yl a b v i e ww h i c hh a sg r a p h i cp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，a n dt h es y s t e mh a v eg o o dm a i l m a c h i n ei n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n o p e r a t o rc a r tc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h ei n t e r a c t i v eg r a p h i cf r o n tp a n e la n dt h ei n s p e c t i n gr e s u l t sc a nb ed i s p l a y e do ni t t h et e s t i n gs y s t e m sf u n c t i o ni sf l e x i b l yd e f i n e dt om e e tu s e r sr e q u i r e m e n te a s i l yb e c a u s ei ti sb a s e do nc o m p u t e r k e yw o r d s ：l a s e rs c a ng r a t i n gd i s p l a c e m e n ti n s p e c t i o ns t e p i n gm o t o rv i r t u a li n s t r u m e n t si i1 1 引言第一章绪论在机械制造业中有较多的回转体零件，在其h n - y - 过程中一般要检测径向尺寸( 直径) 和轴向尺寸( 长度) 。当回转体不是圆柱体时，要检测其形状，在某些特殊情况下，还要检测其误差。本系统是将激光扫描技术与光栅位移检测技术有机的结合起来，通过微机控制，实现回转体零件的径向和轴向尺寸检测及多功能二维尺寸形状的自动检测。本系统涉及到光学、光电传感器技术、电子学、自动控制、计算机、精密机械等多学科领域，具有多功能、高速、高精度、非接触检测的特点和广泛的应用前景。本系统在设计中采用目前发展较快、应用前景非常广阔的虚拟仪器技术。所谓虚拟仪器( v ir t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是用户在计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计申尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。在众多的虚拟仪器软件开发平台中，l , a b v i e w 是目前应用最多、发展最快的一种。l a b v i g w 是n i 公司推出的虚拟仪器开发平台软件，它能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。将l a b v i e w 与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不象传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。总之，由于l a b v i e w 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。1 2 国际与国内研究现状电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室仍能看到，如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代数字化仪器，这类仪器目前相 - 3 普及，如数字电压表、数字频率计等，这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。从2 0 世纪8 0 年代开始，随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过了20 年的技术进步与发展，已经成为2 1 世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。与传统仪器相比，虚拟仪器在经济性、灵2活性、扩展性和可维护性等方面都具有独特的优势，实质上代表了一种创新的仪器设计思想。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面板为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理，数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。在自动控制和3 - 业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。绝大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等3 - 控领域发挥曼大的作用。v i 技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块化，以及编程平台的图形化争硬件模块的即插即用( p l u g & p l a y ) 化等方向发展。现在，v i 技术在发达国家的应用已非常普及，而我国基本上还处于传统测试仪器与计算机互相分离的状态。因此，从引进国外先进的v i 技术和产品入手，大力推广v i 的应用，无论对加速发展我国自己的电子仪器工业，还是提高我们的测试水平都是有益的。1 3 论文研究目的与内容现代加工技术的发展非常迅速，各种先进的加工方法的出现对现代检测技术起到了强烈的牵引作用，对检测技术的要求也越来越高。从某种意义上而言，检测技术的发展必须超前于加工技术的发展才能满足人们对精密加工的要求。高速度、高精度、非接触式检测技术已发展成为检测技术中最重要、最尖端的组成部分。与传统的机械式仪器仪表相比，本系统更加突出仪器智能化，虚拟化，灵活化的特点，方案采用单片机技术与虚拟仪器技术相结合，设计出操作简单、测试可靠、界面灵活、尤其适合工程人员应用的测试系统。论文从以下几个方面对系统进行了全面的论述，主要是：系统整体4构成，包括激光扫描检测系统和光栅位移闭环控制系统，系统上位机通信接口的设计，基于虚拟仪器概念的系统软件的设计。另外对系统的可靠性和抗干扰也做了必要的分析并给出相应的措施。第二章光电二维自动检测仪总体设计2 1 系统总体构成本系统检测零件采用激光扫描方法实现径向尺寸检测，采用光栅位移检测系统实现轴向尺寸的检测。在检测过程中闭环伺服控制系统按轴线方向以一定步距行进，由激光扫描测径系统相继测出各个截面的直径，再由光栅位移检测系统测出轴向长度，这就构成了二维坐标。由众多的二维坐标连成的曲线绕轴线旋转即可检测回转体的形状。整个系统有如下几部分组成：( 1 ) 激光扫描检测系统( 2 ) 光栅位移检测闭环控制系统( 3 ) 机械传动精密工作台( 4 ) 计算机控制系统根据检测系统的工作要求，系统的总体结构布局如图2 1 所示。l 、测试台2 、光栅传感器3 、被测工件4 、发射装置5 、接收装置6 、控制系统7 、伺服电机图2 1 系统总体结构布局62 2 激光扫描检测系统用于直径测量的激光扫描检测子系统由以下两部分组成：( 1 ) 由激光扫描发射光学精密机械系统、扫描光信息接受与变换的光学精密机械系统构成的激光扫描检测仪主机。( 2 ) 以单片微型计算机为核心的控制与实时数据处理系统构成的激光扫描检测仪控制器。该子系统中采用平行光扫描法，用半导体激光器作光源，硅光电二极管作为接收器件，具有精度高，测量速度快，体积小等优点。图2 2为激光扫描检测系统框图。光发接测学射收量+斗斗系单、7至堕统元土，兀兀图2 2 激光扫描系统框图2 2 1 直径扫描基本原理激光通过旋转反射镜使光束照射到入射光学系统上，形成与光轴平行的扫描光束。被测工件置于扫描光路中。若电极以恒速旋转则激光扫过被测工件的时间与被测_ t - 件的直径成正比。公式2 1 为该系统的被测直径与诸参数之间的关系等式。d = v t( 2 1 )其中d 为被测直径，v 为扫描速度，r 为扫描时间。因此对于此系统来说应该保证两点要求：( 1 ) 扫描速度均匀等速；( 2 ) 扫描光束应与光轴平行。2 2 2 光电变换电子学系统激光扫描检测系统是一种高速扫描系统，对光电变换电路设计和加工提出了严格的要求。光电变换电子学系统的主要任务，是将携带有被测信息的一系列光强调制信号实时的转换成电信号，然后送往控制器。光电变换电子学示意图如图2 3 所示。这一部分主要包括快速光电变换、放大、采样、补偿及信号处理等电路。将光信号转换成电信号的光电变换电子学系统，对于保证激光扫描检测系统的测量精度起着很重要的作用。为了稳定可靠地接收被测工件的尺寸信息采用硅光电二板管作为接收元件，经放大、特征检出送扫描微控制器进行信号处理后送主控计算机。为了进一步提高系统的稳定性，在信号处理部分采用了浮动阈值处理。由于在检测过程中光源强度的变化将影响信号的输出幅值，当然对光源采用稳光、稳流措施是可行的，而采用浮动阁值处理可以具有良好的效果。它可以有效的消除光源发光强度不稳对二值处理带来的误差，从而使系统的测量精度和稳定性得到进一步的提高。这部分电路具有响应快，失真小、抗干扰能力强、工作稳定可靠的特点，保证了较高的测量精度。图23 激光扫描检测系统光电变换电子学示意图82 2 3 激光扫描检测控制器本控制器的基本任务包括如下几个方面，对激光扫描检测系统的工作过程实施控制，对高速扫描产生的大量数据进行高速采集，并进行实时处理，给出直径测量值d 与光栅位移检测系统通讯，接收其轴向尺寸的测量值l 。计算出实际有效作用环距l 。，并根据名义尺寸进行误差评价。考虑到扫描检测速度高，信息量大，数据处理任务繁重，控制实时性要求高等特点，采用内存较大，功能强，软硬件资源都比较丰富的单片微型计算机作为本控制器的控制计算机。在信号处理过程中，为提高精度和稳定性，对检测信号进行多次平均和数字滤波后，将代表工件尺寸的信息处理结果送中心主控计算机。这种宿主式结构有效的提高了整机的处理速度。2 24 激光扫描检测控制器的软件模块激光扫描检测控制器软件采用模块化方案。为了完成前面所述的本控制器的各项工作任务，相应功能的软件模块如下：( 1 ) 测量工作的实时控制软件模块( 2 ) 测量数据实时处理软件模块( 3 ) 系统误差修正软件模块( 4 ) 为降低随机误差，采用高速多次测量求平均值，故设计有测量次数选择软件模块( 5 ) 键盘和显示管理软件模块( 6 ) 与光栅位移检测闭环伺服控制系统通信和数据变换模块激光扫描检测系统软件模块框图如图2 4 所示。环距测量程序流程图如图2 5 所示。2 3 光栅位移检测闭环伺服控制系统9图2 4 激光扫描检测系统软件模块1 0图2 5 激光扫描系统环距测量程序流程图高精度的位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业获得位置精度的基础，也是上述产业的产品及技术不段进步的制约因素。在这些方面发展比较成熟的主要是栅尺类位移传感器，其中，又以光栅位移传感器为主要代表。栅尺类位移传感器具有便于位移信号数字化、高分辨率、大量程、测量效率高、可靠性好等优点，在今后一段时期内仍将是位移测量的主要发展方向。本系统即采用了光栅位移测量技术。光栅位移检测闲环伺服控制系统由以下三大部分组成：( 1 ) 由标尺光栅、指示光栅、光栅读数头、及以单片微型计算机为核心的莫尔条文信号处理系统构成的光栅位移检测系统。( 2 ) 以步进电机作为执行单元、以微控制器做控制中枢所构成的闭环伺服控制系统。( 3 ) 机械传动精密位移工作台。2 3 1 位移测量的基本原理光栅传感器主要由主光栅( 标尺光栅) 、指示光栅和光路系统组成，如图2 6 ( a ) 所示。两光栅均匀的刻有相同密度的线纹，形成规则排列的明暗线条如图2 6 ( b ) 所示，称为栅距。当栅距分别为国和，的两光栅以很小的间隙叠合在一起，并且栅线相交成一个很小的角度，则当其中一块相对另一块运动时就会产生莫尔条纹，如图2 7 所示。通过光电变换、信号处理就可测出位移量。341 、光源2 、聚光镜3 、主光栅4 、指示光栅5 、光电元件( a )1 2( b )图2 6 光栅传感器组成。一f-jw , 彩图2 7 莫尔条纹形成原理设在一般情况下，两光栅与x 轴的夹角分别为l 、o 【2 ，两个光栅的第0 号线与坐标原点的距离分别为c l 、c 2 ，则任意第k 条莫尔条纹可由下式描述：v ：竺! ! 垫竺l 二竺! 墅! 竺! x 一k o ) l o ) 2 + c i ( 0 2 - c 2 6 0 1 ( 2 2 )0 5 2c o s 口j 一缈lc o s o 22c o s 口l 一0 9 1c o s f 2 2设t g f l ：竺! ! ! 呈竺! 二竺! ! ! 呈竺! x ，b =0 9 2c ：o s c t i 一缈】c o s 口2将t g f l 和b 代八( 2 2 ) ，则得y = t g f l b1 3k o ) i 甜2 + c l 国2 一c 2 国10 ) 2c o s 0 i 一缈1c o s 口2( 2 3 )式中，k 为莫尔条纹序号，即k 2 , - 1 ，0 ，l ，2 ，显然，式( 2 3 ) 表明，莫尔条纹方程( 2 2 ) 为一决定于足取值的直线方程。当第芷+ 1 条与第足条两条莫尔条纹在通过原点的垂直方向相减时，就可得出莫尔条纹宽度曰，即：b ：一竺! 竺!l2 + 22 2 m 1 2c o s ( 妒l 一妒2 )( 2 4 )一般采用功l = r 0 2 = 0 9 ，妒l = 9 0 。，妒2 = 9 0 。一占，代入( 2 4 ) 式得：b = 旦2s i n ( 詈)( 2 ，5 )这里口即两个光栅之闽栅线的夹角，一般秽取得很小，因此s i n ( 昙) * 昙，代入( 2 5 ) 式，则得：b ：罢( 2 6 )占、式( 2 6 ) 就是光栅测量的基本方程。栅距是一个较小的定值。当0取得很小，光栅相对移动一个栅距脚时，莫尔条纹则移动了一个很大的距离b 。这就是说光栅具有放大作用，因而可以实现高分辨率的位移测量。其主要特点是光栅运动与莫尔条纹运动，二者位移大小和方向有着确定的对应关系，有较大的放大作用( 其放大率为1 8 ) ，对于光栅误差具有平均效应。例如，如果单个栅距误差为6 ，而在有效的奈纹区域内如果有n 条刻线，其综合栅距误差为a ：尘。由于光栅具有以上优、n点，因此本系统采用了光栅位移检测技术。2 3 2 光栅位移检测控制器如前面分析，莫尔条纹是一直线族，当仍为9 0 。时，并考虑截距b4为0 时，则式( 2 3 ) 可写成下式：y = t g p x( 2 7 )而秽为直线的斜率，并且秽：旦，代入( 2 7 ) 式，则y _ bx( 2 8 )0 9。另一方面，光栅信号可以用付氏级数来描述：厂( 少) = a 。+ z a 。s i n ( 等y + )( 2 9 )n = lu由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式可得：厂( y ) = a 。+ z a 。s i n ( 兰竽爿+ )( 2 1 0 )h ：1w式中，a o 为光栅信号的直流分量，4 为光栅信号的谐波分量，为光栅信号初位相角。考虑到莫尔条纹移动一个条纹间距b 和标尺光栅相对指示光栅移动一个栅距是在同一时间完成的，所以可以用时间坐标t 来表示式( 2 1 0 ) ，即：，( r ) = a o + a 。s i n ( 2 n n t + 妒。)( 2 1 1 )采用空问滤波或电子学滤波等方法就可以消除谐波分量，获得只含基波成分的正弦信号，即得到：厂( f ) = a o + a is i n ( c o t + p )( 2 1 2 )光栅莫尔条纹信号通过光电变换传感器就可以转换为e c , t - g 号，即：矿( r ) = v o + vs i n ( 耐+ 驴)( 2 1 3 )将光信号变换为电信号后，还要经过一系列电子学系统，如放大、细分、整形、微分、整流和计数等，就可以得到含有位移信息的数字量再送到单片微机进行数据处理就可以给出位移测量结果。光栅位移检测控制器主要任务，除了完成上述信号拾取、信号变换，细分和计数的工作外，还要完成实时数据处理、对光栅位移检测过程实施逻辑控制、与闭环伺服系统通讯、给出位置反馈信息、与激光扫描检测控制系统通讯、进行数据变换等多方面的实时工作任务。光栅驱动软件结构框图如图28 所示。图2 8 光栅驱动软件结构框图62 3 3 闭环伺服控制系统将激光扫描检测系统和光栅位移检测系统集成，实现回转体零件的2 - 维多功能自动检测，必须有一个能实现轴向送进的伺服系统。为了有效的减少和排除滚珠丝杠螺距，螺旋副回程间隙、齿轮副齿隙导向及其他机械的传动误差，我们采用了数字闭环伺服控制系统。( a ) 闲环伺服控制系统的逻辑结构方案考虑到数据处理与控制的实时性要求较高，用单片微机作为系统的控制机。因此我们采用了数字式闭环系统，其逻辑结构如图2 9 所示：图中，l 为控制门，2 为驱动装置一一步进电机，3 为滑台一一测量工作台，4 为位置检测装置一一光栅副，5 为运算装置一一数字比较器。当滑台3 移动到某一位置时，检测装置4 将测得的实际位移量p反馈到运算装置5 中，和预置的指令值l 比较，得出l p = e 的位置差值。当l p 时，e 0 ，控制们1 一直打开，进给脉冲f 就一直通过控制门驱动滑台前进和倒退。当e = 0 时，意味滑台到达预期位置，于是立即关闭门1 ，进给脉冲f 不能通过门1 ，滑台则立即停止移动。图29 闭环系统逻辑结构图步进电机本质上是一种将数字量转换戍模拟量的d a 变换器，而光栅副本质上是一种将模拟量转换成数字量的a d 变换器，这种不需要增加d a 变换器或刖d 变换器的驱动装置和检测装置之间的数模匹7配的逻辑结构方案，不仅简化了系统，而且提高了可靠性，避免了转换误差，提高了精度，并降低了成本。本系统不仅考虑了模数匹配，还考虑了检测装置与驱动装置的当量匹配。作为检测装置的光栅副产生的莫尔条纹经光电变换及一系列信号处理后，一个脉冲相当1 m 的位移量，即光栅信号的脉冲当量6 i = 1u m ，而作为驱动装置的步进电机的脉冲当量6 = o 3 3 3u i t i 。6l 正好是6 的3 倍。因而脉冲当量也是匹配的。这种51 是6 的整数倍关系，不会产生由于当量不匹配而产生的误差。如前所述，当l p = iu m 时，即l p = 61 时，则：l - p ：互：3f 2 1 4 、6由式( 2 ，1 4 ) 可知，再向步进电机发送三个脉冲，正好到达预期位置，不会产生位移损失或超量，既不会产生误差。在这种情况下，误差只来自送进脉冲的量化误差，量化误差大小为6 ，只有o 3 3 3 m ，所以本系统的控制精度是较高的。( b ) 闭环伺服控制系统动态特性步进电机的传递函数可近似的表示为：g - ( s ) 2 而1 ( 2 1 5 )是一个惯性积分环节。机械传动系统的传递函数为：g 2 ( 耻面蒜- 1 6 )已知f _ 互上z 22 r e丌并一r l 2 = 了k ，善= 瓦号杀，代入上式得g ：( 沪云z 1 - 荔p 矿赢( 2 ，1 7 )式中：，= + ( 景) 2 ( t ，：+ m 妻( 丢) 2( 2 1 8 )厶1厶c 为速度阻尼系数，世为刚度系数，p 为滚珠丝杠螺距，i ，为电机转子和齿轮之间的转动惯量，l ，：、j 3 分剐为齿轮和滚珠丝杠的转动惯量，肌为工件滑台的质量，z 、z ：分别为齿轮1 、2 的齿数，。是系统的自然频率。可见机械传动系统是一个二阶振动环节。控制系统的结构框图如图2 1 0 所示：目2 1 0l 才j 环1 司服捏制糸毫兀结构稚吲为分析问题方便，不考虑步进电机的惯性特性，步进电机的传递函数为g 1 ( s ) = 詈，发送给步进电机一个脉冲时，步进电机输出一个步距角位移a ，就可看作是一个突变量，即为阶跃函数e 这样以2 詈寺7p代入公式，得系统总的传递函数为g ( s ) = g ( s ) g 2 ( s ) 。所以位移量的拉氏变换为：郴，5 毋求其原函数荆：f d 1 + 芒s i n ( 廊一妒) 1 一舌2扑妒珂- ( 蛏)吉其时间常数r ，由重掣：o 求得d t石f kc 2，4 i ，2( 2 1 9 )( 2 2 0 )( 2 ，2 1 )由此式可知，当系统的刚度k 大，摩擦阻尼小，转动惯量小，就可以缩小时间常数，提高定位精度。在机械设计中充分考虑了这一点。而在控制系统设计中，考虑在加减速的过程中，使每一个进给脉冲都有足够的时间在输出端反映出来，应使其周期t r 。，为此我们采用了加速特性与减速特性的优化设计，使加速脉冲频率从低到高，即脉冲周期从长到短，这样就可以减少失步误差，而在减速时，脉冲周期从短到长，从而可减少由于惯性而产生的超程误差。其特性曲线示意图如图2 1 1所示：l f “t )加堙稠醒啪、| f揖i+ 3 1 憋。旨瞬2 1 1步进电机特性曲线示意图采用线性加减速特性，并使每一步的梯形面积相等便于优化，优化数学模型如下：在加速段，渐加的脉冲周期a t 。，由下式给出：出2 丽i 2 蒜( m = m ) p i 丽写2 ( 希m 萧1 ) p、 ，一一+ 、if j 一一式中：声=乒巧式中：m 为加速段脉冲间隔数，m = 0 1 ，2 m 一1f 为等速段脉冲频率六为起动加速开始时进给脉冲频率在减速段，渐减的脉冲周期a t 。由下式给出f 。式中y =2征_ 面+ 、豫j i 葡。2。n。-。1。)。21。+。(。妥。_。)。2。+。(2。n。-1)式中：为减速停止时进给脉冲频率。这些优化控制都是通过微机实时控制完成的。2 4 上位机控制系统便于控制，也( 2 2 2 )( 2 2 3 )( 2 2 4 )( 2 2 5 )为实现二维尺寸动态检测，将工件的轴向和径向两个尺寸有机的联系起来，设计了上位机控制系统，使激光扫描检测于系统和光栅位移控制子系统联成一体形成一多机控制系统。p c 机和外围设备进行数据通讯的时候，可以有并行的和串行的两种方式。由于串行进行数据通讯传输线条数少，再加上有许多的较便宜的专用芯片可以实现它，这样发送和接收器也简单，因而，计算机和数字设备之间的近程通讯，多采用串行通讯的方式。计算机和外围设备的串行通讯有同步和异步之分。同步串行通讯是指在约定的波特率下，发送和接收的两个频率保持同步，因为传送和接收的每位数据都保持同步，故传输的信息位数几乎不受限制。但必须在串行数据中加入同步脉冲，接收时将其分离出来，以实现同步，因此，发送和接收器比较复杂，成本较高。异步串行通讯是指在约定的波特率下，传送和接收的数据不需要严格的保持同步，允许有相对的延迟，即频率差别不大于l 1 6 ，就可以正确的完成通讯，它实际上每传送一个数据靠数据的起始位同步一次，这种传送方式，虽然速度较慢，但是经济适用。所以本设计中下位机与上位机的通讯就采用异步串行通讯。图2 1 2 是本系统的通讯接口结构框图。图2 1 2 通讯接口结构框图串行通讯的整个数据传输过程是：由单片机发出信号，主控机接收到后发应答信号，并准备接收数据，单片机接到应答信号后，准备发送数据，说明整个挂钩过程成功。发送数据前，进行相关的初始化：发送数据时，从相应的数据缓冲区逐一取出数据送入发送缓冲器然后启动发送；数据发送完毕后，经计数和校验，判断一个采样点的数据是否全部送完，并在发现传输出错时重发数据。2 , 4 1 串行通讯总线r s 一2 3 2 c测量系统将测量结果向上位机传输，可以采用异步串行通讯总线。r s - 2 3 2 c 是美国电子3 - 业十力会( e l e c t r o n i c i n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ) 于1 9 6 2年公布的，1 9 6 9 年最后一次修订而成。r s 一2 3 2 c 主要用来定义计算机系统的数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 之问的接口电气特性。c r t 、打印机与c p u 通讯大都采用r s 2 3 2 c 总线。由于r s 一2 3 2 c 是在t t l 电路出现之前研制的，所以它的电平不是+ 5 v 和地，它使用负逻辑，其低电平0 在+ 5 v + 1 5 v 之间，而高电平1 在5 v 1 5 v 之间，最高能承受2 0 v 的信号电平。因此，r s 2 3 2 c不能与t t l 电平直接连接，使用时必须加上适当的接口电路，使得单片机输出电平转换成t t l 电平。r s - 2 3 2 c 标准只规定了采用一对物理连接器，对连接器本身的物理特性并没有定义，因而出现了各种类型的连接器，其引脚定义也不相同。其中2 5 针d b 一2 5 、9 针连接器d b 一9 实际中用得较多。r s 2 3 2 c 的信号分为两个信道组：一个主信道组和一个辅信道组，大多数计算机通信系统仅使用主信道组的信号线。2 4 2 单片机与上位机的串行通讯接口p c 机外总线采用标准的r s 2 3 2 串行通讯接口总线，其内部装有异步通讯适配器，它使计算机有能力与其它有标准的r s 2 3 2 串行通讯接口的计算机或设备通讯。m c s 5 1 单片机内部含有一个全双工的串行口，即能同时进行串行数据的发送和接收。单片机的串行口是t t l 电平，与r s 2 3 2 电平之间的转换就要用到电平转换芯片。本系统采用的电平转换芯片m a x 2 3 2 是一种新型的功能很强，当前较为常用的芯片。可完成t t l 与e i a 之间的双向电平转换，且内部有电压倍增电路和转换电路，工作电压+ 5 v 便可，使用起来非常方便。单片机与上位机的通讯接口如图2 1 3 所示。图2 1 3 单片机与上位机的串行通讯接口2 5 系统总体结构体系光电多功能二维自动检测仪的控制系统，是一多机分布式控制系统，由微机控制的两大部分，即激光扫描检测控制系统和光栅位移检测闭环伺服控制系统互相可以通讯，进行数据的交换和控制信息的传送，实现多功能的综合检测，各部分又可以独立运行，执行特定的任务。因此，系统工作可靠，功能丰富。系统的体系结构如图2 1 4 所示。2 4厂厂l 光栅控位制移系检统钡0数据共享实时数据通讯控制信息通讯激光控扫制描系检统光栅零位处理起停加减速控帝速度反馈控制紧急刹车行程越位控制正反向控制连续运行单步微动位移反馈控制l位移误差修正误差光柱显示备用电源切换电源掉电检测人机通讯轴向尺寸测量数字闭环伺服控制系统直径到位通知扫描电机控制激光扫描直径伺服控制位移产生位移传感器径向尺寸钡4量统计质量控制潮u量模式选择系统口1 走差修正人机通讯浈j量次数选择形状l l 长度形位误差ll数字显示ll 打印ll 声光报警图21 0 系统总体体系结构形住，口r差第三章基于虚拟仪器的光电二维自动检测仪的设计现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，正以不可逆转之势从各个层面上影响着各行各业的技术进步，今天的测控仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。一方面，计算机技术的进步为新型的测控仪器产生提供了现实基础，主要表现在：( 1 ) 微处理器和d s p 技术的快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件实现；( 2 ) 面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大的软件开发提供了可能性。另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求，主要表现在：( 1 ) 现代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之间能够互相通信，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，甚至根本不可能实现：( 2 ) 对于复杂的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变得现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深刻的影响。作为传统仪器的革新产品，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，已经成为2 1 世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛的应用。3 1 虚拟仪器的基本概念、构成及其特点2 0 多年前，美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出“软件即是仪器”的虚拟仪器( v i ) 概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。3 1 1 虚拟仪器的基本概念及构成传统的测量仪器主要由三个功能块组成：信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是由硬件或固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术，于是一个新型的仪器概念虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v 1 ) 出现了。虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形戍的一种新型的、富有生命力的仪器种类，在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。从使用上来说，虚拟仪器利用p c 计算机强大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板( 即软面板) ，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器远行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。硬件是虚拟仪器工作的基础，其主要功能是完成被测信号的采集、传输和显示输出结果。硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡( d a q ) 、串并口、i e e e 48 8 接口( g p i b ) 卡、v x i 控制器以及2 7其它接口卡。如图3 1 所示。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统以及这三者之间的任意组合。叫信号调理器卜| 数据、图像采集卜测卜叫g p i b 接口仪器hg p i b - 接- = 卡| 计试对iv x l 仪器| -算机象+ h 串行口仪器h+ 一茸官棒口h图3 1 虚拟仪器系统构成框图在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，有了上述的硬件基础，虚拟仪器还必须有相关的软件支持。虚拟仪器系统的软件可分为几个层次：系统操作层、仪器驱动层和应用程序层。仪器驱动层主要用于初始化虚拟仪器，设置参数和工作方式，使虚拟仪器保持所需的x - 作状态；应用程序层主要用于对采集的数据进行处理，用户通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能；系统操作层主要用于提供仪器与用户的接口，用户通过操作界面上的开关和按钮来模拟传统仪器的各种操作，实现对虚拟仪器的操作。软件才是整个系统的关键。虚拟仪器结构层次如图3 2 所示。正由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件( 如用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件)实现不同的功能。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。因此从某种意义上可以说：软件就是仪器。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于测量、测试、分析、计量等领域，而且还用于进行设备的监控，用于工业过程自动化。爿虚拟仪器应用程序( 软面板、各种功能模块)仪器驱动接口虚拟仪器软件开发环境( l a b v i e w l abw i n d o w s c v i ，h pv e e ，v b ，v c )虚拟仪器驱动程序通信接口操作系统v i s a 库d a q i o 库计算机仪剥接。仪爿接。仪d 接。仪爿接。fv x -i p x -f 。a qj - c 它i图3 2虚拟仪器层次结构图3 1 2 虚拟仪器的特点虚拟仪器软件结构摩与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于：( 1 ) 丰富和增强了传统仪器的功能。将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。2 9( 2 ) 强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。( 3 ) 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改增减，可方便地同外设，网络及其它应用连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，处理模块问通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的基础上通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定叉的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。( 4 ) 鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。在我国虚拟仪器设计、生产、使用也起步，我国有几家企业在研制p c 虚拟仪器，产品已达到一定的批量。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，各种相关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。3 03 2 虚拟仪器的分类虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：第一类：p c 总线一一插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如i a b v l e w 、l a b v l e w c v i 相结合构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受p c 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，i s a 总线的虚拟仅器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。第二类：并行i ：2 式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国l i n k 公司的d s o 2 x x x 系列虚拟仪器，它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。第三类：g b i b 总线方式的虚拟仪器g p l b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展