（机械制造及其自动化专业论文）基于蓝牙技术的多级测控系统层次模型研究.pdf

四川大学硕士学塑论文 基于蓝牙技术的多级测控系统层次模型研究 机械制造及其自动化 研究生张文指导教师黄劬 自2 0 世纪中叶以来，科学技术以从未有过的速度飞速发展。伴随着计算 机技术、电子技术、无线通信技术和自动控制理论的进展，测控系统已由简单 的测量控制机构发展到自动测量、自动控制阶段，其设备中的有线连接也逐渐 被无线连接取代。从而逐渐进入测控分离、遥控遥测的新时代。 本文针对球面孔位非接触测量系统对球体转位的定位精度和转位速度的 技术要求，开展了基于蓝牙技术的多级测控系统的研究，主要包括测控系统总 体方案论证、前端控制系统的1 瑷计、无线通信方案的确定以及中间层控制器的 设计等内容，主要可概括为以下几点： 1 在系统总体控制方案上，为满足转位机构定位精度的要求，制定了闭 环控制方案。针对在w i n d o w s 操作系统下用p c 机直接控制步进电机 实时性不强以及测控系统电缆过多等问题，确定采用基于蓝牙技术的 多级协同控制模式实现电机驱动及位置反馈等功能。 2 利用v i s u a lc + + 6 0i d e 开发平台，开发前端控制系统，并对系统的各功 能模块进行具体分析，特别是对系统输入输出信号( 特别是控制信号) 进行了较为深入的分析并通过程序予以实现。 3 阐述了基于p c 机i s a 总线中间层控制器( 蓝牙接口号) 的设计方法，对 蓝牙接口卡与p c 机i s a 总线的接口电路、时序及输入输出信号控制 进行了较为全面的分析，并根据本系统的特点制定了相应的通讯协 议。 4 在蓝牙通信方面，较为深入地分析了蓝牙技术的通信原理，针对其数 据传输的特点编制了具有较强纠错能力的通讯软件，保证了数据传输 稳定可靠。 基于本文所述的多级控制层次模型，在充分利用成熟技术的基础上，解决 阴川大学颈 学也论文 了无线测控系统备个环节的技术问题，并对自行设计的中间层控制系统和 模块化位置反馈部件进行了集成和整合，实现了各部件时序、功能的匹配。 经实践证明，本控制系统达到了“机器视觉球面孔位测量系统研究”项目 对转位机构运动控制精度和速度的技术要求，满足项目测量需要。 关键词；多级控制、蓝牙、测控、h c i 、蓝牙接口卡 i i 四川大学颂士学位论丈 r e s e a r c ho nh i e r a r c h i c a lm o d e lo fm u l t i - c o n t r o lm e a s u r e s y s t e mw i t hb l u e t o o t ht e c h n o l o g y m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t ez h a n gw e n s u p e r v i s o rh u a n g j i e s i n c em i d d l e2 0 t hc e n t u r i e s ，s c i e n t i f i ct e c h n o l o g yd e v e l o p e dw i t ht h eh i g h e r s p e e dt h a ne v e fb e f o r e a c c o m p a n yw i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , r a d i o c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i c c o n t r o l l i n gt h e o r e t i c ，c o n t r o l a n d m e a s u r es y s t e mw a ss i m p l yc o n t r o la n dm e a s u r ei n s t i t u t i o n ，a n dn o wi tw a g a l r e a d yo na u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i cc o n t r o ls t a g e i ni t sf a c i l i t i e s c a b l ec o n n e c t i o ni si n s t e a do fr a d i oc o n n e c t i o ns t e pb ys t e p t h e r e b y , e n t r a n c e m o d e me a ro f d e t a c h i n gc o n t r o la n dm e a s l 】r e r e m o t ec o n t r o la n d r e m o t em e a s l l r e 。 t h i st h e s i si sd e a da g a l m tt h et e c h n i c a ld e m a n do no r i e n t a t i o np r e c i s i o na n d r e v o l v i n gs p e e d ，w h e ns p h e r er e v o l v e di nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fp o s i t i o n sf o r h o l es e r i e s ，s t u d i e do nm u l t i c o n t r o lm e a s u r es y s t e mw i t hb l u e t o o t ht e c h n o l o g y i t m o s t l yi n v o l v e dd e m o n s t r a t i o no f t h et o t a lp r o j e c to f t h em u l t i c o n t r o la n dm e a s u l s y s t e m ，d e s i g n o ff r o n t - e n dc o n t r o l s y s t e m ，d e t e r m i n a t i o n o ft h er a d i o c o m m u n i c a t i o np r o j e c ta n dd e s i g no ft h es e c o n d l yc o n t r o l l e re t e ，i tc o u l db e r e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , i nt h es y s t e m i ct o t a lc o n t r o lp r o j e c t , i no m e rt os a r i s f yt h ed e m a n do n o r i e n t a t i o np r e c i s i o no ft h el o c o m o t i o nm a c h i n e ，m a k es u r et h ec l o s e dl o o p c o n t r o l l i n gp r o j e c ti st h eb e s t b a s e do nc o m p u t e rc o n t r o lm o d eo fs t e p p e rm o t o r , a i m e da tt h ed e f i c i e n c yo fr e a lt i m ew h e ns t e p p e rm o t o rw a sc o n t r o l l e dd i r e c t l yb y p cc o m p u t e ru n d e rt h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma n dt o om u c hc a b l ei nt h e i l l 四大学硕士学位论文 s y s t e m ，a d o p t e dt h em u l t i - c o n t r o lm o d ew i t hb l u e t o o t ht e c h n o l o g yw h i c hd i s p o s a l m u t u a l l y s e c o n d l y ，w i t hv i s u a lc + + 6 0i d ep l a t f o r m ，d e v e l o p e df r o n tc o n t r o l l i n gs y s t e m ， a n da n a l y z e dt h ef u n c t i o n a lm o d u l eo ft h es y s t e m p a r t i c a l a r l y , h o m ea n a l y z e d i n p u t - o u t p u ts i g n a l ( c o n t r o ls i g n a l ) a n dc a r r i e di to u tb yp r o g r a m m e t h i r d l y ，e x p o u n d e dt h ed e s i g no fs e c o n d l yc o n t r o l l e r ( b l u e t o o t hi n t e r f a c ec a r d ) o f b a s e do ni s ab u si np cc o m p u t e r ，g e n e r a l l ya n a l y s e dt h ei n t e r f a c ee l e c t r o c i r c u i t b e t w e e nt h ec a r da n di s ab u si np cc o m p u t e r , d i s t r i b u t i o no fc o n t r o l l i n gp i n s ，a n d a c c o r d i n gt o t h ec o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h i s s y s t e m ，e s t a b l i s h e dr e l e v a n t c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 f i n a l l y ，a to r i e n t a t i o nb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i n g ，h o m ea n a l y z e dt h et h e o r y a b o u tt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i n g ，p r o g r a m m e dc o m m u n i c a t i o n s o r w a r eo fs t r o n g e rc o r r e c t i o nf o rt h ec h a r a c t e ro ft h ed a t at r a n s m i t t e d a n dt h e n ， t h es e c u r i t yo f d a t at r a n s m i s s i o nc o u l db ei n s u r e d b a s e do nm u l t i - c o n t r o ls y s t e mo fm e a s u r e ，a n df u l lu s eo f m a t u r et e c h n o l o g y ， t h i st h e s i sr e s o l v e dv a r i o u so ft e c h n i c a lp r o b l e m s ，w h i c hp l a ya sk e yp o i n t si n w i r e l e s sc o n t r o ls y s t e mo f m e a s u r e ，a n ds t r e a m l i n et h ep a r t so fs e c o n d l yc o n t r o l l i n g s y s t e m a n df r o n t - e n d c o n t r o l l i n gs y s t e m , b o t h a r e s e l f - d e s i g n e d ，m a t c h e d s c h e d u l i n ga n df u n c t i o no fe a c hp a r t s i t sp r a c t i c e dt h a t ，t h i sm u l t i c o n t r o ls y s a c r n a c h i e v e st h et e c h n i c a ld e m a n d so np r e c i s i o na n dv e l o c i t yo fm o v e m e n tc o n t r o l l i n g o f l o c o m o t i o nm a c h i n e ，s a t i s t i e st h em e a s u r e m e n tr e q u e s t so f t h ei t e m k e yw o r d s ：m u l t i - c o n t r o l ，b l u e t o o t h ，c o n t r o la n dm e a s u r e ， h c i , b l u e t o o t hi n t e r f a c ec a r d 四川大学硕卜学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景 随着现代电子信息技术的发展，计算机自动测量与控制系统( 简称铡控系 统) 是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通信技术有机结合、综合发展 的产物。测控系统包含的内容十分广泛，它包括各种数据采集和处理系统、 自动测量系统、生产过程控制系统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等，广 泛用于航空、航天、核科学研究、工厂自动化、实验室自动测量与控制，以及 办公自动化、商业自动化、家庭自动化等人类活动的各个领域【2 1 1 3 。但是以上 各领域的测控系统，其与计算机的通信都是采用有线方式。如果现场设备较多， 或者数据传输或数据采集线缆较多，那么连接的电缆也将成比例增长。日积月 累，越来越多的线缆星罗棋布，给现场的操作造成极大的不便，而且极容易产 生现场事故( 如短路、火灾等) 。而连接线缆的增多也使布线成本和时间大大 增加。如果能够使用无线连接技术来代替一些有线电缆，不但可以提高工业现 场的安全性，同时可以减少生产成本。从安全性和生产成本考虑，测控系统采 用短程无线通讯技术是有必要的。 另一方面，测控系统维护，一般在现场进行，尽管可以采用有线局域网、 现场总线或各种接口技术来获得测控系统的状态参数，但是这类方法使用起来 不够方便灵活。在现场实时了解i p c 控制系统和测量系统的状态数据仍是目前 最常用的方法，与之相适应，近距离、高抗干扰的无线通讯技术成为满足这种 需求的关键技术之一。 短程无线连接使用比较广泛的有红外线、h o m e r f 、8 0 2 1 1 b 和蓝牙技术等。 h o m e r f 和8 0 2 1 l b 比较适用于办公室和家庭环境中。红外线是当今在工业现场 使用的无线连接。但是，因为红外连接是视距传输技术，要求传输双方之间没 有障碍物，有着先天的不足【4 j 。例如红外连接是视距传输技术，要求传输双方 之间没有障碍物。蓝牙技术是近些年提出的一个新的短距离无线传输技术，它 克服了红外线传输的上述缺点，对传输角度和障碍物没有任何限制。随着蓝牙 技术和测控系统网络化的不断发展，将蓝牙技术应用到工业现场上，实现测控 四川大学硕十学位论文 系统的无线连接将是技术发展的必然。 1 2 课题的来源及任务描述 1 2 1 课题来源 本课题来源于四川i 省科技厅应用基础研究项目和四川大学青年科技基金 研究项目“蓝牙技术在测控中的应用研究”，目标是将蓝牙技术应用于球面孔 位非接触测量系统，进而对蓝牙技术在测控系统中的应用模式进行初步研究。 1 2 2 课题任务描述 课题总体要求是测量球面孔系的座标位置，被测量部件是表面租糙度很低 的半球壳，其外半径从5 0 m m 到8 5 m m 不等，球体表面有按一定规律分布的中 1 0 5 m m 的通孔和盲孔，且所有圆孔的轴线均通过球心，在每一个被测量球 体的顶部均有一轴线经过球心且垂直于半球壳端面的通孔，该孔为测量的基准 孔，被测球体示意图如图l l 所示。 其具体要求是测量球体表面圆孔与基准孔之间的空间夹角，即测量孔系坐 标。要求每孔的转位及测量时间不超过4 0 s ，总的测量不确定度不超过3 0 ”。 其中，球体表面每个圆孔的测量与计算处理时间不超过2 4 s ，测量不确定度不 超过1 5 ”。测量系统球体转位装置每一孔位的转位时间不超过2 0 s ，转位误差 不超过1 5 ” 课题任务是把原有的测量机构和控制机构( p c 机) 采用蓝牙无线连接取 代电缆，实现测控分离，遥控遥测。 四川大学硕士学位论文 图1 1 被测球体示意图 1 3 小结 蓝牙技术是近几年来发展起来的近距离无线通讯技术，其应用主要是在信 息家电方面，其在工业上的应用在国内外还很少，现在网络技术的飞速发展， 必将引起测控技术的变革。试想如果在网络终端配置蓝牙芯片，则通过网络传 输数据进行无线通讯就可以进行异地测量和控制，现代技术的发展已经使其成 为可能。因此，本课题采用蓝牙技术实现集散型测控系统的无线通讯，对蓝牙 技术在测控中的应用进行初步探索，为以后的工业现场采用网络技术实现短距 离无线通讯、控制打下了基础。 四川大学硕士学位论文 2 测控系统的结构和原理 2 1 无线测量系统结构 测量系统的整个装置主要由球体转位系统、图像采集系统、无线控制系统 和后台处理计算机系统四大部分组成。 测量系统的主要组成部分为： ( 1 ) 球体转位系统主要包括球体央持机构、蜗杆蜗轮传动装置、驱动电机、 轴角编码器，数码显示箱等。 ( 2 ) 图像采集系统主要包括光源、物镜、分光片、光栅尺、数据采集卡、监 测用面阵c c d 和测量用线阵c c d 及其驱动器。 ( 3 ) 运动控制系统主要包括扫描步进电机、扫描步进电机驱动器、转位步进 电机及其驱动器、嵌入式蓝牙接口卡。通过蓝牙接口，实现运动控制系 统与步进电机及反馈元件的无线连接。 ( 4 )后台处理计算机系统主要利用计算机( p c 机) 在操作系统( m i c r o s o f t w i n d o w s9 8 版) 上运行应用软件，控制整个测量系统的运行，指示嵌入式无 线控制器驱动球体转位，带动线阵c c d 扫描圆孔图像；读取c c d 数据采集卡 上s r a m 内存储的图像数据和光栅数据；对圆孔图像进行处理及圆心识别， 根据测量数学模型计算两孔之间的夹角，并将其存储在后台数据库中 5 1 。 2 2 测量原理 本系统的任务主要是测量球体零件表面孔系位置，采用图像处理确定圆 心，结合空间坐标计算的方法予以实现。具体工作原理和算法推导如下： 针对本测量系统的被测球体，建立图2 - - 1 所示的几何模型5 11 6 。 4 四川大学硕十学位论文 图2 - - 1 球面孔系坐标几何模型 设球体顶部基准孔的圆心为a ，被测孔圆心为c ，基准孔轴线和被测孔轴 线之间的夹角，就是需要测量的角度。球体上4 、c 孔在y z 平面和忍平面内 夹角的设计尺寸分别是妒、y ，要测量彳、c 两孔的实际角度时，球体转位装置 首先按照设计尺寸把球体绕鼠】，轴旋转队y ，旋转运动采用闭环控制，只要 反馈元件精度足够，可保证转位精度远高于制造精度和测量精度，因而转位误 差可忽略。由于存在制造误差，c 点不会与4 点原位重合，假设转至p 点，求 球面上任意一圆孔中心点p 与基准孔中心点a 的角度关系数学模型如下： ( 1 ) 设在球体上，一个平面不通过球心与球表面相截的圆弧称为小圆 弧，而过球心的平面与球表面相截的圆弧称为大圆弧。 ( 2 ) 作计算辅助线： a 、作直线p q 垂直坐标平面x y 于点q ； b 、过点q 作直线o b 交坐标平面x y 上的大圆弧于点b ； c 、过平面o a b 作大圆弧a b ，则点p 必然在大圆弧a b 上，且o p = r ； d 、作直线q m 垂直y 轴于点m ，作直线q n 垂直x 轴于点n ； e 、作直线m s 平行于z 轴，交坐标平面y z 上的大圆弧于点s ，则平 面p q m s 在球面上的小圆弧为p s ； f 、作直线n t 平行于z 轴，交坐标平面x z 上的大圆弧于点t ，则平 四大学硕十学位论文 向p q n t 征琢回上明_ 、圆9 m 为p t ； ( 3 ) 若线段q m = a ，q n - b 为己知条件，则： o q ：晒丽= 霜哥 p q = 瓶两= 拉i 再而 p m = 厨丽= 归i 正丽= 厨 p n = 牺丽= 痧石万两= 厨 q o n ：a r c t a l l 皇竺：a r c t a i l 鱼 q m a 么p o a = o p q = a r c s i n 箜o p = a r c s i n 塑r ! ： z p m s = 么q p k t = a r c 如筹= a r c s 缸意 么朋= 么q p = a r c s i n 罱= a r c s i i l 了丽b ( 21 ) 一 ( 22 ) 一 ( 2 3 ) 一 ( 24 ) 一 ( 25 ) ( 26 ) 一 ( 27 ) _ _ ( 2 8 ) 显然，点p 绕x 和y 轴旋转到基准点a 位置时： 绕x 轴旋转的角度o = p n t ； 绕y 轴旋转的角度九= z p m s ； 点p 到基准点a 的空问夹角为么p o 。 在进行整个球面孔系坐标测量时，首先测量基准孔，得到它的中心点a 坐标为 ( x o ，y o ) 。然后把球面另一被测圆孔( 设其中心为点c ，如图2 1 所示) 按 设计尺寸转位至测量位置，由于点c 不可能完全与原来点a 处重合，假设点c 转位到非常靠近基准点a 的点p 处，此时点c 绕x 、y 轴旋转到点p 的角度 分别为v 、y ( 该值在闭环控制下完成转位，由反馈环节反馈至计算机。误差 忽略) 。最后对该圆孔进行测量，得到其中心点p 的坐标值为( x ，y ) ，设光学 成像系统放大倍数为p ，由图2 - 1 得： 6 四川大学硕士学位论文 a = ( x x o ) p 6 = ( y k ) i p ( 20 9 ) 一 ( 21 0 ) 口：z p n t ：a r c s i n 上：a s i n f ：兰三二l ( 21 1 ) r 2 一口2 户2 r 2 一( 。r 一五i ) 2 。一 五：z p m s ：a r c s i n l 岛：a r c s i n l 竺二l ( 21 2 ) r 2 6 2 p 2 r 2 一( 】，一) 2 一 由0 、l ，及k7 得到被测量圆孔中心c 到基准孔中心a 绕x 及y 轴旋转 的角度t i t 及1 3 为： 鼍叫+ ? ( 21 3 ) l = ，+ a 一一 即： i y k l 弘”一m 万露藩丽 1 = y + 羽c s t n j i 赫 2 - 1 4 实际测量时，x x o 和y - - y o 的值( 常在1 5 0 l a m 以下) 远远小于pr ， 式t 1 5 即为球面上任意圆孔到基准孔的绕x 轴旋转的转角c t 及绕y 轴旋 转的转角1 3 计算公式。其中，1 | ，为球体绕x 轴旋转的角度，1 ，为球体绕y 轴旋 转的角度，a 、1 3 、1 i ，、t 的单位均为弧度；p 为光路系统放大倍数，r 为球体 7 h一肚丛肚 一 一 四川大学硕士学位论文 半径，( 。，k ) 、( ，r ) 分别为由图像识别得到的基准孔和被测量圆孔中心的 坐标值。 从式2 - 1 5 可知，实现课题要求的角度测量主要任务就是获得如下两个几 何量： ( 1 ) 球体绕x 、y 轴转位的角度，即式21 5 中的v 和y ； ( 2 ) 在球体旋转到位的情况下，圆孔中心的坐标即式2t 5 中的x 和y s l 【6 1 。 2 3 测量过程描述 对每一个圆孔的测量过程为：p c 机发送转位指令到嵌入式蓝牙接口卡， 接口卡通过蓝牙模块传输指令到转位系统，转位系统将被测孔转位至光电测量 系统的物镜视场内，然后，启动扫描电机驱动线阵c c d 运动，由线阵c c d 扫 描圆孔图像，高精度光栅位移传感器用来记录线阵c c d 每一行的位置坐标i _ ”。 线阵c c d 每行包含5 0 0 0 个像元，每个像元间距为7l im ，故有效扫描宽度为 5 0 0 0 7i lm = 3 5 m m 。电机有效行程为3 2 m m ，因此，最大采集区域为3 5 m m 3 2 m m 。线阵c c d 扫描一个行程，就完成一次图像数据采集，由线阵c c d 采集到的数据和由光栅尺记录的线阵c c d 坐标的数据被送到数据采集卡中， p c 机通过数据总线从采集卡的s r a m 中读出c c d 数据和光栅数据，然后， 采用数字图像处理的方法对灰度图像进行处理，识别出圆心坐标【5 1 【6 l1 7 。具体 的测量方法： ( 1 ) 校正测量系统，使基准孔轴线与光电测头上的物镜轴线重合。 ( 2 ) 启动扫描电机采集基准孔图像数据，并识别出其圆心坐标。 ( 3 ) 利用球体转位装置将被测孔转过名义角度，其转位角度通过两轴端的高 精度轴角编码器进行反馈，以闭环方式实现球体转位控制。 ( 4 ) 重复( 2 ) 步，识别出被测孔圆心坐标，结合转位角度，根据式2 一1 5 即可得出两孔之间的实际夹角。 2 4 小结 这一章主要介绍整个系统的结构，测量原理和具体的测量过程。由测量原 理可知，测量系统的数学模型的具体实现是通过把三维坐标转化为二维坐标， 四川大学硕十学位论文 把曲面数据转化为二维平面数据来进行运算。这样不论是从硬件结构，还是从 软件运算上都易于实现。 9 网r l 大学硕十学位论文 3 测控系统总体方案研究 由第二章可知，要实现测量任务，至少需要控制三个步进电机，接收两个 电机的反馈信号，以及采集面阵和线阵数据。要实现这一系列功能，有如下几 种总体方案可以选择，但不同的方案在实时性、经济性以及实现的难易程度是 不同的。 3 1 用p c 机直接控制的测量系统 1 ) 直接用p c 机控制测量系统，这样的测控系统的优点是可直接使用p c 机硬件系统的原有接口( 如串口c o m l 、c o m 2 ) 而不需要扩展接口和设计接口电 路，设计人员只编写测控系统的应用程序就可以实现p c 机和测量系统的控制 连接。这样可以降低设计成本，缩短开发周期，然而，这样的系统最大局限性 是由于其p c 机接口有限，当测量系统需要多个控制信号或反馈数据时，直接 用p c 机控制测量系统就难以实现。如要实现本课题的测量此方案有以下不足： ( 1 ) 接口不足，由于一个电机有5 个信号( 咏冲、方向、脱机、左极限、右 极限) ，不管足用串口、并口还是u s b 口，或者三者都用上也满足不了系统要 求。 ( 2 ) 如果使用串口控制步进电机，需要进行电平转换。一般p c 机的串行口 为标准r s 2 3 2 口，根据标准规定：r s 2 3 2 采用负逻辑，即：逻辑“l ”( 一5 v 一 1 5 v ) ；逻辑“0 ”为+ 5 v + 1 5 v ：而步进电机驱动器一般接受t t l 电平( 0 + 5 v ) 。 所以要实现控制必须要进行电平转换。其实一个9 针串口也控制不了一个步进 电机，因为一个串口可用来发送数据的只有两“针”，其余七“针”只是串口 的控制线。而使用并口，虽然不需要电平转换，但是一般的p c 机只有一个并 口，它只能控制一台步进电机，难以实现3 台电机的控制。 2 ) p c 机直接控制方式，也可以用p c 机结合其i 0 接口卡来进行控制，所 采用的i o 接口卡通常是以8 2 5 5 或8 1 5 5 并行i o 接口芯片为核心的一块扩展 插卡。这种方法实际上是对微型计算机i o 口进行扩展，通过在p c 机上编写 控制函数，以产生控制信号，然后通过扩展的y o 口将控制信号输入到的相应 控制端，从而实现对测量系统进行控制，由于采用的y o 接口卡只是一块普通 l o 四川大学硕士学位论文 的8 2 5 5 并行f o 接口芯片，虽然是可编程的，但其内部不含c p u ，本身不具 备数据处理与执行程序的能力，所以需要在p c 机上编写控制程序的大量代码。 p c 机直接控制的测量系统方案最主要的缺陷在于p c 机现行使用的 w i n d o w s 操作系统屏蔽了计算机的很多硬件功能，不适合对硬件直接进行操 作。实践表明：由于w i n d o w s 操作系统是多进程系统，可以让多个程序“同 时”运行，实时性不强，有时候延时过长，这种方式会导致控制系统不稳定， 无法达到预期要求1 5 】。另外，如果要实现本系统的控制和读写要求，p c 机的 应用程序实现起来比较复杂。从系统开发周期和系统健壮性来考虑时，此方案 亦是很不适用的。 3 2 主从式有线测控系统 主从式有线测控系统，实质上是双核( c p u ) 多核结构。如本测量机构的 c c d 图像采集卡就是采用这种结构，p c 机控制数据采集卡的读写，数据采集卡 的c p u 则驱动c c d 扫描、读取c d d 图像数据和光栅尺记录的位置数据，并初步 处理这些数据。使用此方案几乎不受p c 机接口的限制，可根据需要随意扩展 接口，并且可以实现数据的并行处理。p c 机处理数据，不影响下位机的操作， 下位机数据读写也不影响p c 机运行。本系统的面阵采集( 使用u s b 口) 和线 阵采集( 使用i s a 总线) 都是采用这种方案，由于面阵采集卡和线阵采集卡是 购买现有产品，在此不作讨论。本文重点分析步进电机控制信号的主从式控制 卡。p c 机主从式控制模块一般采用以单片机、d s p 等微控制器为核心的智能 接口卡，其本身就具有执行程序和处理数据的功能。单片机工作可靠，实时性 强，易于编写控制程序【8 l 。在单片机中编写步进电机的控制程序，对步进电机 的控制可完全由单片机来完成，由它产生步进电动机的控制信号，p c 机只须 根据需要发送命令即可。这样就使p c 机从复杂的、实时性要求很高的步进电 机控制算法中解放出来，从而大大提高了系统效率，提高了控制的实时性，保 证了步进电动机的运动性能。 这种方案的不足在于控制器与电机及反馈元件之间连线众多，安装、调试 以及维护极不方便，并会因接插件的问题衍生出诸多问题，影响系统的稳定性 和可靠性。 四l i i 大学硕士学位论文 3 3 基于蓝牙技术的多级测控系统 由于要实现短距离无线通信，就必须采用无线模块取代电缆，在现今比较 成功的短距离无线通讯技术中选取满足要求的无线传输技术。如今比较成功的 短距离无线通讯技术有：蓝牙技术、红外传输技术、i e e e 8 0 2 1 l 和h o m e r f 等。 红外、i e e e 8 0 2 1 1 和h o m e r f 技术的诞生都早于蓝牙，并经过多年的发展，已 经日渐成熟，各项技术也不断得到提升。蓝牙技术、红外、i e e e 8 0 2 1 1 和h o m e r f 之间存在一定的竞争和相互影响，各有优势和实用领域。 3 3 1 几种无线技术的比较 1 ) 红外传输技术 红外传输技术是通过波长为8 5 0 n m 红外光传输数据。红外光线直线传输， 易受阻挡，只支持点对点视距连接，收发装置的光路夹角一般不大于3 0 。，常 用通信距离为l 3 m 纠。 红外技术的实现和操作都相对简单，成本也较为低廉，可应用于各种场合。 例如，两台电子词典互换词汇或升级，或者两台p d a 互换电子名片，这在任何 地方都可以方便实现。并且，由于短距离和小角度等原因，红外传输技术具有 很好的安全性和较强的抗干扰能力，另外红外传输速率较高，最高可达1 6 m b p s 。 蓝牙技术在其规范中专门定义了红外数据互操作性( i n f r a _ r e dd a t a a s s o c i a t i o n ，i r d a ) 协议，支持i r d a 的对象交换协议( o b j e c te x c h a n g e p r o t o c o l ，o b e x ) 协议以及其他基于o b e x 的对象交换方面的应用”q 。这是因 为红外技术的发展和这方面的应用已经相当成熟。若本系统采用红外传输，虽 然可以实现无线传输，但由于其传播媒质的限制，当进行数据传输时若有工件 或其他障碍物位于光路中，将导致数据传输失败。从系统的稳定性来考虑，本 系统不适合用红外技术。并且，红外传输有光路夹角要求，当一端的光路接口 方向改变较大时，另一端的光路接口也必须作相应的改变，否则将导致连接失 败，这样的系统安装、调试非常不方便。 2 ) e e e 8 0 2 1 l 协议 i e e e s 0 2 1 1 是美国电气电子工程师协会( i n s t i t u t ee l e c t r i c a la n d 1 2 四川大学硕士学位论文 e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 8 0 2 工作组制定的无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 标准，主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入p j 。 i e e e 8 0 2 1 1 只规定了开放式系统互联( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 参考模型的物理层和媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层，其m a c 层利用载波监听多重访问冲突避免( c s m a c a ) 协议；而在物理层，8 0 2 1 1 定 义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩谱方式和直扩方式。8 0 2 1 1 支持l l l m b p s 较高的数据传输速率，但是它只支持数据通信。为了进行无线数据通信， 数据设备必须先安装无线网卡。 8 0 2 1 l b 数据传输速率比蓝牙高很多，因而在局域网的无线接入应用方面 有一定的优势。基于8 0 2 1 l b 技术的无线网络接入点，可以很好地同时支持多 个无线用户接入本地局域网以及访问互联网。但是8 0 2 1 i b 在体积、功耗和成 本上是无法和蓝牙技术相比的，因而目前除了在网络接入之外，在其它功耗小、 成本低等要求的领域和设备( 比如移动电话和手提电脑) 上应用还很少。而本 系统对设备的基本要求就是功耗低、体积小，安装灵活方便。显然，使用 i e e e 8 0 2 i i 技术不符合本系统要求。并且，使用i e e e 8 0 2 1 1 技术的无线设备 其成本一般部比较高，这从设备成本考虑，本系统也不适合i e e e 8 0 2 1 1 技术。 3 ) h o m e r f h o m e r f 技术和i e e e 8 0 2 1 1 一样，也是无线局域网技术，不过它是专门为 家庭用户设计的。h o m e r f 利用跳频扩普方式，通过家庭中的一台主机在移动数 据和语音设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过 c s m a c a 协议提供数据通信服务。同时，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成， 支持广播、多播和4 8 位i p 地址”q 。 4 ) 蓝牙技术 蓝牙技术是一种无线数据和语音通讯的开放性全球规范，它是由 e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 和t o s h i b a 等公司于1 9 9 8 年联合推出的一项新 的短距离无线通讯技术m 。它最仞的目标是要取代手提电脑和移动电话等数字 设备上的电缆，使其成为性能最好，价格最低的一种短距离无线通信技术。 蓝牙技术的特点可以概括为以下几点： 1 ) 使用全世界通用的频段。通用产品可以方便快速地普及，必须使通信 四川i 大学硕士学位论文 频段位于全球各国都开放的频段上。使用该频段的产品无须事先申请也无须交 纳频段使用费。蓝牙技术就符合这样的条件。蓝牙产品采用全球通用的工业科 学医疗( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i c 、m e d i c a l ，i s m ) 频段，这个频段的产品其 发射频率都在2 4 g h z 以上i n l 。蓝牙产品射频模块将来自蓝牙基带控制器的低 中频信号调制为2 4 g h z 高频信号发射出去，并将收到的高频信号解调为低中 频信号送给蓝牙基带层控制器。蓝牙技术特别采用了快速跳频扩频技术 ( f r e q u e r n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 、时分多路复用( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s 。t d m a ) 技术及高斯滤波的二进制频移键控技术( g a u s s i a n f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，g f s k ) 的调制方式来避免与此频段上的其它通信系 统互相干扰。 2 ) 可同时发送语音和数据信号。蓝牙技术定义了电路交换和包交换的数 据传输类型，能够同时支持语音信息和数据信息的传输。目前电话网络的语音 通话属于电路交换( c i r c u i ts w i t c h ) 的类型，发话者和说话者建立起一条专 用的连线。网络上的数据传输属于包交换( p a c k e ts w i t c h ) 类型，包交换是 把数据切割后，以包的形式发送出去。这两种网络都不能同时传输语音和数据 信息。虽然，在网络上已经有很多利用包交换发送语音的应用服务，但是当网 络发生阻塞时，将增加各个包在传输时的延迟时间差，先发送出去的语音包有 可能后到达，这会造成语音断断续续的现象。只有蓝牙技术同时支持电路交换 和包交换的传输类型，才能同时支持语音和数据信息的传输。蓝牙支持一条异 步数据通信信道、三条同步语音信道或一条同时支持异步数据和同步语音信 道。语音信道的速率是6 4 k b p s ，语音编码采用脉冲编码调制( p l u s ec o d e m o d u l a t i o n ，p c m ) 或连续可变斜率增量调制( c o n t i n o u sv a r i a b l es l o p ed e l t a m o d u l a t i o n ，c v s d ) 。异步数据通信信道速率为：不对称时，一个方向为 7 2 3 2 z b p s ，其反向时为5 7 6 k b p s ；对称时为4 3 3 9 k b p s i l z j 。 3 ) 功率小，成本低。蓝牙技术在定义时即以轻、薄、小为目标，期望能 把蓝牙技术组合在单芯片内，达到单芯片成本低、功率低、体积小的目标。单 芯片与许多电子元件组成蓝牙模块后，以u s b 或r s 2 3 2 接口与现有的设备互相 连接，或是内嵌在各个信息设备内。 随着市场需要的不断扩大，各个蓝牙产品供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片 1 4 四川大学硕士学位论文 或模块，蓝牙产品的价格也随之飞速下降。目前蓝牙产品的量产成品价格已下 滑到4 美元，而且还会进一步下滑。蓝牙模块的功率可以根据使用摸式自动调 节。正常工作时，其发射功率是l m w ，发射范围一般可达l o m 。当传输量减少 或停止时，蓝牙设备将延长信号响应时间，进入低功率模式。也正因为蓝牙模 块消耗功率低，所以在设计蓝牙产品时，考虑蓝牙模块的散热问题是不太必要 的。 4 ) 应用广泛。根据蓝牙规范定义，蓝牙技术几乎可以应用在各种移动设备 上，蓝牙产品的应用框架也越来越多。蓝牙技术自从1 9 9 8 年成立蓝牙特殊兴 趣小组s 1 6 ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 到现在已有了8 个春秋。1 9 9 9 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 0 版；1 9 9 9 年1 2 月s i g 公布了蓝牙规范1 o b 版；2 0 0 1 年4 月s i g 公布了蓝牙规范1 1 版；2 0 0 3 年1 1 月s i g 公布了蓝牙规范1 2 版；2 0 0 4 年1 1 月s 1 6 公布了蓝牙规范2 0 版。自从蓝牙规范1 0 版推出之后，蓝牙技 术的推广与应用得到迅速的发展。到目前为止，s i g 成员已经超出了3 0 0 0 家， 几乎覆盖了全球。其成员包括通讯厂商、网络厂商、芯片厂商、软件厂商，甚 至消费类电器厂商和汽车制造商都加入了s i g 。由于蓝牙芯片制造技术的不断 进步，已经有7 0 0 多种蓝牙产品获得了s 1 6 的认证并被推向市场。这些产品涉 及移动电话、个人数字助理( p d a ) 、耳机、打印机、数码相机、无线网络接入 点和鼠标键盘等各种领域，消费量超过7 0 0 0 万件。毫无疑问，蓝牙技术