（计算机系统结构专业论文）高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计.pdf

捅要 色彩管理技术有着广阔的应用前景，近几年得到迅猛发展。而分光测色仪则 是色彩管理中不可或缺的高精度颜色测量设备。目前，动态分光测色仪技术还主 要掌握在美、德等国家。以实际应用需求看，现有测色仪器存在测量速度慢、成 本高、与现有先进技术脱节等缺陷，因此本课题旨在研制高速高精度分光测色仪。 论文主要是负责高性能分光测色仪的平台控制器的分析与设计。首先分析了 目前流行的g r e t a g m a c b e t h 公司的一款分光测色仪s p e e t r o l i n o & s p e c t r o s c a n t 的工 作方式以及s p e c t r o s c a n t 的硬件电路；针对其存在的不足、结合现有的新技术和 新产品，提出研制基于e z - u s bf x 2 的高速高精度分光测色仪的设计方案。方案 以提高测量速度和精度为主要设计目标；采用非接触式测量方式提高了测量速度： 利用集成u s b 接口的e z 。u s bf x 2 芯片来提高数据带宽；采用细分技术提高电机 运行质量；并用插补算法来提高电机运动轨迹的精确度。 论文工作为研制高性能分光测色仪奠定了基础。 关键词：分光测色仪高速高精度e z - u s bf x 2 细分插补 a b s t r a c t t h ec o l o rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yh a sb r i g h tf u t u r ei ni t sa p p l i c a t i o n i th a sg o t f a s td e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s t h e s p e c t r o p h o t o m e t e r a sak i n do fc o l o r m e a s l l r e m e md e v i c ew i t hh i g ha c c u r a c yi s i n d i s p e n s a b l ei nc o l o rm e a s u r e m e n t c u r r e n t l y ，t h et e c h n o l o g yo f d y n a m i cs p e c t r o p h o t o m e t e ri sc o n t r o l l e db yf e wc o u n t r i e s ， s u c ha sa m e r i c a , g e r m a n y h o w e v e r , a e e o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d s ，t h e r ea r eal o to f f a u l t se x i t i n gs p e c t r u md e v i c ef o rt h ec o l o rm e a s u r e m e n t , s u c ha ss l o ws p e e d ，h i g hc o s t a n dt h eo u t d a t e d t e c h n o l o g y s ot h i ss u b j e c t i st o d e v e l o p ah i g h - s p e e da n d h i g h - a c c u r a c ys p e c t r o p h o t o m e t e r t h ep a p e rm a i n l yf o c u so nt h ea n a l y s i sa n dt h ed e s i g no fah i g hp e r f o r m a n c e s p e c t r o p h o t o m e t e rp l a t f o r mc o n t r o l l e r f i r s t , i ta n a l y z e st h ew o r ks t y l eo ft h ep o p u l a r s p e c t r o p h o t o m e t e r - - s p e e t r o l i n o & s p e c t r o s c a nt o fg r e t a g m a c b e t hc o r p o r a t i o na n d t h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i to fs p e c t r o s c a nt t h e n ，a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g eo f s p e c t r o s c a nt ，t h ep a p e rp o s e sap r o p o s a lt od e s i g nah i g h - s p e e da n dh i g h - a c c u r a c y s p e e t r o p h o t o m e t e rb a s e do ne z u s bf x 2 ，c o m b i n i n gt h en e wt e c h n i q u ea n dn e w p r o d u c t t h ep r o p o s a la i m sa th i g h s p e e da n dh i g h a c c u r a c ys p e c t r o p h o t o m e t e r i t a d o p t su n t o u c h a b l em e a s u r e m e mw a yt or a i s em e a s i l r es p e e d ；i tu s e se z - u s bf x 2c h i p i n t e g r a t e db yu s bi n t e r f a c et or a i s et h eb a n d w i d t hf o rc o m m u n i c a t i o n ；i ta d o p t sm i c r o s t e p p i n gt e c h n i q u et oi m p r o v et h em o v e m e n tq u a l i t yo fs t e p p i n gm o t o r ；i ta d o p t s i n t e r p o l a t i n ga r i t h m e t i ct or a i s et h ea c c u r a c yo fs t e pm o t o rs p o r tt r a c k t h e s i sw o r km a k e saf o u n d a t i o nt od e v e l o ph i g hp e r f o r m a n c es p e c t r o p h o t o m e t e r f o ro u ro w nc o u n t r y k e y w o r d ：s p e c t r o p h o t o m e t e r e z u s bf x 2 h i g h - s p e e da n dh i g h - a c c u r a c y m i c r os t e p p i n g i n t e r p o l a t i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文章特别加以标泣和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：二荔鑫蕊 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解窘后遵寸此舰定) 本人签名： j 车森 r 期： 二! z ： 导师签名闩期 严 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着计算机技术的飞速发展，特别是近年来多媒体技术的突飞猛进和彩色印 前技术的日益普及，人们对彩色图像的应用越来越广泛，同时对图像质量的要求 也越来越高。由于彩色图像有着比文字、声音和灰度图像更丰富的内涵和更强的 表现能力，人们广泛地使用彩色图像，以求更准确地传达信息和达到更好的视觉 效果。研究人员不断探索，力求实现“所见即所得”( w y s l w y g ) 的效果【1 】【2 】。 色彩信息的获取、存贮、传送、处理及再现通常是通过多个环节、多种设备 来实现的。要达到色彩效果统一的目的，对各种设备的彩色特性提出了相应要求。 在信息获取环节，摄像机、照相机、扫描仪应能真实反映对象的色彩和颜色特征； 在信息传递环节，应能准确描述和无失真传递色彩信息；在信息输出环节，打印 机、显示器等彩色信息输出设备，应能真实、准确再现对象的色彩或颜色特征。 现有彩色信息输入输出设备受成像机理、工作原理、制造工艺水平等制约因 素的影响，不能实现色彩信息的准确获取、传送、再现，存在颜色和细节失真。 彩色输入输出设备的上述性能缺陷，极大地影响了色彩信息获取、传送与处 理的准确度和一致性。这不仅影响视觉观感，也会使同一色彩信息在不同设备上 有不同的理解和不同的效果。 在某些行业如纺织、油漆、涂料等，产品颜色的正确与否是个至关重要的质 量指标。由于颜色输入系统性能上的缺陷，使得对于产品颜色的控制难以得到很 好得把握。因此，在纺织、油漆、涂料等行业以及其他一些电子产品等都受到了 极大的挑战。 八十年代初期出现了静态分光测色仪，八十年代后期出现了动态分光测色仪， 它们的出现使得颜色的输入及管理上了一个新台阶，达到一个新的高度。但是在 现代生活中，人们对颜色的要求越来越高，对应颜色检测设备分光测色仪的精度 及工作速度等，都已经显得力不从心。 1 2 测色仪简介 高性能分光测色仪，是一台运用光学原理，高速高精度的全自动颜色测量仪 器，它主要是通过光学原理将采集到的光信号转化成对应的颜色信号，然后将颜 色信号转化为电信号，并对光电信号进行数字化，达到精准描述和记录颜色的目 高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 的吼 新型高速测色仪改变了过去机械扫描式测色仪笨重复杂的结构，使仪器变得 简单轻巧，而且测色可在瞬间完成。目前主要有两种测色仪：光电积分色度仪和 分光光度测色仪1 4 j 。 光电积分色度仪，利用具有特定光谱灵敏度的光电积分元件，直接测量光源 色或物体色( 两者统称为色源) 的三刺激值或色度坐标。 分光光度测色仪，利用分光光栅对捕获的光信号进行光谱分离，分离的光谱 信号投射到线性的光电二极管上，经光电二极管转化成对应的光谱电信号，光电 信号经数字化及相关数据处理后，求得光信号的颜色值。 1 3 研究现状 动态测色仪作为色度学研究不断深入与微处理器技术迅速发展的结晶，较静 态测色仪有更大的优越性。如动态测色系统为生产现场提供连续的颜色测量，给 整个系统及各子系统提供反馈信号，从而为在线颜色连续监控系统的实现提供必 要的检测手段。动态测色仪日前只有美国、德国等有能力生产，已广泛应用在多 个领域，并取得很好的效果。 对照实际应用需求，现有测色仪存在以下主要不足： 1 ) 工作速度慢 目前国外自动多样本测色仪的平均测色速度普遍为每样本l 3 秒，且不包括 手工操作的耗时。在打印机高精度校正时，对每一种打印介质需测约3 万个样本， 测一次设备特性需耗时三个工作日；国内生产的测色仪只能进行单样本的测试， 检测并记录一个样本的色度值平均需要1 分钟，只能用于少量样本的检测。 2 ) 价格高 进口整套设备售价约1 2 万元，不利于国内普及使用。 由于国产高精度的颜色测量仪器，现在仅能应用于化工等方面，具有专用性： 其测量方式也是单点测量，毫无速度可言；精度方面跟国外相比也是差距很大。 因此，国内的颜色测量技术跟国外相比还有不小的差距。 这些都说明：研制物美价廉、动态高速高精度的分光测色系统已成为当务之 急。高速高精度分光测色仪的研制，能为高性能信息输入输出设备的研制和使用 提供用于设备彩色特性自动测控的高性能检测仪器和色彩管理软件，提高设备的 性能和技术水平。 第一章绪论 1 4 本文主要工作 为了克服现有测色仪存在的不足，达到研制自己的高速高精度分光测色仪及 色彩管理系统的目的，本文的工作是，针对高速高精度分光测色仪，设计其测试 平台的智能控制器，为高速高精度的颜色测量提供支持。 本文首先对g r e t a g m a c b e t h 公司的s p e c t r o s c a nt 分光测色仪的工作方式及硬 件电路进行了详细分析；然后针对其存在的不足、结合现有的新技术及应用需求， 提出基于e z - u s bf x 2 的高速高精度分光测色仪的设计方案。为了提高测量速度 和测量精度，本设计方案采用了非接触式的测量控制方式；采用了e z u s b 的高 速u s b 接口技术来提高数据带宽；采用细分控制技术来提高步进电机的定位精度； 采用插补算法来提高电机运动轨迹的精确度。文中给出了高速高精度分光测色仪 平台控制器的硬件设计和部分软件设计。 本文各章节安排如下： 第一章：绪论。概述本课题研究背景及相关研究的进展和现状。 第二章：s p e c t r o s c a nt 控制电路分析。首先分析了s p e c t r o s c a nt 的工作方式， 然后按照功能将整个s p e c t r o s c a nt 控制电路划分为六大模块，并对每一模块的电 器特性做出了详细的分析。 第三章：基于e z - u s bf x 2 的分光测色仪平台控制器总体设计。针对 s p e c t r o s c a nt 的不足，结合现有新技术，提出了高性能分光测色仪平台控制器的 总体设计方案。 第四章：高性能分光测色仪平台控制器硬件设计。分模块进行设计高性能分 光测色仪平台控制器的硬件电路。 第五章：高性能分光测色仪平台控制软件设计。对高性能分光测色仪平台控 制软件的关键点进行软件设计。 结束语。对本文的工作进行总结，指出创新点及下一步的改进意见。 第二章s p e c t r o s c a nt 控制电路分析 5 第二章s p e c tr o s c a nt 控制电路分析 s p e c t r o l i n o & s p e c t r o s e a nt 是款由g r e t a g m a c b e t h 公司研制的精度比较高 的分光测色仪，其主要由s p e c t r o l i n o 和s p e c t r o s c a nt 两部分组成，s p e e l r o l i n o 是 测量头，s p e e t r o s c a nt 是测量平台。s p e c t r o l i n o 和s p e c t r o s c a nt 协调工作能够共 同完成色块的自动测量功能。其工作方式为，s p e c t r o l i n o 能够方便地安装在 s p c c t r o s c a nt 提供的可活动的支架上，经由软件驱动，s p e c t r o s c a nt 能够准确定 位s p e c t r o l i n o 的测色位置，并驱动s p c c t r o l i n o 测色。此分光测色仪最大的特点就 是能够自动测量多个色块，而且精度比较高，为颜色测量工作提供了极大的方便。 因此对于s p c c t r o s c a nt 的分析非常有意义。 2 is p e c t r o s c a nt 控制电路的总体结构及功能框图 s p e c t r o s c a nt 作为s p e c t r o l i n o & s p e e t r o s c a nt 的测量平台，其外部功能特性 如下： s p e c t r o s c a n t 通过串口r s 一2 3 2 与计算机相连，即采用串口通讯； s p e c t r o s c a nt 有一控制面板可以进行人机对话，对仪器进行设置及状态显示： s p e c t r o s c a nt 能够控制测量头在x y 二维平面上运动，从而准确定位要测量 色块的位置。当到达准确的位置时，驱动测量头落下，完成测色动作，然后抬起 测量头，继续下一色块的测量。因此s p e c t r o s c a nt 通过对3 台步进电机的协调驱 动控制来完成色块测量工作； s p c c t r o s c a n t 能够采用静电吸附技术将待测量介质固定在x y 测量平台上： 当对透射介质进行测量时，s p c c t r o s c a nt 能提供标准的透射光源及透射测色 控制。 根据s p e c t r o s c a l lt 提供的功能，我们可以描绘出其功能框图2 1 。 图2 i s p e c t r o s c a nt 功能框i 墨| 6 高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 根据s p e c t r o s c a n t 的功能框图以及对整个s p e c t r o s c a n t 控制电路的分析，我 们可以归纳出s p e c t r o s c a n t 的控制电路总体结构如下图2 2 所示。 以下将就s p e c t r o s c a nt 控制电路各功能模块的结构及组成原理进行详细的分 析。 赛 辎 奄 当 妄 删 制 蟪 图2 2 s p e c t r o s c a nt 控制电路总体乡上构 第二章s p e c t r o s c a nt 控制电路分析 7 2 2 电源接口 电源接口如图2 3 所示。电源输入为+ 5 v ( 标记为v c c ) 、+ 5 v 地( 标记为 g n d ) 、+ 4 6 v ( 标记为v d ) 、+ 4 6 v 地( 标记为v g l 叮d ) 。 在整个s p e c t r o s c a n t 的控制电路中，所有芯片都需要数字+ 5 v 作为其芯片内 部数字部分供电。而对于电机驱动芯片l 6 2 1 9 ，则还需要v d ( + 4 6 v 的高压) ， 作为步进电机的驱动电源；同时电源接口还为照明电路及静电吸附模块提供电源。 9 二r 8 g _ n r d 7 6 = j 弋号 5 4 3 习一邕望- - - j 2 l 图2 3 电源接口电路 2 3c p u 及周边电路 主控c p u 模块是整个s p e c t r o s c a nt 控制电路的核心，它主要负责s p e c t r o s c a n t 平台的流程控制和数据调度。s p e c t r o s c a nt 控制电路的主控c p u 为西门子公司 的1 6 位嵌入式微控制器s a b8 0 c 1 6 6 。e p r o m 是a t m e l 公司的a t 2 9 0 c 0 1 0 a ，r a m 是韩国现代公司的h y 0 2 w t 0 8 1 e d 7 0 c 。 2 3 1c p u 及存储器扩展 1 主控c p u s a b 8 0 c 1 6 6 是高性能1 6 位的c m o s 单片机1 5 】，在2 0 m h z 的系统时钟下指令 周期为1 0 0 n s ( 乘法指令为5 0 0 n s ，除法指令为l u s ) ；片上r a m 为1 k b y t e ，无片 上r o m ，它的总线宽度可以设定( 8 位或1 6 位外部数据总线，复用或非复用外部 数据地址总线) ，有1 0 个1 0 位a d 转换器输入通道；7 6 个通用i o 接口，两个串 行通道( u s a r t s ) ，1 6 个c a p t u r e c o m p a r e 单元。图2 4 为s a b 8 0 c 1 6 6 的结构图。 s a b 8 0 c 1 6 6 的工作时钟频率为2 0 m h z 。通过引脚x t a l l 和x t a l 2 外接振荡 频率为2 0 m h z 的晶振。复位信号r s t i n # 由电源监控芯片m a x 7 9 1 的r e s e t 群引 脚输入，当v c c 1 v 时产生复位信号。b u s a c t # 、e b c l 、e b c 0 三个输入引脚设 定系统总线宽度，在s p e c t r o s c a nt 系统中三个引脚同时接地，采用8 位数据总线、 与地址总线不复用模式。 高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 图2 4s a b 8 0 c 1 6 6 的结构框图 p 4 0 l a d l 6 、p 4 1 a d l 7 用来扩展存储器，a 1 6 作为地址低位，a 1 7 作为地址 高位。s a b 8 0 c 1 6 6 的片上r a m 大小为1 k b y t e 。为了满足应用要求，系统扩展了 r a m 和r o m 。片外r o m 的片选信号由p 4 1 a d l 7 间接控制。 s a b 8 0 c 1 6 6 有两个串行通信通道( u s a t a s c o 和u s a t a s c l ) ，实现同步或 异步方式与外部设备串行通信。 s a b 8 0 c 1 6 6 的端口2 是1 6 个c a p l l j r e c o m p a r e 单元，用来处理高速i o 任务，如产生脉冲和波形、脉宽调制、软件定时、对外部时间进行时间响应。 在s a b 8 0 c 1 6 6 上，有1 0 个1 0 位的a d 转换通道。通过内部设置，该1 0 个 a d 转换通道还可作为通用的输入接口使用。 s a b 8 0 c 1 6 6 作为系统c p u ，主要完成与上位机及测量头的通信控制及测量头 在测量平台的移动定位控制，同时通过操作控制面板，实现控制系统的参数设定 及状态显示。 2 扩展r a m s p e c t r o s c a n t 系统利用h y 6 2 w t 0 8 1 芯片【6 】扩展了r a m ，h y 6 2 w t 0 8 1 是高 速低功耗3 2 k b y t e 的8 位c m o ss r a m ，工作电压为5 v 。 h y 6 2 w t 0 8 1 芯片的片选信号由译码电路来提供信号。r a m 的读写操作由主 控c p u 的读写信号控制。地址信号由c p u 的a 0 a 1 4 来提供，数据信号有d o d 7 来提供。r a m 的地址空间为0 0 0 0 h 7 f f f h 。 3 扩展r o m s a b 8 0 c 1 6 6 无片上r o m ，为满足系统的需要，需扩展r o m 。a t 2 9 c 0 1 0 a 是 可编程可擦写1 2 8 k b y t ep e r o m 7 1 ，其地址空间为0 0 0 0 0 h 1 f f f f h 。读写操作由 系统c p u 读写信号控制。当a 1 7 输出为高，选中扩展r a m ，a 1 6 接在c p u 的 p 4 0 a d l 6 ，即r a m 的地址空间为0 0 0 0 0 h 1 f f f f h ，读写由系统c p u 的读写信 第二章s p e c t r o s c a nt 控制电路分析 9 号控制。 该芯片在线擦写只需5 v 电压，操作方便，写入数据时，以1 2 8 字节大小为单 位写入，支持芯片整体擦除功能，还可编程控制不可擦除模块( 保护系统启动时 用的程序) 。 2 3 2 时钟电路 s p e c t r o s c a nt 主控制板上8 0 c 1 6 6 的时钟电路由一个有源晶振提供，如图2 5 所示。 图2 5 时钟电路图2 6 参考电压电路 2 3 3 参考电压电路 v a r e f 引脚是8 0 c 1 6 6 的参考输入电压。参考电路如图2 6 所示。图中v a r e f 通过一个3 3 0 欧姆的电阻和v c c 相连，三极管q 的基极b 、射极e 相连并接地， 形成一反偏二极管。反偏的二极管实现稳压管的功能，提供稳定的v a r e f 输出。 当v a r e f 处电压升高超过b c 二极管的反向击穿电压时，b c 被反向击穿，由于二 极管在反向击穿时电流会突然增大，因此流经r 的电流增大，增大的电压几乎全 部落在r 上，此时v a r e f 处的电压时钟保持在某一电压范围内，从而起到稳压的 作用。 2 4 步进电机驱动电路 电机驱动模块主要是通过控制步进电机的正反向运动来控制测量头在x y 平 台的运动及测量头的上下抬落，从而实现被测样本的准确定位及测量。在主控制 电路板上主要是通过3 片s t 公司生产的l 6 2 1 9 芯片来驱动三台步进电机协调工 作，来完成测量头在x y 平台上的准确定位及抬落，从而完成测色工作。 o 高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 2 4 1l 6 2 1 9 芯片 l 6 2 1 9 1 8 1 1 9 是一个具有双极性的集成电路，它能控制和驱动两相步进电机，还 可以双向控制两个直流电机。它和几个外部组件组成的电路通过逻辑电路或微型 处理器来控制驱动步进电机。 l 6 2 1 9 的内部是一个双向的h 桥驱动电路，辅以4 个续流保护二极管，驱动 电路的供电电压可达4 6 v 。 交叉传导保护避免了在驱动电路切换时的同步交叉导通。一个内部的脉冲宽 度调制可把电流控制在7 5 0 m a ，最大电流可达1 a 。两个外部逻辑输入和一个外部 参考电压保证了输出电流可在一个大范围内变动。相位输入信号决定了当前电流 的方向。如果芯片的工作温度超过安全限制，那么热保护电路会使芯片输出无效， 因此l 6 2 1 9 具有很高的可靠性和稳定性。 l 6 2 1 9 芯片的数字电路部分是一个5 v 的逻辑，逻辑输入高电平最低值为2 4 v ， 低电平的最高值为0 8 v ，芯片工作期间的参考电压为1 5 7 5 v 。 l 6 2 1 9 支持细分技术，可实现对步进电机的四细分控制。 引脚说明： o u t l a ，o u t i b ：输出引脚，与步进电机的一相绕组相连； o u t 2 a ，o u l r 2 b ：输出引脚，与步进电机的另相绕组相连； s e n s er e s i s t o r ：通过一个感知电阻接地； c o m p a r a t o ri n p u t ：输入引脚，电压比较器的输入： g r o u n d ：接地端； i n p u t 0 ，i n p u t l ：输入引脚，能够根据电压比较器来设置当前电流输出。输 出电流的大小还与感知电阻和参考电压有关： p h a s e ：输入引脚，决定电流的方向。高电平时电流从o u t p u t a 流向 o u t p u t b 。 r e f e r e n c ev o l t a g e ：参考电压输入端，决定输出电流的大小： r c ：输入引脚，一个r c 网络连接到这个引脚来设置晶体管高电压的关断时 间，脉冲产生器是一个被电压比较器输出信号触发的单稳态电路。 2 4 2 步进电机工作原理 步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或直线位移的执行机构i l o l 。当步 进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固 定的角度( 称为“步距角”) 。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通 第二章s p e c t r o s c a nt 控制电路分析 过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时还可以通过控 制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可 以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，可广泛应用于各种 开环控制的场合。 步进电机如同普通电机，有转子和定子，定子上有绕组，他们分为若干相， 每相磁极上有极齿，转子上也有若干个齿。当某相定子绕组通以直流电励磁后， 便能吸引转子，使转子上的齿与定子的该相极齿对齐，而其它相定子齿与转子错 开一个小的角度。当各相绕组轮流通以电流时，步进电机就一步一步地转动。步 进电机的定子可做成三相、四相、五相、六相甚至八相等，相绕组可按单拍通电 或双拍通电。 因此，电机一旦通电，在定转子间将产生磁场( 磁通量) ，当转子与定子错 开一定角度产生的力f 与( d o d o ) 成正比。如图2 7 所示。 一。 其中：l 们 磁通量吐声b p s ，b r 为磁密，s 为导磁面积。，牟一 f 与l * d * b r 成正比，l 为铁芯有效长度，i i d 为转子直径。 i b r = n i ，r 图2 7 磁通量示意图 式( 2 1 ) n i 为励磁绕阻安匝数( 电流乘匝数) r 为磁阻。 力矩= 力半径 力矩与电机有效体积+ 安匝数+ 磁密成正比( 只考虑线性状态) 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩 越大，反之亦然。 2 4 3 步进电机细分原理 一般步进电机的当前位置是由磁场合成决定的1 9 】【j l 】，如图2 8 ( b ) 所示。图2 8 ( b ) 是利用线圈个数及线圈通电次序的关系来直接驱动电机，此时合成的最小角度是 固定的。采用细分技术实现对线圈中电流细分时，电流引起的合成磁场决定电机 的角度，用电流合成图来代替磁场合成图，如图2 8 ( a ) 所示为电流矢量合成图。 因此，步进电机通过细分驱动控制，其步距角变小了。如驱动器工作在1 0 细 分状态时，其步距角只为“电机固有步距角”的十分之一，也就是：当驱动器工 作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1 8 0 ；而用细 分驱动器工作在1 0 细分状态时，电机只转动了0 1 8 0 。 2 高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 i io 一【r 飞一 图2 8 矢量合成图 细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。 细分驱动控制的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡；提高了电机的输出转 矩( 尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约3 0 4 0 ) ；提高了电机的 步距分辨率。 2 4 4 步进电机工作电路分析 步进电机驱动模块采用s t 公司的l 6 2 1 9 细分驱动芯片，如图2 9 所示。电源 输入包括v s 、v c c 、4 个g n d 等，输入部分主要包括1 0 1 、1 0 2 、1 1 1 、1 1 2 、p h i 、 p h 2 、r e f i 、r e f 2 等，输出部分主要包括o u t l a 、o u t 2 a 、o u t l b 、o u t 2 b 等，其他6 个引脚作为l 6 2 1 9 的外围电路接入引脚。 图2 9 步进电机驱动电路 电源部分中，v s 是用来作为电机驱动的高压，用4 6 v 作为其电压输入，从而 保证l 6 2 1 9 的输出电流能够达到7 5 0 m a ：v c c 为芯片提供+ 5 v 的数字电压；g n d 第二章s p e c u o s c a nt 控制电路分析 1 3 提供数字地信号。 输入部分中，主要包括两部分：细分控制信息和参考电压的输入。 相位：p h 代表相位，决定电流的输出方向。高电平时，电流从o u t p u t a 流 向o u t p u t b 。由l 6 2 1 9 的芯片资料我们知道，芯片可提供两路输出，因此，p h i 、 p h 2 分别决定着两路输出电流的方向。p h l 决定o u t i a 和o u t l b 的电流输出方 向；p h 2 决定着o u t 2 a 和o u t 2 b 的电流输出方向。当p h i 为高电平时，电流方 向时从o u t l a 流向o u t l b ；当p h l 为低电平时，电流方向是从o u t l b 流向 o u t l a ；当p h 2 为高电平时，电流方向时从o u t 2 a 流向o u 他b ；当p h 2 为高 电平时，电流方向时从o u t 2 b 流向o u t l a 。 逻辑输入：1 0 1 、1 0 2 、1 1 l 、1 1 2 是四个逻辑输入，控制着电流输出的大小。l 6 2 1 9 支持细分技术，其细分技术是通过1 0 1 、1 0 2 、1 1 1 、1 1 2 等四个逻辑输入来实现的。 l 6 2 1 9 实现的是4 细分，1 0 1 、i l l 这两个信号实现o u t l a 和o u t l b 的四细分电 流输出，控制着o u t i a 和o u t l b 的电流大小；1 0 2 、1 1 2 这两个信号实现o u t 2 a 和o u t 2 b 的四细分输出电流输出，控制着o u t 2 a 和o u t 2 b 的电流大小。因此， l 6 2 1 9 的电流输出是可以由它的逻辑输入来控制的，其逻辑输入输出关系如下表 2 1 所示。 表2 1l 6 2 1 9 逻辑输入、输出电流关系表 1 0 1 1c t l r r e n tl e v e l hh无电流 l h 低电流，最大输出电流的l ，3 hl中等电流，最大输出电流的2 3 ll 最大输出电流 电流传感器：这一部分包含了一个电流感知电阻( 飚) ，一个低通滤波器( r e ， c e ) 和三个电压比较器。在某一时刻最多只有一个电压比较器处于激活状态，它 是根据逻辑输入i o 和i l 的状态选择而被激活的。 随着电流的增加，加在电流感知电阻r s 的电压升高，当这个电压高于作用在 另一个电压比较器输入的参考电压时，电压比较器变高，从而触发脉冲产生器。 电流的峰值可被定义如下： ，。= 怒? 式( 2 - 2 ) 单脉冲产生器：单脉冲产生器在比较器输出的上升沿触发。在脉冲时间里， 单脉冲产生器单稳输出高电平，其中脉冲时间f 。，由r t 和c t 决定。 t o h , = 1 1 置c f 式( 2 3 ) 当高电平的单稳输出关闭电机绕组的供给电源时，使得切时间内绕组电流下 降。在锄内，即使有一个新的触发信号产生，也将被忽略。 高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 电流输出：o u t l a 、o u t 2 a 、o u t l b 、o u t 2 b 四个引脚组成了两路输出， o u t i a 和o u t l b 为第一路电流输出，o u t 2 a 和o u t 2 b 为第二路电流输出。电 流大小由表2 2 所示l 6 2 1 9 的逻辑输入、输出电流关系决定。具体对应关系如图 2 1 0 所示。 弓一酯电日l 电魄 下 厂l l l 。 第= 路电机电流 厂一 l j 图2 1 0l 6 2 1 9 输入输出关系 参考电压：正常情况下参考电压可接入一个+ 5 v 电压即可。此处参考电压电 路如下图2 1 l 所示。因此v r e f 的电压值是有v 1 和v 2 共同来决定的。 1 ) 当v l 和v 2 均为空时，即v i 和v 2 悬空，v r e f 通过电阻r 2 和r 3 接 地，此时v r e f = 0 ： 图2 1 1 参考电压输入 2 ) 当v l 有值，v 2 悬空时，v r e f 由v 1 决定； v r e f = 瓦r 丽2 + r 3 矿l z y l 式( 2 4 ) r l + r 2 + r 3 、。 萎三嚣il m 第二章s p e c t r o s c a nt 控制电路分析 5 3 ) 当v 2 有值，v 1 悬空时，v r e f 由v 1 决定； v r e f = v 2 式( 2 - 5 ) 4 ) 当v l 和v 2 端均不悬空时，那么v r e f 的电压值由v 1 和v 2 共同决定。 由于r 3 为1 0 0 k 欧姆，因此可忽略不计，因此计算如下。 v r e f = l 矿l + l y 2 1 v i + 2 v 2 式( 2 - 6 ) 置+ 如与+ 恐 33 “ v l 和v 2 在s p e c t r o s c a nt 主控制板上是由8 0 c 1 6 6 的控制信号经过译码后， 由一个s n 7 4 a h c 5 4 1 来锁存提供的。因此，v l 和v 2 是一些高低电平信号。其中， s n 7 4 a h c 5 4 l 输出高电平的范围是3 8 5 0 v ，低电平的范围是o o i v 。 因此，我们可得出参考电压的可能的取值范围，如表2 2 所示。 表2 2 参考电压取值范围 v l ( v )v 2 ( v )v r e f ( v ) ll( 0 ，0 1 ) hl( 1 2 ，1 7 ) lh( 2 5 ，3 3 ) hh( 3 8 ，5 o ) 由于l 6 2 1 9 要求其参考电压范围是1 5 7 5 v ，因此参考电压可进行调节。 2 5 串行通信电路以及波特率设置电路 s p e c t r o s c a nt 通过串口r s 2 3 2 与计算机和测量头相连，因此，串口承载了整 个系统所有的通信工作，其方向是双向的。s p e c t r o s c a n t 主板通过一个r s 2 3 2 电 压与t 1 l 电压转换芯片m a x 2 3 8 来实现系统与计算机和测量头间串行通信的电平 匹配的。 2 5 1r s 2 3 2 规范描述 r s 一2 3 2 串行总线i l2 j 是电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是在微型机 算机中常用的一种串行接口标准，主要用在计算机与计算机之间，计算机与外设 之间的异步通信。r s 2 3 2 采用非平衡信号，线路电压范围在正负1 2 v 之间，具有 很好的抗干扰能力，传输距离在1 5 到3 0 米。 r s 。2 3 2 有单工，半双工和全双工三种通信方式。单工通信是一种最简单的通 信方式，仅由两根导线组成。一根信号线以精确的时问间隔传输一连串串行数据 位，一次传送1 位数据0 或“1 ”。另一根线是信号地线。这种仅在一个方向传 送数据的通信方式称为单工通信，其二线接口称为单工接口。 1 6高性能分光测色仪平台控制器的分析与设计 半双工通信方式中，数据仅由两根导线( 一根信号线，一根地线) 进行双向 传输，不过，在同一时间仅在一个方向可使用半双向接口，即不能同时双方通信。 因此，两端设备需采用一种方法进行协调，在任何给定的时刻，确定谁是发送者， 而谁是接收者。此时，收发两端之间需再增加两根导线。一根用于传送“请求发 送”信号，另一用于传送“清除发送”信号。 全双工r s 一2 3 2 通信需要三根导线，一根信号线向一个方向传送数据，一根信 号线向相反方向传送数据，另一根导线是信号地线。两端设备可同时传送数据， 于是避免了信号交换代码或额外的信号交换导线。这是一种最常用的通信接口方 式。 在串行通信中，数据字节被拆成一连串”0 ”或”1 ”数据位在单根导线上从一端传 送到另一端。接收端设备需要知道发送端以多大传送速率( 用波特率表示) 传送 数据位，以便重新将其组合成字节。通常有两种方法实施传送速率的匹配，一种 方法是，另用一根导线从发送端向接收端传送一个时钟信号，此法常用于同步通 信中。另一种方法是，通信前，发送端和接收端必须使用双方协商一致的通信协 议，其中包括传送速率的规定，此法常用于非同步通信，r s 2 3 2 通信就采用此法。 在非同步通信协议中，最重要的参数是传送速率，也称为波特率，用每秒比 特数( b p s ) 表示，一些设备利用机内设置开关或跳线来改变波特率，不过，越来 越多的设备则用软件或菜单来改变波特率。 非同步通信方式在多数时间通信是空闲的，并等待发送的数据，这就涉及到 需要知道数据何时由发送端发出的问题。为此，除了8 个数据位( 构成一个字节) 信息外，非同步通信要求一个起始位和一个停止位，以便接收端知道一个数据字 节正在传送，线路不再空闲。 非同步通信协议还有一个参数需设置，即奇偶校验位( 奇数、偶数或没有) 该位决定是否需将一个比特加到每组数据位上，以使数据位正确有效。奇偶校验 位由发送端生成，并在接收端对发送的每个字节进行校验。 2 5 2 串行通信电路分析 s p e c t r o s c a nt 主板采用m a x 2 3 8 1 ”】作为电压转换芯片，在1 v r l 电压和r s 一2 3 2 电压之间进行转换，以提高传输的可靠性，电路如图2 1 2 所示。m a x 2 3 8 是一个 电压转换芯片，可以进行t t l c m o s 电压与r s 一2 3 2 电压之间的转换。t l f n 、t 2 f n 、 t 3 i n 、t 4 i n 、r i o u t 、r 2 0 u t 、r 3 0 u t 、r 4 0 u t 是1 v r l 电压端，高电平为3 8 v 左右，低电平在0 3 v 左右；在而t i o u t 、t 2 0 u t 、t 3 0 u t 、t 4 0 u t 、r 1 f n 、r 2 f n 、 r 3 1 n 、r 4 i n 是r s 一2 3 2 电压端，能高达到正负1 2 v 。 第二章s p e c t r o s c a nt 控制电路分析 7 昌 电 图2 1 2 串行通信电路 s p e c t r o l i n o & s p e c t r o s c a nt 接口规范1 4 1 说明：s p e c t r o l i n o & s p e c t r o s c a nt 之 间的串口连接有明确的接口规范，如图2 1 3 所示。 信号说明如表2 3 。 2 h o j t 阿