（机械电子工程专业论文）双光栅单色仪控制系统优化设计.pdf

摘要 摘要 光栅单色仪是一种对光子能量或波长进行高分辨分析和选择的光学仪器， 是光学和光电子领域从事研究的基础光谱分析和测量仪器。随着现代高新技术 的发展，微型化、智能化和模块化成为分析测量仪器发展的主要方向之一而 嵌入式系统因其具有专用性、体积小、低功耗、多功能、高精度等特点而被广 泛应用。u s b 总线的使用方便、灵活稳定、传输速率高等特点，使得它在计算 机实时控制和高速数据采集领域有着广泛的应用前景。本文即是研究把嵌入式 系统，u s b 技术与传统的仪器系统相结合，以实现仪器的集成化、实时化、开 放化。 课题以双光栅单色仪为研究对象，在对单色仪的工作原理和相关技术发展 的综合分析基础上，对系统的整体方案进行详细的设计。采用基于w i n d o w s 的 v c - 阡开发的软件友好交互界面为系统控制方，基于嵌入式单片机( c 8 0 5 1 f 0 6 0 ) 为硬件控制核心，结合u s b 总线技术设计的主从式高速数据采集系统；采用模 块化的设计思想，以v i s u a lc h 和l - l v i s i o n 为上下位机的开发环境进行软件方面 的具体设计开发。 论文的最后部分介绍了仪器软件系统的实现和数据分析，包括系统本地端 的系统软件构架，上下位机阀的通信协议编制和上位机软件控制界面设计。u s b 技术的采用使得数据通信更加高效可靠。开发过程中充分研究和协调了上下位 机之间的通信协议的统一，大大优化了下位机的处理任务，保证了整个系统的 实时性和数据通信的高效性。并结合实际装置进行实验调试和性能测试，能够 有效的完成仪器要求的各种技术指标。实验表明，采用的c h 3 7 2 接口芯片大大 提高了数据采集的精度和速度，很好的满足了可重复性测量，在实际应用中显 著提高了工作效率，本通信协议很好的优化了本地端的程序代码，且易于上位 机控制软件的更新升级；证明了该系统的可行性和优越性。 关键词：单色仪；嵌入式系统；c 8 0 51 f 0 6 0 ；u s b ；c h 3 7 2 ；v c + + a b s t r a c t t h eg r a t i n g - m o n o c h r o m a t o ri sak i n do fp h y s i c ss p e c t r a la n a l y z i n gi n s t r u m e n t w h i c hb a s e so nt h eg r a t i n gd i f f i a c t i o np r i n c i p l et oa c h i e v es e p a r a t i o no fv i s i b l el i g h t i n t oc o l o r s i ti sab a s a ls p e c t r a la n a l y z i n gi n s t r u m e n ta n dm e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o r r e s e a r c h e r sw h op u r s u et h er e s e a r c hi nt h ea r e ao fo p t i c sa n dp h o t o e l e c t r o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g ha n dn 朋t e c h n o l o g y ,m i c r o m a t i o na n di n t e l l i g e n c ea n d m o d u l a r i z a t i o nb e c o m eo n eo fd e v e l o p m e n td i r e c t i o n so fa n a l y z i n gd e v i c e s t h e a n b e d d o ds y s t e mi sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r ss u c ha sc u s t o m i z a t i o n , s m a l lv o l u m e ，l o wc o n s u m e dp o w e r , m u l t i f u n c t i o na n dh i l g hp r e c i s i o n t h ec h a r a c t e r s o fc o n v e n i e n c e ，f l e x i b l e ，s t e a d y , a n dh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o no fu s bb u sm a k ef o ri t s w i d e l ya p p l i c a t i o np r o s p e c ti nc o m p u t e rr e a l - t i m ec o n t r o la n dh i l g hs p e e dd a t a c o l l e c t i o na r e a i nt h i sp a p e r , t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n du s b t e c h n i q u ea n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n ts y s t e mi ss t u d i e di no r d e rt om a k et h ei n t e g r a t i o n , r e a l - t i m eo p e n i n gc o m ei n t ot r u e t h ed o u b l e - g r a t i n gm o n o c h r o m a t o ri st h es t u d yo b j e c t b a s eo nt h es y n t h e t i c a l a n a l y s i s i nt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fm o n o c h r o m a t o ra n dr e l a t i v et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t , t h es c h e m eo f s o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e di nd e t a i l b a s e o nt h em i c r o s o f tv i s u a lc + + ，af i i e n d s h i p si n t e r f a c es o f t w a r ei sd e s i g n e dw h i c hi s u s e da s t h ec o n t r o ls i d eo fs y s t e m , a n dt h em c u ( c 8 0 5 1 f 0 6 0 ) i sa d o p t e da s t h e c o n t r o lc o r eo fh a r d w a r e ，a n dc o m b i n e dw i t hu s bt e c h n o l o g y , am a s t e r - s l a v em o d e h i g h - s p e e d a n dr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p t e d t h ed e s i g n i d e ao f m o n o c h r o m a t o ri sa d o p t e di nt h es o , w a r es y s t e mu s i n gt h ev i s u a lc 抖a n dl 上v i s i o n a st h ei d ei sc a r r i e do u t a tt h el a s to ft h ep a p e r , t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h ei n t r u m e n ti si n t r d u c e d , i n c l u d i n g t h es o r w a r et r u s so ft h el o c a ls i d e , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sd e s i g n b e t w e e nm c ua n dp c ，a n dt h ec o n t r o li n t e r f a c ed e v e l o p m e n to np c t h ea p p l i c a t i o n o ft h eu s b t e c h n o l o g ym a k ef o re x c e l l e n te f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fd a t at r a f f i c i n t h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n t , t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt r a n s m i s s i o n i l a b s t r a c t s y n c h r o n i z a t i o no fm c u a n dp cd a t at r a f f i ca t s t u d i e da n dh a r m o n i z e dt op l e n i t u d e , a n dh a so p t i m i z e dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mo fm c u st a s kr e m a r k a b l y , a s s u r e d t h er e a l - t i m ec o n t r o la n dg r e a tr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fd a t at r a f f i c t h es o f t w a r e d e b u g g i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t i n ga r oc a r r yo u to nt h et x t u i p m e n t ，a n df u l f i l lt h e t e c h n o l o g yi n d e x se f f e c t i v e l y t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e st h a t , t h e i n t e r f a c ec h i pc h 3 7 2i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t ac o l l e c t i o na n dt a s kp r o c e s s g r e a t l y , m e e tt h er e p e a t e dm e a s u r i n ge x c e l l e n t l y , i m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yi n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so p t i m i z e t h ec o d eo fm c u r e m a r k a b l y , a n di si nf a v o ro f t h eu p g r a d eo ft h ei n t e r f a c es o f t w a r eo l lp c ；p r o v e d t h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：m o n o c h r o m a t o r , e m b e d d e ds y s t e m ；c 8 0 5 1 f 0 6 0 ；u s b ；c h 3 7 2 ；v 阱 i h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：言强嘭能 年1 月 ) 日 ( 注：非保密论文无需签字) 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：疏宅侥 文烈擗1 月y 日 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 使用单色仪产生的单色光源可以对透明物质和溶液进行定性和定量分析， 也可以对复合光源进行光谱分析的测定。如配备必备的附件和检测装置，还可 以进一步扩大其用途。单色仪广泛应用于物理、化学、冶金、农业、环保、建 材和医药卫生等部门，是企业生产、科研、教学领域必不可少的检测仪器。光 栅单色仪是利用光栅作为分光的关键元件，将入射的复合光分解为分布全波段 的可供任意选择的光谱宽度很窄的单色光。其突出的优点是波段的范围宽，在 全波段色散均匀，单色光的波长可以达到非常准确的程度。 由于电子技术的高速发展，带动了计算机硬件、软件技术和产品的普及。 伴随着激光、光纤、固态探测器等技术的快速发展，对光谱分析检测技术( 包 括更高的分辨率、更高的灵敏度、更快的分析速度、更小的体积、更牢固的结 构等等) 提出了更高的要求。同时，光栅单色仪也向自动化、计算机控制方向 发展。经过对市场的调研和分析，手动机械式光栅单色仪已逐渐被淘汰，市场 对高档自动单色仪的需求呈上升趋势。目前多数的自动光栅单色仪的控制系统 与数据采集系统为各自独立的两套系统，一般数据采集系统采用购买的通用数 据采集卡，通过p c i 插槽连接到计算机，光栅转台控制系统为单独开发的单片 机系统，采用r s 2 3 2 接口与计算机进行通讯。整个系统连接复杂，集成度低， 不可靠因素较多，控制精度及速度较低，因此需要研制控制及采集高度集成自 动光栅单色仪，通过优化硬件电路设计及软件系统，进一步提高自动光栅单色 仪系统的控制精度及速度u 1 。 1 2 课题背景和主要的研究内容 该课题是北京市教委科技发展计划重点项目，并作为北京机械工业学院北 京市机电系统测控重点实验室开放课题项目，同时也是由重点实验室与北京光 学仪器厂合作的重大科研项目，属于“光机电一体化产品的开发和研究，光机 第1 章绪论 电自动化技术的研究和应用 该课题是面向机电一体化测量分析科学仪器产品，研究智能仪器机系统的 共性关键应用技术。本研究系统以单片机技术和u s b 技术为主要手段，来提升 由北京光学仪器厂生产的单色仪分析仪器，实现简化其结构，提高测试精度， 使其工作更加可靠，方便使用和维护，降低其成本，使其成为一种嵌入式的先 进仪器。 单色仪系统主要包括三部分内容：l 、硬件电路的设计，主要包括单片机， 步进电机控制电路，上下位机通讯接口电路和信号整合电路的设计；2 、下位机 软件的设计，使用c 语言编写下位机控制软件，其要完成的工作主要包括三个 步进电机的控制，数据采集程序，读写f l a s h 数据，及u s b 通讯部分的控制 工作，包括通讯协议的编制；3 、上位机程序的开发，主要是使用v c + + 编写上 位机程序，实现对下位机的控制和对采集上来的数据进行保存和处理，最后生 成曲线以供使用者分析研究。本论文涉及的内容主要包括前两个部分和第三部 分的部分内容，即硬件电路的设计、下位机控制软件和部分上位机程序的编写。 具体的内容如下所示； 1 硬件电路部分 ( 1 ) 单片机型号的选用：单片机是整个系统的核心控制部分，选用一种合适 的单片机是硬件电路设计中最关键的一步，所选择的单片机不仅在性能 上要能满足开发这种产品的各方面的需要，还要综合考虑其价格，开发 周期的长短和以后进行产品升级和性能扩展的可行性。只有在综合考虑 各个方面之后才能选择一种适合的单片机，这对之后的开发设计工作起 到十分重要的影响。在经过多方面研究和比较之后，我们选择的单片机 是c y g n a l 公司生产的c 8 0 5 1 f 0 6 0 。 ( 2 ) 采集信号调整电路设计：由于光电倍增管的信号比较微弱，需要在送入 a d 转换部分之前进行放大和滤波。 ( 3 ) 步进电机驱动模块：光栅转台的位置控制精度要求很高，需要对电机进 行细分和传动，从而更好的驱动光栅转台。 ( 4 ) u s b 通讯接口电路的设计：上位机通过发送命令控制下位机进行任务执 行，下位机也需要将命令执行结果及采集等状态数据上传给上位机进行 储存和处理，以供人们使用和研究，所以必须设计好供上、下位机进行 沟通的通讯接口，保证数据传输的可靠性。 2 第1 章绪论 2 下位机软件部分 ( 1 ) 主程序部分：主要完成将命令交付给对应的处理程序去处理，并实现程 序的不断循环工作。 ( 2 ) 模拟外设转换程序：实现d a 输出和a d 采集，并对采集上来的数据 做一些简单处理。 ( 3 ) 采集模式设置：切换电压电流采集模式及设置采集增益值。 ( 4 ) 步进电机控制程序：根据控制命令精确合理控制三个电机的运转工作。 ( 5 ) 系统参数保存和读取：将系统参数保存到f l a s h 中，或将f l a s h 中 的数据读取到对应的系统变量中，确保某些参数掉电不丢失。 ( 6 ) u s b 通讯程序：通过中断服务程序负责接收和发送数据；接收到数据时， 对命令进行校验，校验正确则通过软件命令标志位通知主程序去处理， 不正确则丢弃数据包；发送数据时，等待发送成功后释放数据缓冲区。 3 上位机软件的部分内容 主要实现上位机对下位机工作过程的控制，即上位机u s b 通讯构架，数据 通讯的同步性和命令参数数据类型的协调。 3 第2 章单色仪工作原理和系统方案 第二章单色仪工作原理和系统方案 2 1 单色仪机械系统结构 基于嵌入式控制系统的自动光栅单色仪主要由单色分光系统、入射狭缝、 变焦系统、滤光片组、光栅转台、球面镜组、接收系统、控制系统、计算机、 打印机组成乜1 。系统结构如果2 1 所示： 图2 1 基于嵌入式控制系统的光栅单色仪组成图 为了提高仪器的一体化及集成化，将单色分光系统与控制系统设计为一体， 仪器上部为光栅室，下部为控制器室。光栅室主要由一个入射狭缝、两个出射 狭缝、滤色片组、两个凹面镜、光栅转台、反光镜及步进电机等组成。入射及 出射狭缝的开合大小由手动控制。两个出射狭缝可根据要求同时安装c c d 、光 电倍增管、光电池、铟镓砷或硫化铅等接收器，由软件控制反光镜来选择单色 光的出射方向及数据采集通道等的切换，减少更换接收器的麻烦。由于光栅的 衍射效率随着偏离闪耀波长区域距离的增大而逐渐降低，以至于偏离闪耀波长 区的较远端会使探测器探测不到信号。另外根据光栅衍射公式，光谱中的二级 光谱甚至更高级衍射光会与一级光谱重叠出现在一个光谱位置，因此需要采用 滤色片将二级以上的衍射光滤除。在入射狭缝处安装具有六组滤色片的滤色片 轮，可根据要求选择自动或者手动方式对入射光谱进行过滤。两个球面镜主要 实现光线的聚焦和反射。光栅转台安装有两块块光栅，由步进电机加蜗轮蜗杆 进行驱动，实现对入射光的色散作用。控制室主要由嵌入式控制电路板，步进 4 第2 章单色仪工作原理和系统方案 电机驱动器以及电源等组成。 2 2 单色仪系统工作原理 采用蜗轮蜗杆传动方式的光栅单色仪，因步进电机的步进数与光栅分光得 到的波长增量不是线性关系，因此根据光栅衍射方程合理的选择步进电机的控 制方法是该控制系统的关键。入射光从入射狭缝进入单色仪后经过准直物镜成 为平行光，之后入射到平面光栅上，由光栅反射后形成多级衍射单色光，这些 单色平行光入射到凹面镜后聚焦到出射狭缝上反射式闪耀光栅在平板表面刻 有锯齿槽，其闪耀波长由光栅刻槽法线与光栅平面法线的夹角决定。对于闪耀 光栅，合理设计光栅衍射小平面的闪耀角q ，将使一级衍射光方向上具有较强 的光信号输出，可获得较高的数据信噪比质量，其最强的衍射波长被称为闪耀 波长。如图2 2 所示，根据光栅衍射理论，闪耀光栅的衍射方程为： d ( s i n 口+ s m p ) = m 2 , ，( 聊= 0 ，1 ，2 ) ( 1 ) 其中q 和1 3 分别是相对于光栅平面法线的入射角和衍射角，m 为衍射光谱 的级次。满足色散公式的波长构成一系列不同级数的光谱线，零级光包含了所 有波长，为复合光，因此选用能量较强的一级光作为出射光。对光栅公式进行 三角关系变换为 2 d s i i l 竺竺c o s 竺竺：m a ( 2 ) 22 令( a + 1 3 心0 及( q b ) - 2 巾，得到简化的闪耀光栅色散公式为 2 d s i n o c o s 口i = m 旯 ( 3 ) 根据闪耀光栅的原理，0 为光栅刻槽法线与光栅法线的夹角，巾为入射光相对 于刻槽法线的入射角乜1 。0 为固定值，因此通过改变角度巾实现光栅的分光。在 光栅单色仪完成初始化后，光栅定位为零级光位置，因此通过步进电机带动光 栅旋转的角度既为角度巾。根据公式( 3 ) ，如果步进电机的步距角为y ，电机驱 动器的细分比为k l ，蜗轮蜗杆的传动比为k 2 ，则光栅由零级旋转到波长入处应 走的步数为： teo：180kik2arcsin(22dcos)step ( 4 )= l 4 ， 炻 5 第2 章单色仪工作原理和系统方案 公式( 4 ) 为最终步进电机的步进数与波长的对应关系。控制系统可根据公式( 4 ) 对步进电机的步数进行计算，实时的实现步进电机的控制。 光栅法线 彳 、 一1 一 图2 2 闪耀光栅分光原理 虽然单独一块光栅的一级衍射光输出覆盖了较宽的光谱区范围，但其衍射 效率随着偏离闪耀波长区距离的增大会逐渐降低，以至于在偏离闪耀波长区的 较远端使探测器测不到光信号，另一方面，按色散公式，谱线中的二级甚至更 高级衍射光会与一级光重叠出现在一个光谱位置，需要在使用中避免和克服， 采用滤色片将二级以上的衍射光滤去。在本光栅单色仪中，采用双光栅结构， 并配合适当的滤色片，通过选取合适的光栅，可保证每块光栅都工作在其一级 衍射光的最佳效率区，合成的光谱工作范围将覆盖完整的光谱区，使得光谱测 量的效率和精度获得显著的改善和提高。同时设计了具有六组滤色片的滤色片 轮，可根据要求选择自动或者手动方式对入射光谱进行过滤，将不需要的二级 光谱过滤掉。 根据光栅的分光原理，自动光栅单色仪的光路系统设计采用c z e r n y - t u m e r 水平对称式光路结构。光路结构如果2 3 所示。由光源发出的复合光通过入射狭 缝s 1 反射到准直线物镜m i 上，形成平行光束投射到光栅g 上，经g 色散后的 光通过两个具有相同曲率半径的凹面反光镜m 3 及m 4 成像在出射狭缝s 2 处 ( 其中m 3 和m 4 分别为为准直物镜和成像物镜，并且应保证两个分离的凹面镜 曲率中心重合) ，当光栅按顺时针方向旋转时，可以在狭缝s 2 处得到光谱纯度 高的不同波长的单色光束，这样单色仪就起到了将入射的复合光分解成一系列 独立的单色光的作用。从光路上可以看出：入射狭缝位置可以变化，入缝可以 在a 位置；也可以在c 位置，出缝可以在b 位置，也可以在d 位置，这样可 以有4 种组合。光栅的旋转由步进电机驱动蜗轮蜗杆带动光栅转台实现，通过 采用步进电机细分驱动器，并结合蜗轮蜗杆的进一步细分，使自动光栅单色仪 达到高精度扫描。 6 第2 章单色仪工作原理和系统方案 图2 3 单色仪光路系统结构 2 3 单色仪控制系统设计总体要求 m 2 m 3 设计的自动光栅单色仪控制系统要求通过计算机实现对光栅转台的实时控 制、滤色片的自动或者由使用者进行根据需要进行切换，软件可选的出射方向 以及软件可配置的光谱数据实时采集。光栅转台采用6 0 0 9 m m 和1 2 0 0 9 m m 的两 块光栅背靠背的安装，设计的蜗轮蜗杆传动比为1 8 0 ：1 ，采用具有6 4 细分的步 迸电机驱动器对步进电机进行细分，进一步提高单色仪的波长分辨率。数据采 集部分要求实现1 6 位的数据采样精度，采样速率达到i o o k s p s 以上，软件可配 置的电流或者电压输入方式，具有0 - - 2 5 6 倍可编程增益，同时具有两路的触发 通道。控制系统采用u s b 总线接口实现计算机与控制系统的连接，实现自动光 栅单色仪的实时控制及高速光谱数据扫描。 2 。4 单色仪控制系统方案架构 根据系统设计的总体要求，对整个控制系统的架构思路先从上位机和下位 机展开方案的制定，再从软件和硬件两方面进行任务的分派和协调。 1 电源模块，该部分主要负责为步进电机、电机驱动器、控制单元主板、 光电倍增管负高压等提供稳定的电源。 2 步进电机控制单元，该部分主要负责光栅电机、滤色片轮电机及反光镜 电机的初始定位、前进、后退、锁定等控制。 7 第2 章单色仪工作原理和系统方案 3 探测器部分，该部分主要负责接收由单色仪分光后获得的各个波长分量 的光谱能量等，通过电压或电流输出传递给信号调理单元及数据采集单元。 4 信号调理单元，该部分主要完成探测器输出信号的调理放大，将探测器 输出的电流或电压信号调理在a d 转换器的动态范围以内，并对信号进行一定 的滤波处理。 5 信号采集单元，该部分功能由单片机c 8 0 5 1 f 0 6 0 片内集成的两个1 m b i t s 采样速率的1 6 位a d 转换器完成，该a d 转换器使用片内的两个2 4 v 带隙电 压基准。 6 通讯接口单元，该部分主要由u s b 接口、r s 2 3 2 接口、j t a g 接口等， 其中u s b 接口作为光谱仪与计算机的通讯接口，计算机主要通过该接口实现对 光谱仪的控制。r s 2 3 2 接口主要用于调试信息的输出，j t a g 接口为c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机的在线调试接口。 7 单片机软件系统。该系统主要通过k e i lu v e r s i o n 3 开发，实现对上述各 个单元的管理及控制。 8 计算机操作软件系统。并通过v c + + 6 0 开发，实现多文档框架式窗口， 在一个集成界面内完成对光栅的单独控制、光谱扫描控制、曲线绘制、数据管 理等功能，界面美观，使用方便。软件完成数据采集( 包括定点采集、归零扫 描、分段扫描、全波扫描等) 、仪器检测( 包括波长回扫、仪器自检、测分辨率、 测暗电流等) 、帮助信息( 包括当前时间、参数设置、波形重画等) 、辅助功能 ( 包括打印报表、字体控制、返回w i n d o w s 、退出系统) 、打印功能( 将所采 集的数据、图形资料进行打印存档) 。 8 第3 章下位机硬件设计 第三章下位机硬件设计 光栅单色仪的控制系统主要由硬件系统及软件系统组成。硬件系统设计的 合理性是该单色仪的关键，对保证仪器的测量精度起着至关重要的作用。硬件 系统主要包括电源系统、步进电机驱动和控制单元、模拟信号调理、扩展存储 器、u s b 接口电路、r s 2 3 2 接口电路及调试接口等电路单元嘲，硬件系统的总体 结构如图3 1 所示： 信号调理 3 1 电源系统设计 圆 c 8 。5 1 f 。6 。i u a r t 计 算 机 自动光栅单色仪控制系统含有步进电机控制及驱动电路、数字电路和模拟 电路，各部分需要不同的供电电源。驱动光栅转台的步进电机的功率较大，要 求2 4 v - 1 a 电源；驱动滤色片轮及反光镜的步进电机功率较小，需要1 2 v - 0 2 a 电源；步进电机驱动器需要+ 5 v 电源；单片机及外围电路需要+ 3 3 v 电源，模 拟电路采用5 v 电源。为了减小系统体积及功耗，系统选用具有2 4 v 2 a 及 1 2 v i a 两路输出的开关电源。各步进电机的工作电源由开关电源经p c b 电路板 直接供给。步进电机驱动器及控制系统主板的功耗在2 w 以下，采用由1 2 v i a 输出的电源经开关电源芯片l m 2 5 7 6 变换获得+ 5 v 电源，分别为步进电机驱动 器、数字及模拟电路提供电源，其电源分配如图3 2 所示。由于步进电机工作电 流大，对地线的干扰很大，需要将其工作及控制电源与数字电路及模拟电路电 源进行隔离。采用具有输入输出相互隔离的集成d c d c 分别获得稳定的数字及 模拟电路电源，电源纹波电压在l 以内。采用$ 5 d 5d c d c 获得5 v 输出， 9 皿 避 = 一 第3 章下位机硬件设计 为模拟电路提供电源；采用s s r 5 d c d c 获得+ 5 v 输出，作为1 凡电路需要的 v c c 以及光电倍增管负高压电路的供电电源，其中v c c 经l m l l 7 低压差线性 稳压模块降压获得+ 3 3 v 电压。 划光栅电机llh 。麟，俐l m l l l 7 俐兰竺兰 开关电源i 广一l m 2 5 7 6 囊蕊别阿蕊d c - d c 滩) 牺反光镜电机llii ( l = ： 驯偎似吧阳 外围电路 光电倍增 管负高压 图3 2 电源分配方案 电路板及步进电机驱动器所需要的供电电源大概在2 w 左右，如果采用线性 稳压器件( 如7 8 0 5 系列三端稳压器件) 作为电压调节和稳压器件将1 2 v 直流电 压转变为所需的5 v 工作电压，由于这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工 作中会有很大的“热损失弋其值为v 压降i 负荷) ，其工作效率仅为3 0 - - 5 0 ， 需要加装很大的散热片，并且会对模拟电路的温度漂移产生很大的影响。采用 开关稳压电源来替代线性稳压电源具有明显的优势。开关管的高频通断特性以 及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外， 由于开关稳压电源“热损失 的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压， 这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。l m 2 5 7 6 系列开关稳压集成电路是线 性三端稳压器件( 如7 8 x x 系列端稳压集成电路) 理想的替代品，它具有可靠的 工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为m c u 的稳定、 可靠工作提供了强有力的保证。 l m 2 5 7 6 系列是美国国家半导体公司生产的3 a 电流输出降压开关型集成稳 压电路，它内含固定频率振荡器( 5 2 k h z ) 和基准稳压器( 1 2 3 v ) ，并具有完善 的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件 便可构成高效稳压电路。l m 2 5 7 6 系列包括l m 2 5 7 6 ( 最高输入电压4 0 v ) 及 l m 2 5 7 6 h v ( 最高输入电压6 0 v ) 二个系列。各系列产品均提供有3 3 v ( - 3 3 ) 、 5 v ( - 5 o ) 、1 2 v ( 1 2 ) 、1 5 v ( 1 5 ) 及可调( - a d j ) 等多个电压档次产品。此 外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。l m 2 5 7 6 系列开关稳压集成电路 的主要特性如下： ( 1 ) 最大输出电流：3 a ： 1 0 第3 章下位机硬件设计 ( 2 ) 最高输入电压：l m 2 5 7 6 为4 0 v ，l m 2 5 7 6 h v 为6 0 v ； ( 3 ) 输出电压：3 3 v 、5 v 、1 2 v 、1 5 v 和a d j ( 可调) 等可选； ( 4 ) 振东频率：5 2 k h z ； ( 5 ) 转换效率：7 5 - - - 8 8 ( 不同电压输出时的效率不同) ： ( 6 ) 控制方式：p w m ； ( 7 ) 工作温度范围：- 4 0 1 2 + 1 2 5 ； ( 8 ) 工作模式：低功耗正常两种模式可外部控制； ( 9 ) 工作模式控制：t t l 电平兼容； ( 1 0 ) 所需外部元件：仅四个( 不可调) 或六个( 可调) ； ( 1 1 ) 器件保护：热关断及电流限制； ( 1 2 ) 封装形式：t o 2 2 0 或t o 一2 6 3 。 图3 3l m 2 5 7 6 - 5 电路原理 l m 2 5 7 6 内部包含5 2 k h z 振荡器、1 2 3 v 基准稳压电路、热关断电路、电流 限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通 常将比较器的负端接基准电压( 1 2 3 v ) ，正端接分压电阻网络，这样可根据输出 电压的不同选定不同的阻值，其中r l = l k q ( 可调a d j 时开路) ，r 2 分别为1 7 姬( 3 3 v ) 、3 1 娩( 5 v ) 、8 8 4 垃( 1 2 v ) 、1 1 3 娩( 1 5 v ) 和0 ( a d j ) ，上述 第3 章下位机硬件设计 电阻依据型号不同已在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。将输出 电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1 2 3 v 进行比较，若电压有偏差，则 可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。本系统 采用具有5 v 固定输出的l m 2 5 7 6 5 作为电压转换芯片，将1 2 v 电源转换为5 v 电源，为步进电机驱动器及控制主板提供电源。系统采用l m 2 5 7 6 - 5 原理图如图 3 3 所示。 3 2 嵌入式微控制器选择 c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，具有与8 0 5 1 兼容的高速c i p 5 1 内核，与m c s 5 1 指令集完全兼容，速度高达2 5 m p s ；有多 达5 9 个数字i o 口，5 个1 6 位通用定时器，6 个带有捕捉比较模块的可编程定 时器计数器阵列；8 路1 0 位a d c 带可编程放大器和多路选择器，2 路1 m s p s 的1 6 位a d c ，2 路1 2 位d a c ，3 个电压比较器，片内温度传感器和参考电压 源：硬件串行接口s p i ，s m b u s 1 2 c 和u a r t 可同时使用，片上c a n 2 0 b 控制 器；片上看门狗定时器，电源监视器，2 7 3 6 v 的低压供电，片内j t a g 调试和 边界扫描单元等嘲。 根据提高单色仪控制系统集成化的要求，系统主板集成步进电机控制、数 据采集及与通讯等功能。为了减小系统主板尺寸，提高集成度，提高控制实时 性及系统的可靠性，选用c 8 0 5 1 f 0 6 0 作为系统的微控制器。c 8 0 5 1 f 0 6 0 高速的 处理速度满足运行多任务实时处理的要求；其内部含有4 k b 内部数据r a m 和 6 4 k b 在系统可编程f l a s h 程序存储器，其片内存储系统满足要求，需存储系 统扩展；其内置的两个1 6 位逐次逼近式a d c 具有o 7 5l s bi n l ，保证无失 码，具有可编程转换速率，最大lm s p s ，可作为两个单端或一个差分转换器， 能够直接存储器存取，数据存储器到r a m 中，不需额外软件开销，满足系统 两路高速、高精度数据采集的要求；其内置的的两个1 2 位d a c 可用于系统对 外的模拟电压输出；其片内3 路带隙电压基准输出可满足两个a d c 及d a c 的 电压基准要求，无需扩展；其内部的外部存储器扩展模块可实现单片机与u s b 控制芯片以并行总线方式连接，无附加需额外的地址锁存器；其内部可编程计 数器阵列p c a 可实现对步进电机的控制，减少对步进电机控制对c p u 时间的占 用；内置的两个u a r t 可实现r s 2 3 2 串行通讯口1 。综上所述，c 8 0 5 1 f 0 6 0 是作 1 2 第3 章下位机硬件设计 为控制系统核心控制芯片的理想选择。 3 3 步进电机及驱动器的设计 3 3 1 步进电机的驱动 步进电机需要一定的驱动功率，而控制信号往往功率很小，必须经过缓冲 放大环节。因此，步进电机的驱动包括脉冲分配器及功率放大器等，对驱动电 路的基本要求是：能改善电流波形，有续流功能，电路简单、可靠，功耗低， 功率高。 d i r 方向信号 微 c p 脉冲信号一 步进电机 光 入 驱动器 八 控i o f r e e 锁定信最 电 v( 环行分配)v步进电机 型i o 隔 t i e r 低功耗信号一 离 ( 细分电路) i o ( 功率放大) 图3 4 步进电机串行控制示意图 使电机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步或半步。步距角已 由电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角或者为了减小电机震动、 噪声等原因，可以采用细分驱动，即在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流 全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转子的每步运 动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电 流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过 一个步距角。这样一个步距角就分成若干步。细分驱动能使步进电机运行平稳， 提高匀速性，并能减弱或消除振荡。 根据光栅单色仪的设计要求，扫描的最小波长间隔为0 0 1 n m ，需要细分功 能的步进电机配合蜗轮蜗杆的进一步细分来实现，因此选择合理步进电机及细 分电机驱动器是满足设计要求的关键。为了提高单色器的单色性，光栅步进电 机驱动器选用四通的具有最大6 4 细分驱动的双相混合式步进电机驱动器 第3 章下位机硬件设计 s h 2 0 4 0 2 a ，步进电机4 2 b y g 2 5 0 a s a s s m 0 151 距角为1 8 0 ，根据公式( 6 - 4 ) ， 使用1 2 0 0 m m 刻线光栅，给电机发一个脉冲对应光栅移动约为0 0 0 5 5 n m 。 使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。为了简化控 制，减少连线，本课题采用串行控制，普通驱动电机控制示意图如图3 4 所示。 3 3 2 步进电机控制电路设计 驱动光栅转台的步进电机选用四通电机，采用四通电机专用具有6 4 细分步 进电机驱动器。四通步进电机驱动器内已经将控制信号及电机驱动进行了隔离， 因此p c b 上采用n p n 型三极管9 0 1 3 实现单片机i o 口之间的缓冲连接。驱动 滤色片轮及反光镜的步进电机采用精工诚，电机驱动器为，该驱动器内控制信 号没有进行隔离，因此采用光电耦合器t l p 2 8 0 进行信号隔离，其中滤色片轮步 进电机驱动器的电路连接原理如图3 6 所示。为了实现各个步进电机的初始定 位，系统采用光耦开关作为位置检测。光耦开关的供电电压为5 v ，单片机i o 口的输入电压范围为0 - 3 3 v ，使用低电压的7 4 l v l 4 实现两种电压之间的接口。 由于施密特触发器具有脉冲整形作用，采用低电压的7 4 l v l 4 实现光耦开关及i o 的信号连接，电路如图3 7 所示。 图3 6 滤色片轮电机驱动器电路连接原理 1 4 第3 章下位机硬件设计 3 3 3 步进电机速度控制 图3 7 光耦开关电路原理 控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者 换相的周期。系统可用两种办法来确定时钟脉冲的周期：一种是软件延时；另 一种是用定时器。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它的 全部过程都占用c p u 时间，定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现 的。 起点时问。 终点时间t 图3 5 步进电机点晓控制加减速过程 对于点位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运 行的速度小于系统的极限起动频率，则系统可以按照要求的速度直接起动，运 行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下速度可认 为是恒定的。但一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行 速度往往较高。如果系统以要求的速度直接起动，因为该速度已超过极限起动 频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不能运行的情况。系统运行起来之 后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因， 会发生冲过终点的现象，使控制发生偏差。因此在控制过程中，运行速度需要 1 5 第3 章下位机硬件设计 有一个加速一恒速一减速一( 低恒速) 一停止的过程，如图3 5 所示。在工作过 程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。用单片机对步进电 机进行加减速控制，实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔。升速时使脉冲 串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断方式来控制电机变 速时，实际上就是