（计算机应用技术专业论文）汽车门窗电机生产线测控系统的设计与实现.pdf

摘要 随着汽车技术的快速发展和自动化程度的不断提高，微特电机不仅在汽车上 所占的比重越来越大，而且所充当的角色也越来越重要。电机工作时在空载、负 载和堵转三种状况下的各种参数决定了电机的工作性能及使用寿命。空载情况 下，若电机的工作电流太大，则电机容易发热，减少电机使用寿命；在负载一定 情况下，若电机振动过大，会产生噪声，影响使用的舒适性，而且还会减少电机 的使用寿命；堵转时，若电机扭矩太小，会影响电机的负荷能力。电机转子轴的 径向跳动量的大小是影响各个参数变化的重要因素；而电机在装配零件的过程 中，这些参数都会受到一定的影响。因此，本文以汽车门窗玻璃升降器用电机为 研究对象，设计一套电机生产线在线检测系统，在电机的生产过程中，将计算机 测控技术应用于汽车门窗玻璃升降器用电机的生产实践中，对处于生产过程中的 电机半成品和成品进行检测。 首先，分析汽车门窗玻璃升降器用电机的结构及工作原理，了解工厂目前采 用的生产加工工序和生产能力，确定测控系统的检测内容及各参数需要达到的标 准。 接着，分别介绍了硬件电路设计和软件编程设计。硬件上，为测控系统设计 一块数据采集卡，将逻辑控制功能、数模转换功能和模数转换功能集成到一块基 于i s a 的插卡上，并设计了相应的信号处理电路，包括放大电路、滤波电路、信 号转换电路和隔离电路。软件系统采用v i s u a lc + + 作为开发工具，使用a c c e s s 作为数据库，利用模块化设计的思想，开发出界面友好、使用简单的测控系统。 软件系统分为服务器和客户端。客户端系统用于检测产品，通过对数据采集卡的 读写操作来控制外围设备，为从各传感器采集数据选择合适的数字滤波方法，进 一步剔除信号里的干扰成分，并进行分析判断，以数字和曲线的形式显示给用户， 所有的检测数据及检测结果将通过网络传输给服务器系统。服务器系统用于数据 库管理，可以查询、统计和打印检测结果，管理人员不需要到工厂现场就可以了 解生产情况，以便及时做出决策。 最后，阐述了电机转子轴径向跳动检测工位的设计与实现。使用高精度的测 量仪表，根据w i n 3 2 型r s 2 3 2 c 专用接口的协议，实现测量仪表与计算机的串口 通信，提高了电机转子轴径向跳动测量的精确度。同时使用两个步进电机作为测 量和校直的驱动装置，从而大大提高了电机转子轴的检测精度和校直效率。 关键字：汽车；电机；生产线；测控；数据采集 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v et e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o no f c o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ，m o r ea n dm o r em i c r o m e t e r sa r eb e i n gu s e di nt h ec a r 硒 i m p o r t a n tr o l e s 。t h ec a p a b i l i t i e so ft h em i c r o m o t o ru n d e rt h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s d e t e r m i n et h em o t o rp e r f o r m a n c ea n dl i f e u n d e rt h ec o n d i t i o nw i t h o u tl o a d ，i ft h e w o r k i n gc u r r e n to ft h em o t o ri st o oh i g h , i t st e m p e r a t u r ew i l lb ev e r yh i g hi nas h o r t t i m ew h i c hw i l lr e d u c ei t s1 i f e u n d e rt h ec o n d i t i o nw i mac e r t a i n1 0 a d ，i ft h em o t o r v i b r a t i o ni sa b n o r m a l ，i tw i l lb ev e r yn o i s e ，w h i c hw i l la f f e c tt h ec o m f o r ta n dr e d u c e i t sl i f e u n d e rt h ec o n d i t i o nw i t hl a r g el o a d ，i ft h em o t o rt o r q u ei ss m a l l e rt h a n c r i t e r i o n , i t sl o a d - c a p a c i t yd o n ts a t i s f yt h en e e d r a d i a lj u m p i n e s so fm i c r o m e t e ri s t h e p r i m a r yf a c t o rw h i c hc h a n g e st h ep e r f o r m a n c eo fo t h e rp a r a m e t e r s t h e p e r f o r m a n c eo fa l lp a r a m e t e r sw i l lb ea f f e c t e di nt h ea s s e m b l yp r o c e s s t h e r e f o r e ， t h i sp a p e rd e v e l o p san e wt y p et e s ts y s t e mf o rm i c r o m e t e r , t e s t i n ga l lp a r a m e t e r si n t h ea s s e m b l yp r o c e s s f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fm i c r o m e t e r sa n dt h e c u r r e n tp r o d u c i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e ra d v a n c e st h ec o n t e n ta n dt h es t a n d a r d sf o rt h e t e s ta n dc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nf r o mt h ed e s i g no fc i r c u i ta n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n gi nd e t a i l s b a s e do ni s a ，ad a t ac a r di sd e s i g n e di n c l u d i n gt h el o g i c c o n t r o lf u n c t i o n s d i g i t a l a n a l o g c o n v e r s i o na n d a n a l o g - d i g i t a l c o n v e r s i o n c a p a b i l i t i e s a n dt h ea m p l i f i e r , f i l t e rc i r c u i t ，s i g n a lc o n v e r s i o nc i r c u i t r ya n di s o l a t i o n c i r c u i t r ya s s u r et h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h et e s ts y s t e m u s i n gv i s u a lc + + a sa d e v e l o p m e n tt o o la n da c c e s sa sad a t a b a s e , w ed e v e l o paf r i e n d l yi n t e r f a c e ，s i m p l e c o n t r o ls y s t e mu s i n gm o d u l a rd e s i g ni d e a s t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os e r v e ra n d c l i e n t c l i e n ts y s t e m st e s tp r o d u c t s ，t h r o u g hr e a d i n ga n dw r i t i n gd a t ac a r dt oc o n t r o l t h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t s i tc h o o s e st h er i g h td i g i t a lf i l t e rt oh a n d l et h ed a t af r o mt h e s e n s o r sa n ds h o wt ot h eu s e ri nt h ef o r mo fw o r da n dc u r v e a tt h ee n do ft h et e s t ，a l lo f t h ed a t aa n dt h et e s tr e s u l tw i l lb et r a n s m i t t e do v e rt h en e t w o r kt ot h es e r v e rs y s t e m s e r v e rs y s t e mi su s e df o rd a t a b a s em a n a g e m e n t ，m a n a g e r sc a nq u e r y , s t a t i s t i c sa n d p r i n tt e s tr e s u l t s t h a n k st ot h es e r v e rs y s t e m ，m a n a g e r sc a l lm a k ed e c i s i o n sw i t h o u t g o i n gt ot h ef a c t o r y f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o do ft h er a d i a lj u m p i n e s st e s tf o r m i c r o m e t e ri nd e t a i l s a c c o r d i n gt or s 2 3 2 cp r o t o c o lu n d e rw i n 3 2 ，t h i sp a p e ru s e s i i h i 曲一a c c u r a t em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e 觚e e nt h e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n dt h ec o m p u t e ra n di m p r o v et h es y s t e mm o r e a c c u r a t e l y t h eu s eo f s t e p f o r w a r dm a c h i n e sf o rm o v i n gh a si m p r o v e dt h es t r a i g h t e n i n g e f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o ng r e a t l y k e yw o r d s ：v e h i c l e ；m o t o r ；p r o d u c t i o nl i n e ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ；d a t aa c q u i s i t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工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 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 v t 0 s 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及选题意义 1 1 1 课题来源 武汉理工大学汽车工程学院与宁波市恒特汽车零部件有限公司的合作项目 “汽车门窗电机生产线测控系统”。 1 1 2 研究的目的和意义 近几年，随着汽车技术的快速发展和汽车产量的不断膨胀，各种不同类型 和规格的微特电机在汽车零部件中的比重越来越大，也意味着原始的机械控制 的部位越来越多地被电机驱动控制所代替，从而大大提高了汽车的电控自动化 程剧1 1 。随着汽车部件的电动化、自动化程度不断提高，各种汽车应用系统的创 新，如发动机管理系统、中央控制门锁与防盗系统、汽车门窗升降、自动驾驶 系统、电动助力转向系统( e p s ) 等都应用了大量汽车微特电机。有关数据显示汽 车微特电机的需求量每年递增量大于1 0 。 我国微电机企业起步较晚，开始于2 0 世纪5 0 年代末期。目前，国内电机 产品档次不高，无法满足市场对各种微特电机的性能和价格的要求，而企业落 后的生产线技术已经越来越不能适应自动化大生产的要求，不能适应激烈的市 场竞争，因此，一种新型智能检测装配线的出现迫在眉睫，即要设计一套集检 测、装配于一身的自动化程度较高的检测装配线，以提高劳动生产率、提高产 品质量、降低产品成本【n j 。 宁波恒特汽车零部件有限公司是专业从事汽车电动玻璃升降器总成及升降 器用防夹电机和车窗智能控制器的生产厂家，该公司通过自主创新、引进国外 先进的电器、电机制造技术，现己形成年产2 0 万套升降器总成、2 0 0 万台升降 器用电机和3 0 万套车窗智能控制器的生产能力【3 】。但是该公司目前采用的电机 装配流水线只是在总装配完成后，才对电机进行相应的参数检测，符合参数标 准的为合格品。由于电机成品是无法拆开再重新装配，对于不合格品只能作为 废品处理，这样就大大增加了原材料和劳动力的成本，严重阻碍该厂的发展【4 】。 “汽车门窗电机生产线测控系统”是武汉理工大学汽车工程学院与宁波市恒 武汉理工大学硕士学位论文 特汽车零部件有限公司的合作项目，本文以该公司生产的汽车门窗升降器用电 机为核心，设计一套电机生产线在线检测系统。该系统在电机的生产过程中， 将计算机测控技术应用于汽车门窗玻璃升降器用电机的生产实践中，对处于生 产过程中的电机半成品和成品进行检测，以检验电机的各种性能和参数是否达 到标准，从而使其电机生产控制精度高、效率高、成本低等特点。 1 2 国内外研究状况 当前，国内微特电机行业的电机检测技术大部分还停留在人工检测层面， 虽然各种数字化和智能化的仪器仪表产品出现，使的电机测试技术取得了长足 的进步，提高了测量的精确度和可靠性，但是总体上自动化水平还比较低，必 须将测试技术与自动控制技术结合起来，才能适应自动化大生产的要求，才能 可持续地发展我国微电机产业并走向国际化。 检测装配线是一种高效率、高产值的作业生产方式，对于提高装配质量和 效率、以及降低生产成本等具有极其重要的意义。目前在汽车、家电、服装等 行业己经有了广泛的应用。随着我国现代工业化规模的进一步提高，微特电机 行业检测装配线系统必然会得到越来越广泛的应用。特别是江浙一带经济比较 发达的地区，有很多中小型的制造企业，经过多年的发展，需要在技术上以及 规模上寻求突破，并逐步提高其生产过程中的自动化水平【5 】。 1 9 0 7 年，首创流水生产线在福特汽车公司出现，当时采取的是单一对象流 水线的形式，以后又出现了多对象的可变流水线和成组流水线，流水生产的组 织大大提高了工作的专业化水平，使各工序采用高效的专用设备和工艺装备成 为可能，而专用工装同机械化运输装置、电气控制装置相结合，很自然地向自 动化发展【6 1 。特别是电子计算机和自动控制技术的发展，极大地促进了生产过程 的自动化，不仅使各种类型的自动生产线成为可能，而且出现了自动化的车间 和工厂。但是，随着现代化生产的不断进步，简单的装配流水线已经不能满足 高质量、高效率的市场需求【7 】。 1 3 本课题主要研究内容 本文的研究对象为宁波恒特汽车零件部件有限公司生产的汽车门窗升降器 用h t 型电机，设计一套智能检测系统，实现生产自动化，提高生产效率。 2 武汉理工火学硕士学位论文 本文的主要任务是： ( 1 ) 通过分析和了解门窗升降器用电机的结构和工作原理以及工厂目前的 生产装配线流程，在其原有的加工工序上增加四个工位，以在线检测电机在生 产过程的不同阶段的各项性能和参数。 ( 2 ) 根据项目需要，设计并自制数据采集卡，将逻辑控制功能、数模转换功 能和模数转换功能集成到一块基于i s a 的插卡上，并设计了相应的信号处理电 路，包括放大电路、滤波电路、信号转换电路和隔离电路。 ( 3 ) 使用v i s u a lc + + 和a e e s s 数据库作为开发工具，设计出一个具有友好界 面、多样显示效果、实时性、便于修改、易读性等特点的测控系统。软件系统 分为服务器和客户端两个子系统。 ( 4 ) 测控系统共有4 个工位，以第一工位的实现为例进行详细介绍。 3 武汉理丁大学硕士学位论文 第2 章测控系统总体方案设计 2 1 计算机测控系统概述 随着计算机、电子、通信等技术的飞速发展，以及计算机测控技术在自动控 制领域的应用已进入一个新的阶段，为自动控制技术带来了质的飞跃【8 】。 计算机测控系统的典型结构如图2 1 所示，包括数据采集模块和逻辑控制模 块。数据采集模块采集各种传感器输出的模拟信号，经过信号调理电路调理之 后由转换器转换成计算机能识别的数字信号，即作纠d 转换，根据不同的需要 由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据【9 】。同时，计算机输出数字信 号经过转换器转换后输出给执行器件，即作d a 转换，用来控制某些物理量，起 到一种反馈的作用。计算机还可以输出逻辑信号通过逻辑控制模块输出给控制 器件来操作外部设备。 图2 - 1 计算机测控系统的典型结构 工业控制用计算机与外部设备的接口常用的有四种：p c i 接口、u s b 接口、 串行口和i s a 接口等。 p c i 总线和u s b 接口是目前绝大多数台式计算机的标准设备，p c i 接口传 输速度较快的总线接口，但是对此接口的设计较复杂，否则会增加设计成本， 因此利用p c i 接口与计算机进行通信在此次应用中并非最佳方案【1 0 1 。 利用串行口与计算机进行通信从而控制外部设备是一种可行的设计方案， 但是对于使用r s 2 3 2 或r s 。4 8 5 串口通信的远程数据采集应用，串口通信的速 率常常会使数据吞吐量受到限制，这是需要加以注意的问题。还有可能需要为 外部设备单独配置电源，并且需要放置电路板在工控机机箱外部，出现成本较 高和占用空间较多的弱点1 1 1 1 。 4 武& 理t # 哔位* 女 i s a ( i n d u s t r y s t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 接口，是早期计算机的总线接口，是i e e e 确立的工业标准总线结构，具有稳定性好与较高的速度的优点。目前，i s a 总线 在工业上仍然得到了广泛地应用。考虑到实际的作业环境，采用工业p c 机作为 主控机，基于i s a 总线的测控系统不仅可以满足项目需求还有着很强的兼容 性和很大的扩展空间【l “。在工控这个领域内，一方面对数据传输的要求没有那 么高，另一方面不可能像个人用户那样频繁更新换代，因此很大部分情况下i s a 总线就可以满足项目需求。现在的工控机绝大多数都提供有i s a 总线，并且i s a 的槽较多，槽多也就意味着可连接的设备多。提高了系统的集成度，价格自然 就便宜。 22 汽车门窗电机生产线工作台结构设计 2 21 h t 系列电机的特点 汽车门窗自动升降器的动力装置是电机，能够双向转动，有永磁型和双绕 组型两种，通过改变电机电源的f 负极来实现电机的正反转，从而使汽车门窗 玻璃自动升降，并能停留在任意位置，在操作舒适性方面，汽车门窗自动升降 器的使用比原始的手摇升降器舒适很多。 宁波恒特汽车零部件有限公司是汽车门窗自动升降器用电机的生产厂商之 一，其生产的h t 型电机为永磁直流电动机，其实物如图2 - 2 所示，电机总成除 了电动机外，还包括齿轮箱、齿轮、缓冲块、八齿轴等主要组成部分【l “。 氛乡 图2 - 2f i t 型电机实物图 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 。2 所示电机为左右两种型号电机，分别用于汽车的左右车门。从图中可 见该电机整体呈扁平状，采用蜗轮蜗杆减速装置。它具有高输出转矩、低噪声、 小体积、正反双向旋转等特点。该电机内部有电流保护装置，有抑制和抗电磁 干扰装置，电机密封性好，能有效防止尘埃、水等异物的污染。 左右两种型号的电机在结构和功能上是完全对称的，因此在设计检测方案 时，笔者取右门电机作为研究对象，当然在结构设计上会考虑到左右两种电机 的异同性。 2 2 2 汽车门窗电机生产线检测工艺流程设计 电机生产加工工序为：装蜗杆、装电机、装密封圈、穿线、装齿轮箱、装齿 轮、上润滑油、齿轴、缓冲块、联结器、挡圈。为了在电机生产加工的过程中， 对产品质量进行实时监控，笔者在原有生产加工工序的基础上增加了四个智能 在线检测工位。具体分析如下： ( 1 ) 第一工位的任务是检测电机转子轴的径向跳动，并校直径向跳动不符合 工艺要求的电机转子轴。该工位设置在安装蜗杆之后。 ( 2 ) 第二工位的任务是检测电机在空载、负载、堵转三种状态下的电流、转 速、转矩和振动等的情况。该工位设置在装电机之后。原因是若电机空载工作 时电流过大( 电流大于0 。8 a ) ，表明电枢转动中由于多种因素造成的阻力过大， 使得电机温度过高，电机输出力矩变小，影响电动门窗的升降，甚至会烧毁电 机；若电机在有负载情况下振动太大，会造成较大的噪声，影响升降器使用的 舒适性，还会减少其使用寿命；若电机工作时转矩过小，电机将不能输出足够 的转矩，影响升降器的使用。 ( 3 ) 第三工位的任务是测量电机在组装升降器总成过程中在空载状态下的电 流、振动等。该工位设置在装密封圈、穿线、装齿轮箱之后。原因是密封圈和 齿轮箱的安装可能会影响到电机工作时的电流和振动。安装完成之后电机空载 状态下的工作电流不能大于1 2 a ，振动也不能太大，否则会影响升降器的使用。 ( 4 ) 第四工位的任务是检测升降器总成组装完成之后，电机在空载、负载、 堵转三种状态下的电流、转速、转矩和振动等的情况。该工位设置在装齿轮、 上润滑油、齿轴、缓冲块、联结器、挡圈之后。这个工位是对升降器总成进行 的一个综合检测，保证各项参数都符合相关的国家标准。 如图2 3 所示为改进后的检测装配线的工艺流程图。 6 武汉理工大学硕十学位论文 图2 3 改进后的电机生产工艺流程图 2 3 测控系统总体框架 在2 2 节中已经介绍本测控系统包括四个工位。四个工位分别位于生产线的 四个加工环节之间，独立完成相应的检测工作，由工厂工人操作。每个工位对 应一个检测台，包括工控机、机械设备和电路控制板，其中电路控制板是连接 工控机和机械设备的桥梁。系统软件安装于工控机上，通过对电路控制板进行 操作来完成一定的机械动作，机械设备也可以通过电路控制板将设备状态反馈 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 给工控机，从而完成对电机半成品及成品的性能检测。 本测控系统还包括一个服务器，服务器只有一台计算机和打印机，由管理人 员操作，用于数据库管理和系统设置。工控机完成电机检测之后，将检测结果 及数据通过网络传输到服务器，管理人员在服务器上可以查询、统计和打印检 测结果，还可以远程设置实验参数，掌握工厂生产情况，而不需要亲自到工厂 现场，极大地简化了工厂的生产管理。如图2 4 所示为测控系统总体框架图。 2 4 本章小结 弟一上位 第二工位 第三工位 第四工位 图2 4 测控系统总体框架图 本章主要介绍了测控系统总体方案设计。首先介绍了计算机测控系统的典 型结构，包括数据采集模块和逻辑控制模块，同时还介绍了工业控制用计算机 与外部设备的四种接口：p c i 接口、u s b 接口、串行口和i s a 接口。接着描述 了h t 系列电机的类型、组成、工作原理和特性。然后在对工厂现有的加工工序 及改进需求进行分析之后，在原有生产加工工序的基础上增加了四个智能在线 检测工位，分别对电机的半成品及成品进行性能检测，以提高产品质量和生产 效率。最后概述了测控系统的总体结构包括四个工位和一个服务器，以及它们 的组成和关系。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章硬件电路设计 3 1 数据采集卡的设计 汽车门窗电机生产线检测系统原理图如图3 1 所示，它由计算机、数据采集 卡、可编程控制器、数字f o 接口控制电路、传感器、执行器件( 电磁阀) 、信 号调理电路和常显表组成。外部f o 信号经过控制电路进行信号放大、滤波之后， 再经过信号隔离传输到数据采集卡，最后通过总线传输到工控机进行数据处理 和显示。传感器信号经过信号调理电路进行模拟放大、调零、滤波之后，再传 输到数据采集卡进行模数( 么d ) 转换，最后通过总线传输到工控机进行数据处理 和显示。数字信号经由数据采集卡进行数模( d 彳) 转换传输到可执行器件的过程 则正好与其相反。 图3 1 汽车门窗电机生产线检测系统原理 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 中数据采集卡是武汉理工大学汽车研究所自主研发的板卡，它将 8 2 5 5 ai o 扩展芯片、m a x l 9 7a d 转换芯片和m a x 5 0 8d a 转换芯片集成在 一块p c b 电路板上，具有i o 扩展功能、1 2 位精度的a d 转换功能和1 2 位精 度的d a 转换功能。 该数据采集卡是基于i s a 总线设计的，共有6 2 针插卡，其中数据线为8 位， 地址线为2 0 位。采集卡的数据线直接与8 2 5 5 a 芯片、m a x l 9 7 芯片和m a x 5 0 8 芯片的数据线相连。采集卡设置了地址插座用于硬件地址设置，只有当硬件地 址与软件输入地址一致时才可以使用该数据采集卡。取地址值a ，a 。与译码插 座通过7 4 l s 6 8 8 进行比较，比较结果作为7 4 l s l 3 8 芯片的使能信号。7 4 l s l 3 8 芯片对地址值a ，a 。进行了译码，其译码结果作为8 2 5 5 a 、m a x l 9 7 和m a x 5 0 8 三个芯片片选信号及功能选择，译码结果如表3 1 所示。译码成功之后，软件就 可以对相应芯片和端口通过数据线进行读写操作。 表3 1 数据采集卡地址分配表 基址 十进 ( h e x ) 制 a 4a 3a 2a la o功能备注 基址 o 0 00o0 8 2 5 5 a 口译码0 基址+ l 1o00ol 8 2 5 5 b 口译码0 基址+ 2 2oo01o 8 2 5 5 c 口译码0 基址+ 4 4 o 01o0m a x 5 0 8 低八位 译码1 基址+ 88o loo0m a x 5 0 8 高四位 译码2 基址+ c1 2 o l l 0 om a x 5 0 8 l d a c 译码3 基址+ 1 01 61 0 o o0m a x l 9 7 片选，低八位 译码4 基址+ 1 1 1 7 l o 00 l m a x l 9 7 片选，高四位 译码4 3 1 1i o 扩展芯片8 2 5 5 a 8 2 5 5 a 芯片是一个通用的可编程并行接口芯片，它有三个并行i o 口( a1 3 、 b 口和c 口) ，可以通过软件设置其工作方式，经济实惠，使用简单，可直接 与i n t e l 系列的芯片连接使用，在测控系统中得n t 广泛的应用【i5 1 。 8 2 5 5 a 由几部分组成，从图3 2 中可以看到作为接口电路的8 2 5 5 a 具有p c 接口总线和外部接口总线【1 6 1 。 p c 接口总线的信号线有以下几个： l o 武汉理工大学硕+ 学位论文 d b r d 舢 i i l i ，叼 a 0 _ | a l - r e s e t - c s p c 接e i 内部逻辑外部接口 a 组控制 读写控i 厂一 制逻辑卜刊b 组控制 a 组端口a ( 8 ) 组端口c 上半部 ( 4 ) 组端口c 下半部 ( 4 ) b 组端i z i b ( 8 ) 图3 28 2 5 5 a 的内部逻辑结构 d 。d ，：双向数据线，与i s a 总线的数据线相连。p c 机通过它向8 2 5 5 a 发送命令、数据；8 2 5 5 a 通过它向p c 机回送状态、数据。 r e s e t ：复位信号，与i s a 总线的复位信号相连，高电平有效，输入，用 来清除8 2 5 5 a 的内部寄存器，并置a 、b 、c 口均为输入方式； 西：片选信号，与7 4 l s l 3 8 的译码结果y ：l 相连，输入，用来决定芯片是否 被选中； 面：读信号，与i s a 总线的读信号相连，输入，控制8 2 5 5 a 将数据或状态 信息送给p c 机； 试：写信号，与i s a 总线的写信号相连，输入，控制p c 机将数据或控制 信息送到8 2 5 5 a ； a 。，a 。：内部口地址的选择，分别与i s a 总线的地址线a 。、a ，相连，输 入。这两个引脚上的信号组合决定对8 2 5 5 a 内部的哪一个口或寄存器进行操作， 其地址分配情况如表3 1 所示。 8 2 5 5 a 内部共有4 个端口：a 口，b 口，c 口和控制口，西、面、弧、a ，、 a 。这几个信号的组合决定了8 2 5 5 a 对这些端口的所有具体操作，如表3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 28 2 5 5 a 的操作功能表 岙一l i d w r a la o操作数据传送方式 001 00读a 口a 口数据一数据总线 o0101读b 口b 口数据一数据总线 o01 10读c 口c 口数据一数据总线 0l0oo写a 口数据总线数据一a 口 o1 oo1写b 口数据总线数据一b 口 0l0l0写c 口数据总线数据一c 口 010 11 写控制口数据总线数据一控制口 d 7d 6 d 5 d 4d 3d 2d ld 0 1 b 组控制 i c 口 o 输出 低4 位) l 输入 o 输出 b 口 1输入 o方式0 方式选择 1方式1 a 组控制 c 口 o 输出 ( 高4 位) l 输入 0 输出 a 口 1输入 0o方式0 方式选择 o1方式1 lx方式2 图3 38 2 5 5 a 工作方式控制字格式 8 2 5 5 a 有三种工作方式：方式0 ( 简单输入输出方式) 、方式l ( 应答式输 入输出方式) 和方式2 ( 应答式双向输入输出方式) ，用户可以通过编程来设置 工作方式。 8 2 5 5 a 工作之前，首先要对其进行初始化即向控制寄存器写入控制字，由8 位组成。控制字有两种，分别为方式命令字和按位置复位命令字，控制字最高 位为1 时，控制字是工作方式命令字，控制字最高位为0 时，控制字是按位置 复位命令字。工作方式控制字的格式如图3 3 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 8 2 5 5 a 在本文中工作于方式0 ，设置a 、c 口为输出口，b 口为输入口，因 此工作方式命令字为0 x 8 2 。四个工位的i o 分配表如表3 - 3 所示。 表3 - 3 采集卡i o 分配表 口地 口功能 址编 控制码 号 一工位二工位三工位四工位 震动释放气 c o 工件锁紧气缸试件电源正工件压紧气缸 0 x 0 1 缸 左工件压紧 c i 工件压紧气缸试件电源反电磁离合器电源 0 x 0 2 气缸 震动检测气震动检测气 c 2 试件电源正0 x 0 4 缸缸 磁粉制动器右工件压紧 c 3 磁粉制动器电源 0 x 0 8 电源气缸 工件压紧气 c 4 试件电源反试件电源反 0 x 1 0 缸 双气缸工件 c 5 试件电源正震动接近气缸 o x 2 0 压紧 c 6 震动释放气缸 0 x 4 0 b i 启动1 启动2启动启动0 x 0 2 b 2 工件压紧启动工件到位1工件到位2 0 x 0 4 震动检测到 b 3 步进电机上限工件压紧工件压紧 0 x 0 8 位 b 4 到位接近 0 x 1 0 a 6 合格指示合格指示合格指示合格指示 0 x 4 0 a 不合格指示 不合格指示不合格指示不合格指示0 x 8 0 3 1 2a d 转换器m a x l 9 7 m a x l 9 7 是1 2 位8 通道a d 转换芯片，其主要特点有：1 2 位分辨率、可 编程选择模拟量输入范围( 士1 0 v ，士5 v ，0 v - 1 0 v ，0 v - 5 v ) 、8 个模拟输入通 道、可采用内部或外部采集控制、内部或外部时钟1 7 1 。图3 4 所示为m a x l 9 7 的 电路连接图。 武汉理工大学硕士学位论文 r 1 9 5 图3 - 4m a x l 9 7 的电路连接图 m a x l 9 7 在数据采集卡中的电路连接图如图3 4 所示，其中r e f 与r e f a d j 通过电容接地，使芯片采用内部基准电压；置s h d n 为高电平，使芯片采用低 功耗工作方式；c s 片选信号与i s a 总线的地址线a ，a 。经7 4 l s l 3 8 的译码结果 y 4 相连，当a 。、a ，、a ：的值为0 x 1 0 0 时编程选中m a x l 9 7 芯片，并对其进行 相关操作；r d 和w r 信号分别与i s a 总线的读写信号相连，长期低电平有效， 用户可以随时开始采集数据或者进行初始化并开始转换；h b e n 转换结果复用 控制信号直接与i s a 总线的地址线a 。相连，当a n 值为0 时读取m a x l 9 7 的低8 位数据，当a 。值为l 时读取m a x l 9 7 的高4 位数据；数据线d 0 d ，直接与i s a 总线的数据线相连，当片选中m a x l 9 7 芯片时，对i s a 总线的读写操作即是对 m a x l 9 7 进行读写操作；模拟量输入端c h o - c h ，直接与采集卡的d b l 5 接口相 连，从外部设备采集数据。 在对m a x l 9 7 芯片进行读写操作之前需要选择时钟模式、采集控制模式、 模拟输入量程、模拟输入极性以及模拟输入通道。表3 - 4 所示为m a x l 9 7 控制寄 存器格式，通过对控制寄存器的设置，m a x l 9 7 可以工作在不同的运行及控制 模式。 m a x l 9 7 有两种时钟模式：外部时钟模式和内部时钟模式，初始状态为外 部时钟模式，用户通过设置控制寄存器的d 。、d ，位置数，“0 0 为外部时钟模 1 4 武汉理f t 大学硕上学位论文 式，外部时钟脉冲由c l o c k 引脚输入【1 8 】；“l o ”为内部时钟模式必须将c l o c k 引脚对地接一个电容，电容值越大，其对应的内部时钟频率也越大，如当接一 个l o o p f 的电容时，其内部时钟频率为1 5 6 m h z 。 表3 4 控制寄存器格式 d d 6d 5 d 4d 3d 2d ld o p d ip d oa c q m o d r n gb m a 2a la o m a x l 9 7 有两种采集控制模式：内部采集控制模式和外部采集控制模式， 用户可以通过设置控制寄存器的a c q m o d ( d ，) 位置数来选择其中一种模式， a c q m o d = 0 为内部采集控制模式，a c q m o d = l 为外部采集控制模式。内部 采集控制模式下，m a x l 9 7 在写脉冲之后6 个时钟周期后启动a d 转换，即当 采用2 m h z 的时钟时，所用时间为3 9 s ，加上a d 转换时间1 2 个时钟周期共1 8 个时钟周期，这段时间足以读取上次a d 转换结果【1 9 1 ；外部采集控制模式可以 使用户通过2 个写脉冲对采集和转换间隔进行精确地控制，第一个写脉冲，设 a c q m o d = 1 ，开始一个采集，第二个写脉冲，设a c q m o d = 0 ，开始转换和采 集数据。 m a x l 9 7 具有4 个模拟输入量程( o 5 v ，o l ov ，圭5v ，+ 1 0v ) ，工作时其 量程需与所连接传感器量程一致，否则将出现采集数据扩大、缩小及丢失等现 象，通过软件设置控制寄存器中的b i p 、r n g 值即可选择所需要的输入量程及 极性。在本设计中模拟量的输入范围选取双极性输入方式为士5 v 。 m a x l 9 7 是1 2 位8 通道a d 转换芯片，但是在同一时间只能有一个通道进 行数据转换，因此用户在转换之前必须选择对应通道，通过软件设置控制寄存 器中的a ，、a 。、a 。选择所需要的通道。 表3 5 数据输出 p i nh b e n - - l o w h b e n = h i g h d ob o ( l s b ) b s d lb lb 9 d 2 b 2b i o d 3b 3b 1 i ( m s b ) d 4b 4 b l l ( b i p = 1 ) 0 ( 且尸= 0 ) d sb 5b l t ( b i p = i ) o ( m e = o ) d 6b 6b l i ( b i p = i ) o ( b i p - - - o ) d 7 b 1 b u ( b i p = i ) o ( b i p - - o ) 在c s 和r d 都有效的情况下，h b e n 为低电平时，低8 位数据( d 。d ，) 被 1 5 武汉理工大学硕上学位论文 读出，h b e n 为高电平时，复用的高4 位数据( d 。d 。) 被读出，读取情况如表 3 5 所示，读取结果= 高位数据卑2 5 6 + 低位数据。 m a x l 9 7 芯片在本文中使用时采用外部时钟模式，外部时钟脉冲由c l o c k 引脚输入，采集控制模式选择内部采集控制模式。由于系统使用的是t t l 电平， 电压范围为0 5 v ，因此设置m a x l 9 7 的模拟输入量程为队5 v 。当所有的通道 都是采用单极性采集方式时，对应的控制寄存器值分别为0 x 0 0 、0 x 0 1 、0 x 0 2 、 0 x 0 3 、0 ) 【0 4 、0 x 0 5 、0 x 0 6 、0 x 0 7 。如果某一通道采用双极性采集方式，其对应 的控制寄存器值为：单极性采集方式对应的控制寄存器值+ 0 x 0 8 。检测线各工位 采集卡a d 分配表如表3 - 6 所示。设置完控制寄存器，开始读取通道数据，设 采集卡的基地址为0 x 3 0 0 ，则依据表3 1 所示m a x l 9 7 芯片的地址为0 x 3 1 0 ，此 时h b e n 为低电平，读取低8 位数据，设置地址为0 x 3 1 l ，此时h b e n 为高电平， 读取高4 位数据。 工位口地址编号口功能测量值控制码 一工位a d o压力 1 0 0 0 n 0 x 0 0 a d o磁粉力矩 1 0 n m 0 x 0 0 + 0 x 0 8 a d 1 扭力矩5 n m0 x 0 1 + 0 x 0 8 加2 位移5 0 m m0 x 0 2 二工位a d 4 编码转速 5 0 0 r p m 0 x 0 4 a f d 5电流 2 5 a0 x 0 5 a d 6电压 2 4 v0 x 0 6 加7 自制转速 10 0 0 0 r p m0 x 0 7 a d 4 位移5 0 m m0 x 0 4 三工位 a d 5 电流1 0 a0 x 0 5 a d 6电压2 4 v0 x 0 6 + 0 x 0 8 a d o磁粉力矩 1 0 n m0 x 0 0 + 0 x 0 8 a 仍4 位移 5 0 m r n0 x 0 4 四工位a d 5电流2 5 a0 x 0 5 a d 6 电压 2 4 v 0 x 0 6 + 0 x 0 8 a f d 7编码转速 2 0 0 r p m 0 x 0 7 3 1 3d a 转换器m a x 5 0 8 m a x 5 0 8 是m a x i m ( 美国美信) 公司生产的1 2 位、电压输出型、2 0 个针脚、 宽s o 封装的数模转换器( d a c ) ，内部包含一个齐纳基准参考电源、积分转换器 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( d a c ) 、电压输出放大器，输出电压和参考电压具有相同的极