（机械制造及其自动化专业论文）切削力测量数据传输处理系统设计.pdf

一 边堕至坚丕堂堡主堂篁笙銮 一_ 一一 摘要 随着现代切削加工向着高速强力切削、精密超精密加工和高度自动化方向发 展，对切削力的监测也提出了更高的要求。但是高度自动化设备在工件加工中检 测切削力会影响到机床的系统特性，尤其对高精度数控机床的影响更大。为了使 高自动化设备在切削力数据采集中保持其优良特性，本文对切削力数据采集与传 输方式进行了研究与改善。 本文根据切削测力仪的设计要求，在压电晶体传感器的基础上设计完成了一 套切削力无线数据传输系统。随着无线技术应用于测力系统已成为趋势，采用无 线传输技术有效避开了有线电缆带来的诸多问题。保证了实时信号方便快捷的采 集。以下介绍具体的研究工作： 首先，设计系统的总体方案。切削力测量系统对压电晶体传感器传输出来的 电压信号进行采集，本文采用s t c l 2 l 5 6 0 8 a d 作为控制模块对信号进行采集、a d 转换以及控制无线模块进行发射与接收。根据采集的频率与开发环境选择 n i 江2 4 l ( ) 1 无线芯片作为其无线模块，接收端将接收到的数字信号通过单片机传输 给p c 机，p c 机借助s u a l b a s i c 软件平台以数字和动态曲线两种方式展现出来。 其次，对系统进行硬件和软件设计。在确定了系统的总体方案的基础上设计 了系统的硬件电路，并且通过k e i l 软件开发程序来实现系统的所有功能。在功能 上将系统划分成单片机信号采集转换模块、无线数据收发模块、串口传输模块和 界面动态显示模块。 最后，通过软硬件的调试成功，对实际的切削加工进行数据采集与分析。通 过计算得到在一定切削加工条件下的切削力经验公式。进一步验证了系统工作的 正确性，结果表明数据采集系统实现了对切削力的实时采集。 关键词：切削力；实时采集；无线传输；切削测力仪；n r f 2 4 l 0 1 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a s1 h em o d e mc u t t i n gh a s d e v e l o p e dt o w 棚s ah i 曲- s p e e d h e a v yc u t t i n g ， u l t r a - p r e c i s i o n a n dh i 曲a u t o m a t i cd i r e c t i o n ，t h e r e q u i r e r n e n to fm ec u 仕i n gf o r c e m o n i t o r i n gi sa l s oh i 曲c rt h a ne v e rb e f o r e h o w e v e r ，m e a s u r i n gc u t t i n gf o r c ei nah i 曲 d e g r e eo fa u t o m a t i o ne q u i p m e n tw h i c hc u t t i n gt h ew o r k p i e c ew i l l i n f l u e n c em e c h a r a c t e r i s t i c so fm em a c h i n e ，e s p e c i a l l yf o rh i g h - p r e c i s i o nc n cm a c h i n e i no r d e rt o m a i n t a i n h i 曲 a u t o m a t i o n e q u i p m e n t s e x c e l l e n tf e a t l l r e si n c u t t i n g f o r c ed a t a a c q u i s i t i on ，m i sp a p e rh a sb e e ns t u d i e da n di n l p r o v e dc u t t i n gf o r c ed a t aa c q u i s i t i o na 1 1 d t r a n s m i s s jo n b a s e do nc u t t i n gd y n a m o m e t e rd e s i g nr e q u i r e m e n t sa 1 1 dt h ep i e z o e l e c t r i cc r y s t a l s e n s o f ，t 1 ep a p e rh a sd e s i g n e da n dc o m p l e t e das e to fc u t t i n gf o r c ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s jo ns y s t e m a st h ew i r e l e s st e c l l i l o l o g yu s e di nm e a s u r i n gs y s t e mh a sb e c o m e at r e n d ，t 1 1 eu s eo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c l 1 0 1 0 9 ye a e c t i v e l ya v o i dm a n yp r o b l e m s w i t c hc a u s e d b yc a b l e t oe n s u r er e a l 一t i m ea c q u i s i t i o nc o n v e n i e n t l ya n de 伍c i e n t l y t l l e f o l l o w i n gi n 们d u c e sc o n c r e t er e s e a r c ht a s k s ： f i r s t ! d e s i 盟t h ep l a i lo ft h es y s t e m c u t t i n gf o r c em e a s u r 锄e n ts y s t e ma c q u i r c s v 0 1 t a g es j 印a l 舶mp i e z o e l e c t r i cc r y s t a ls e n s o r ，t h ep a p e ru s e ss t c l2 l 5 6 0 8 a da s c o n t r o lm o d u l ef o rs i 弘a la c q u i s i t i o n ，a dc o n v e r t e r ，a n dc o n t r o lt h ew i r e l e s sm o d u l et o 把m s m i t m dr e c e i v e a c c o r d i n gt ot h e 丘e q u e n c yo fa c q u i s i t i o na n dd e v e l o p m e n to f e n v i r o n m 弧t a l ，s e l e c tn r f 2 4 l 0 1 c h i p sa si t sw i r e l e s sm o d u l e ，m er e c e i v e rw i l lr e c e i v e a n dt r a i l s m i tt h ed i 西t a ls 蟾n a lt ot h ep cb ym i c r o c o n t r 0 1 1 p c - s o f h a r ep l a t f o m lw i m s u a l b a 疵s h o w si to u ti nd 画t a la n dd y n 锄i cc u r v e st w ow a y s s e c o n d ，d e s i 弘i n gt h es y s t e m sh a r d w a r ea 1 1 ds o 胁a r e t h ep a p e rh a sd e s i 盟e d h a r d w a r ec i r c u i ta c c o r d i n gt ot h ep l a l lo ft h es y s t 锄，a n dt 1 1 r o u 曲t h ep r o g r 锄c o d e w h i c hd e 、，e l o p e db yk e i ls o r w a r et oa c h i e v em ec a p a b i l i t yo ft h es y s t e m t h i ss y s t e m b e向n c t i o n a l l yd i v i d e di n t om c us i 辨a l a c q u i s i t i o ns y s t e m c o n v e r s i o nm o d u l e ， 沈阳理工大学硕士学位论：艾 w i r e l e s sd a t a 仃a n s c e i v e rm o d u l e ，s 嘶a lt 啪s m i s s i o nm o d u l ea n dv bd y i l a r n j cd i s p l a y m o ( 1 u l e f i n a l l y ，a s m es u c c e s so fh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e b u g 酉n g ，m a l 【ef - w t h e r a c q u i s i t i o na i l da n a l y s i so ft h ea c t u a lc u t t i n gf o r c e b ec a l c u l a t e du n d e rc e r t a i nc u t t i n g c o n d i t i o n s ，c l l t t i n gf o r c e se m p i r i c a lf o 册u l ah a sb e t mo b t a i n e d f u r m e rv e r i f yt h e c o r r e c 恤e s so fm es y s t e mw o r k ，m er e s u l t ss h o wm a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a s a c h i v e dr e a l 一t i m ea c q u i s i t i o no fc u t t i n gf o r c e k e y w o r d s ：c u t t i n gf o r c e ； r e a l 一t i m ea c q u i s i t i o n ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ； c u 仕i n g d y i l a m o m e t e r ；r 瓜f 2 4 l 0 1 箜! 童堕迨一 一一一 第1 章绪论 切削力测力仪是一种测定各类机械静、动态力的仪器。利用计算机进行数据 采集与处理是当今科研实验离不开的辅助手段，它计算速度快、精度高，并具有记 忆、判断及存储程序和自动控制、显示、打印等功能。能够为正确设计工件，优 化加工工艺以及选择刀具提供可靠的依据。通过对压电晶体测力仪的分析与研究， 将测力仪应用到其他的旋转式刀体( 铣刀) ，从而更好的满足复杂加工的需要。 1 1 课题的研究意义 现代机械加工自动化生产既要安全可靠，还要保证加工质量和加工效率。因 此要对切削过程和刀具状态进行实时监测。切削力是描述切削过程的基本参数， 实时测量切削力能够为判别刀具磨损、控制工件表面光洁度提供依据。还可以建 立切削力经验公式，为切削参数的选取提供很大帮助。为了能快速准确地测量切 削力，必须具有一套能够满足生产科研需要的切削力数据采集处理系统。快速准 确地采集切削力，并对采集到的数据进行处理与分析。本课题应用三向压电晶体 作为力传感器，将采集到的切削力进行模数转换后，采用无线技术传输，p c 机进 行后置处理得到切削力的测量值。对现有的切削力测量装置的传输方法进行改进。 从而避开国内一些切削力测量装置的弊端，实现无线传输。将测力仪应用到更加 广泛的领域，对推动铣削加工技术的迅速发展和广泛应用具有十分重要的意义。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 切削力测试方法 随着测力仪在工业上的成功应用，直接采用测力仪测量切削力的技术已经被 广泛的使用。现有切削测力仪一般由三个部分组成：切削力传感器、数据采集系 统和p c 机部分【，如图1 1 所示。切削力传感器因切削方式不同通常安装部位不同， 像在车削中通常放置在而在刀架上，根据刀的受力情况来确定切削力的大小。而 在铣削过程中，力传感器就可放置在机床工作台上。传感器拾取切削力信号，进 而将其转换为弱电信号，信号放大以后传输出去；数据采集系统通常放置在加工 婆堕堡三奎堂堡主堂垡笙奎 地点之外，通过线路将传送过来的电信号进行调理、采集和模数转换，最终得到 可用的数字信号；p c 机部分首先要通过一定的线路与数据采集系统硬件相连通， 借助一些软件平台，将切削力信号显示出来，并对其进行数据处理和分析。 徽电 q _ _ - 一 _ _ _ _ - | 卜 弱电信号 器 数掳采集传输系统 p c 机 图1 1 切削力测量系统组成 1 2 2 切削力测力仪的国内外研究现状 最近十几年由于国防工程和机械加工动态测试的需要，以及近代测试技术的 发展，压电式切削测力仪成为该时期的代表【2 1 。压电式切削测力仪出现的时间比较 早，它的力传感元件为压电石英晶体，但是该测力仪并没有在当时等到广泛的应 用，压电晶体也只是处于试验阶段，在工业生产中很多的性能得不到保证，因而 没有实用性。比如它的静电荷的泄漏问题使其不能测量静态和准静态力，这也是 压电测力仪多年处于停滞状态的原因。后来高阻抗电荷放大器的出现解决了压电 式测力仪的静电荷泄漏问题解决，将压电石英晶体测力仪的发展和应用带入了一 个新阶段。1 9 6 3 年德国阿亨工业大学首先研制成功采用三向压电石英力传感器的 三向车削测力仪。此外瑞士苏黎士联邦工业大学对压电测力仪进行了基础理论的 的研究 3 】，此后与瑞士瞄s t l e r 公司协作研制成功具有优良性能的压电石英传感器系 列和车削、钻削、铣削测力仪及多分量测力平台，电荷放大器等，从而做出了压 电测试系统所需要成套设备，给压电测试开辟了一个新局面【4 】。从此以后相继出现 了各种形式的压电测力仪：意大利都灵工业大学研的四单向力传感器制成的三向 车削测力仪，具有高刚度、高灵敏度。而且还可在机床自适应控制系统中作为反 馈传感元件使用；加拿大蒙特利尔s g w 大学将压电测力仪与计算机联系起来，对 切削力稳态随机特征进行了深入研究；日本山本明等在研究切削形成过程中由于 金属剪切滑移而引起的微小波动力时，将压电元件直接安放在刀片下方来测得刀 尖处切削瞬态变化。 第1 章绪论 在当前国际上广泛采用的测力仪有两大类型：一种是压电式，另一种是应变 式【5 】。压电式测力仪以其是刚性大、动态特性好的优势在国际上畅销数十年，但是 其缺点是对强磁场干扰比较敏感，尤其是在湿度大的时候会产生电荷泄漏，从而 使力的静态力到干扰，线性度比较差；如今经过不断的研究改进的应变式测力仪 不仅具有刚性大、动态特性优良的特点，而且抗干扰能力很强，同时它的线性度 在任何条件下都是很理想的。在价格方面，应变式测力仪造价比较低，约是压电 式的三分之一左右。 我国对压电效应和压电材料的研究是以中国科学院上海硅酸盐研究所、中国 科学院、北京声学研究所和四川压电与声光技术研究所为主进行的【6 】，在国内，压 电切削测力仪的研究起步比较晚。1 9 7 7 年大连工学院首先开始研制压电切削测力 仪，此外还有上海测试研究所、大连理工大学、东南大学等高校和研究所也开展 了理论与实验方面的研究工作。1 9 7 8 年大连理工大学的孙宝元教授开展了压电介 质检测灵敏度分布规律的工作，通过分析影响灵敏度的各种因素，得到了灵敏度 分布曲线和灵敏度拟合方程。而后他们先后研制成功单向、双向、三向压电石英 力传感器和各种类型的测力仪。此外，华北电力大学也进行了该方面的研制，做 出了切削力测量虚拟仪器，该测力仪能够对切削力进行数据采集、显示和存储等 功能，实现了在线监控功能。这些研究成果目前已应用在我国第一个压电石英三 向力传感器和第一台压电石英三向测力仪上。目前国内外常用的测力仪主要有以 下几种形式：应变式测力仪、压阻式测力仪、电流式测力仪、压磁式测力仪、压 电式测力仪。现有国内外使用比较广泛的具有一定代表性的测力仪： 图1 2 s t l e r 9 3 2 7 c 测力仪 图1 3y d c i i l 8 9 车削测力仪图1 4 重型车削测力仪s d c c 3 h x t m 譬鍪鬟 沈阳理工大学硕士学位论：丈 由于现代切削加工正在向高速强力切削、精密超精密加工方向发展，机床的 振动频率也会远远高于系统的固有频率，这对测力仪提出了新的发展要求： 1 1 优化压电晶片结构，提高压电式测力仪的测量精准度，或开发新的弹性元 件及它们的布片方案，提高应变式测力仪固有频率； 2 ) 应用集成电路和微电子技术。使数据采集系统集成化，提高数据采集的速 度与精度： 3 ) 完善数据处理分析软件的功能，提高测量精度将虚拟仪器技术引入切削力 测试系统，以便对测量教据进行多种操作和数据库管理。满足现代切削加 工在线实时采集与数据分析功能； 4 、) 测力系统要融进机床控制系统。监控信息采用无线传输，免去许多导线往 来的麻烦。 1 2 3 切削力测力仪的系统组成 切削测力仪在功能上分主要包括以下几个部分： 1 ) 刀柄及传感器。刀柄在设计时既要保证传感器硬件牢固的安装在里面，又 要与机床主轴进行连接，不影响工件的正常加工。同时在内部直接连接电 荷放大模块，保证信号有效发送出来。 2 ) 信号实时采集系统。实时采集系统要对模拟量进行接收，通过加转换 成无线发射模块可用的数字信号。在刀柄内对放大后的电压值进行采集、 编码、发射且内部供电，地面接收部分可由u 口连接p c 机提供电源。实 时采集系统除了具有通用操作系统的特点和：叻能外，其还具有实时性强、 可靠性高以及稳定性好的特点。实时采集系统在任何时刻总是保证优先级 别最高的任务占用c p u 和其他资源，而且还要保证系统响应的时间是可 以容忍和确定的。系统对现场进行不问断地监视，一旦有事件发生，系统 就能“实时 地做出响应。 3 ) p c 机处理。p c 机处理需要借助于软件，将采集到的切削力展现给用户。 v i s u a l b a s i c ( 简称v b ) 是微软公司推出的一种可视化的、面向对象的结 构化高级程序设计语言，是当今世界上应用最广泛的编程语言之一，它也 被公认为是编程效率最高的一种编程语言。是一种开发功能强大、性 能可靠的商务软件，同时还能编写处理实际问题的实用小程序。它简单易 一 箜! 童丝笙 - 一_ _ _ _ _ - - _ l - - _ _ _ _ 一 学、容易掌握，软件界面设计非常便捷，编程工作量较小，开发周期短， 特别适合非计算机专业的工程技术人员掌握和使用。 1 3 课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容是开发出一套集模拟电压信号采集、d 转换、无线 数据传输等功能于一体的数据采集系统。此外还有p c 机数据实时显示与处理系 统。在p c 机系统中本课题采用v i s u a l b a s i c 软件进行编程开发。系统实时采 集到切削力信息后，以十进制的方式显示在界面中，并绘制相应的动态益线。在 加工过程中，力的大小超过最大值能够报警提示。p c 机与采集系统硬件之间采用 串口来输送数据信息。在得到数据信息后要对数据进行分析处理，经过采集一定 数量的切削力数值后进行计算得出相对应的切削力经验公式。在原有的测力系统 基础上构造出无线数据采集系统。 数据采集系统部分要以已有的压电晶体测力仪的传感器部分为基础，传感器 核心部件采用压电晶体，大连理工大学对此已经研究成型【7 ，8 1 ： f x 盼 m f z 图1 5 传感器石英晶组的结构图 在研究出石英晶体的切向灵敏度分布规律、扭转效应、压电二次感生效应后， 将其应用在多向力传感器上，做出了多种压电叠堆式与压电双晶式执行器。石英 晶体传感器与其他传感器相比有许多优点【7 】： 1 ) 静态刚性好； 2 ) 灵敏度高、分辨率高； 3 ) 滞后、重复性误差也很小； 4 ) 固有频率高； 5 ) 频率响应与瞬态响应良好； 6 ) 稳定性好，同时抗干扰的能力强，所以决定其传感器性能长期保持不变。 气 沈阳理工大学硕士学位论文 二_ 二二二- _ = = 二= = 二 本课题总体设计思路：对于传输过来的放大信号单片机进行采集存储，同时 为了减少芯片设计以及考虑到空间大小的要求，选择在内部具有数据丸，d 转换功能 的单片机。将信号传输出去，要考虑选择发射频率高、功耗低、信号保持性好的 无线模块，在接收端信号要传输给p c 机，p c 机的软件平台要与单片机建立通信， 最终将数据进行处理运算完成。所以本课题工作内容可以简单概括为图1 6 所示： 图1 6 切削力数据传输处理系统 根据切削力测试发展现状的分析，结合课题的实际情况，进行以下研究工作： 1 ) 查阅并检索三向压电晶体、无线通信技术、v b 软件开发等相关的文献和资 料，了解并学习各个领域中的技术、发展状况和未来动态； 2 ) 寻求学习研究出发点。在打开思路以后，对于各个模块的设计，要考虑模 块的兼容性与功能特性，有针对性的学习研究； 3 ) 制定系统总体方案。针对课题进展和调研结果设计整套切削力监测系统的 总体方案，该方案要做到的一点就是确保系统方案可行。确定系统主要工 作元器件； 4 、) 硬件系统设计。在确定系统总体方案后，根据系统本身特性与要求确定系 统的工作元器件，设计硬件电路； 5 ) 软件系统设计。根据硬件系统，以及功能要求选择p c 机的软件平台，并进 行设计开发。 6 ) 系统功能调试。对于设计好的硬件与软件部分进行联合调试。 7 ) 采集铣削力信号并进行数据处理分析。将整套测力仪系统安装机床上进行 数据采集，本系统在接收到放大后的电压信号进行传输采集，在该系统中 要做到实时效果。对于信号数据进行一定算法分析，得出一个实际的铣削 力经验公式。通过观察波形与计算数据进一步验证系统的正确性。 第2 章测力系统总体方案设计 第2 章测力系统总体方案设计 2 1 测力系统功能设计 2 1 1 总体功能图 近年来，由于p c 机优越的性价比和丰富的软件资源，己成为计算机应用的主 流机种。计算机控制概述工业控制是计算机的一个重要应用领域，是为适应这一 领域的需要而发展起来的一门专业技术。在现代工业企业自动化中，计算机控制技 术是核心，它是计算机技术和控制理论有机结合的产物【9 ，l0 1 。随着电子技术的迅速 发展，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命【1 1 1 。单片 机的可靠性高、性价比高，广泛应用于智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系 统、家用电器等领域。而且宏晶科技推出的s t c l 2 系列单片机以抗干扰能力强、 功能全、功耗低、体积小、开发应用方便等特点广泛应用到工业控制系统中，渗透 到各个应用领域。特别是利用其能直接进行全双工通讯的特点，在智能仪器仪表、 数据采集和过程控制中作为智能前沿机。但单片机难以进行复杂的数据处理，因此 需要借助于高性能的计算机及其相应的软件平台对系统的进行管理和控制。单片 机作为从机完成数据的采集、传输、信号变换等，p c 机作为主机对复杂的数据进 行处理和对单片机的控制。 本课题设计的数据采集处理系统对四路模拟电压进行数据采集，输入的四路 模拟量为o 5 v 电压信号，数据采集由s t c 单片机完成，为了减少芯片的设计， 采用含有a d 转换的单片机，模拟量数据在单片机内部转换完成。单片机通过s p i 接口与无线模块n r f 2 4 l 0 1 相连接。在接收端同样要无线模块和单片机共同工作 来接收数据并存储，最终将采集数据通过r s 2 3 2 c 串口通信传送到上位机( p c 机) 。上位机部分在v i s u 枷3 a s i c 软件平台的控制下完成数据的实时采集并绘制动 态曲线。数据的记录为切削力的后续计算、分析及其建立经验公式提供有力依据。 沈阳理工大学硕士学位论文 据 图2 1 系统总体功能图 图2 1 为设计的总体功能图。从左到右依次为数据采集转换与发射、数据接收 存储、串口传输、v b 数据显示。发射端的工作：压电晶体传感器在受力产生电信 号并经多路放大模块将幅值放大到0 5 v 区间，该信号作为单片机要采集的模拟电 压信号，在单片机中经a ，d 转换成与之相对应的数字信号，然后通过无线射频芯片 发射出去。接收端的工作：无线射频芯片接收到信号之后传给单片机，通过串口 传输给计算机，从而将切削力信号实时的显示出来。 2 1 2 各模块功能设计 根据测力系统总体设计，本课题将系统分成四个工作模块，分别是：含有a d 转换功能的s t c 单片机模块、信号无线收发模块、串口通信模块和v ：b 系统处理显 示模块。其中，无线信号收发模块包括发射和接收两部分。系统两个主要的功能 模块就是单片机控制a d 转换模块和v b 系统处理显示模块。 1 含有a d 转换功能的s t c 单片机模块 该模块还要分为两个部分：一是模拟信号传输到s t c 单片机中，在单片机里进 行a d 转换后将信号送至无线发送模块；二是信号无线接收后，将信号存储到单片 机中( 数字信号) ，该部分单片机将数字信号经串口传输给p c 机。 2 信号无线收发模块 该模块针对于实际数字信号采用的是n r f 2 4 l 0 1 无线芯片。工作于2 4 g h z 2 5 g h z 频段，该模块还要配置成两部分：无线发送和无线接收。 3 串口通信模块 采用串口传输模块一方面为了解决p c 机与单片机的电压不同，p c 机连接提供 第2 章测力系统总体方案设计 电压要高于单片机的5 v 电压值，直接串口连接将把单片机烧坏；另一方面串口通 信方便，与p c 机连接数据传输简单3 路连接即可。该模块需要通过m a ) ( 2 3 2 芯片实 现电压的转变。 4 v 】3 系统处理显示模块 该模块主要是通过软件v i s u a l b a s i c 编程绘制实时采集界面，软件界面不仅要对 力进行十进制显示，而且要绘制出实时动态曲线，更重要的是数值要与实际的切 削力相互对应。这是重点和难点之一，本课题中采用的是m s c o l l l l l l 控件来与从机 单片机连接并进行数据交换。 2 2 测：f 】系统主要器件选型 2 2 1 单片机芯片选型 对于单片机芯片的选型，首先要明确其技术要求和系统功能，单片机功能要 适中，太强则造成资源浪费，过少则可能实现不了控制要求，一般芯片功能略大 于设计要求。其次要考虑其技术性能、实用性能和开发性能。 单片机是整个系统的控制模块，靠它来连接无线发射模块和串口通信模块，该 三个模块要彼此交换控制信号，因此在选择单片机时要考虑到s p i 通信和r s 一2 3 2 c 串口通信，同时还要考虑到带有d 转换功能，将采集到的模拟信号转换成数字信 号送到无线模块中进行发射，因为要进行实时采集信息又要考虑能否实现高速采 集。基于上述原因，最后选用宏晶科技推出的s t c l 2 l 5 6 0 8 a d 单片机，该器件含有 高速，4 通道，1 0 位的d 采集芯片。最高可以达到1 0 0 k s p s 的转换速度。满足实 时采集的要求。 2 2 2 无线发射芯片选型 实现对切削力的实时监测实际上是要求信号的传输做到实时，这就要求无线 芯片的传输速率必须很快，准确度高且功耗尽可能低。由于选择微功率无线通信 技术作为切削力数据采集的无线连接方案，这种近距离无线通信技术已经将无线 通信系统的大部分功能集成在一个芯片内部，只需使用少量外围元件和微控制器 就可实现无线数据传输功能 1 2 ，1 3 】。选择一款性能优良的高速收发芯片是体现高速 数据传输的关键所在。因此，芯片选择要进行以下几个参数的考虑： 1 ) 芯片的功能，首先其基本功能要能够满足要求； 沈阳理工大学硕士学位论文 2 ) 传输速度与发射功率，本系统要达到实时采集的效果，需要较高的传输速 率和发射功率。同时要保证有效和可靠的通信， 3 ) 工作电压及其功耗，该设计的无线传输系统是应用在切削力数据采集上， 系统功耗比较大且供电要求内部供电，因此应该根据需要选择功耗较小的 芯片以达到电池供电的可能。 4 ) 外围元器件的数量，芯片外围元件的数量直接决定模块的体积、重量和成 本，有一些外围元件比较昂贵如变容管以及声表滤波器。还有一些芯片收 发需要两根天线，大大增加了成本。本系统的无线芯片要放置在铣刀刀柄 中，因此外围元件少的收发芯片是本系统所需要的。 5 ) 芯片的编码方式，若采用曼彻斯特编码，在编程上会需要较高的技巧和经 验，会占用更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码会大大降低数据传 输的速率，一般仅能达到标称速率的1 3 【1 4 】。若选用串口传输的芯片，其标 称速率也就是实际速率，传输速率可以达到】l1 5 2 0 0 b p s 。而且编程开发较为 简单。 6 ) 生产工艺和供应链管理，生产工艺较低的加工厂是无法焊接检验b g a 系封 装元件的；对于选定的芯片能够方便买到，：芯片停产或价格过高都需要更 换芯片。 由于无线收发芯片的种类和数量比较多，在功能特性上满足要求的也有很多 种，正确选择芯片可以少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。表2 1 为四 种无线射频芯片的对比。 表2 1 几种无线射频芯片的参数比较 第2 章测力系统总体方案设计 根据表2 1 几种无线芯片的相互比较，可以看出，n r f 2 4 l 0 1 与目前市场上的其 他无线收发芯片相比具有一定的优势，满足本系统中的实际情况需求： 1 ) 传输速率高。2 m b p s 的传输率能够满足系统实时传输要求，1 1 i j 江2 4 l 0 1 可以 直接和单片机进行s p i 通信，数据传输无需曼彻斯特编码且空中传输时间 短，提高了传输速率和工作效率。 2 ) 体积小。i 心2 4 l o l 超小巧，使用安装方便，满足测试系统刀柄内部安装微 型化的要求。 3 ) 低功耗。n r f 2 4 l 0 1 空中传输快，启动时间短，极大的降低了电流的损耗。 4 ) 性价比高。i 心2 4 l 0 1 外围元件较少，所有高频元件包括电感、振荡器等已 集成在芯片内部，低成本处理器即可完成无线传输功能，从而降低了成本。 5 ) ：开发使用比较容易、方便。由于链路层完全集成在模块上，因而便于开发， 同时具有很多特征【14 1 。 6 ) 应用领域广泛。n r f 2 4 l 0 1 不仅可以信号采集通信，像工业数据采集系统、 生物信号采集、无线2 3 2 、无线4 2 2 4 8 5 数据通信、小型无线数据终端等， ：还可应用在遥控、遥测、身份识别、小区传呼、无线标签、非接触r f 智能 卡等。 综合以上考虑，并根据本系统的实际需求，将选用n o r d i c 公司的n r f 2 4 l 0 l 无 线收发芯片。该芯片数据传输率1 2 m b p s ，s p i 接口数据速率0 8 m b p s ，而且具有 自动应答及自动重发功能。 2 2 3 串口通信芯片选型 要实现单片机与p c 机之间的串口连接，就要进行电平转换1 5 1 ：r s 2 3 2 c 接口 ( 就是通常所说的串口) 上通信时要1 2 v 的电压才能识别，也就是相对高低电平 为1 2 v 和o v ；s t c 单片机的高低电平为5 v 和o v 。因而，两者电平不同没法通 信，并且直接连接还会将单片机部分击穿烧坏。两者需要连接中间需要一个一个 电平转换芯片来当翻译。在本系统中，选择的线路是r s 2 3 2 c 串口线，因而选择 与之相对应的电平转换芯片。m a x 2 3 2 是美信公司为r s 一2 3 2 c 标准串口设计的单 ，11 沈阳理工大学硕士学位论文 电源电平转换芯片，使用+ 5 v 单电源供电。该芯片具有2 个驱动器和接收器，内 部一个电压发生器提供t i 觚i a 2 3 2 f 电平。满足该系统连接的要求。 2 3 测力系统主要器件 2 3 1s t c l 2 l 5 6 0 8 a d 单片机 1 s t c l 2 l 5 6 0 8 a d 单片机，如图2 2 实物图所示。是宏晶科技生产的单片机， 它是高速、低功率、超强抗干扰的新代8 0 5 1 单片机。速度比传统8 0 5 l 快8 1 0 倍。 为增强型8 0 5 1 c p u ，1 t ，单时钟机器周期，指令代码完全兼容传统8 0 5 1 。其基本 参数如下所示： 高速：一个时钟机器周期，速度比8 0 5 1 快5 8 倍； 工作电压为宽电压：3 6 v 2 2 v ( s t c l 2 l 5 6 0 8 a d 系列单片机) ； 低功耗设计：具有空闲模式和掉电模式； 工作频率范围：o 3 5m h z ； 时钟：外部晶体或内部r c 振荡器可选，在i s p 程序下载时可选； 片内f l a s h 程序存储器和e e p r o m 功能，可以达到1 0 万以上擦写次数； f l a s h 程序存储器字节为8 k 字节，s r a m 字节7 6 8 ； 四种模式：准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏； 硬件看门狗( w d t ) ，内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路； 全双工异步串口( u a r t ) ； 外部中断9 路，下降沿中断或低电平触发中断，p c a 模式可分别或同时支持 上升沿中断下降沿中断；p w m ( 4 路) p c a ( 可编程计数器阵列，4 路) ； 高速s p i 串口同步通信口，主模式从模式。 a d 8 路1 0 位，封装2 0 p i n 。 图2 2s t c l 2 l 5 6 0 8 a d 单片机实物图 第2 章测力系统总体方案设计 2 a ，d 转换功能介绍：s t c 单片机带a d 转换的结果在p 1 口( p 1 7 - p 1 o ) ，有8 路1 0 位高速刖d 转换器，速度可达到1 0 0 l m z ( 1 0 万次秒) 。8 路电压输入型加， 可做温度检测、电池电压检测、频谱检测等。上电复位后p 1 口为弱上拉型i o 口， 可通过软件设置将8 路中的任何一路设置为d 转换，不需作为a d 使用的口可继 续作为们) 口使用。 2 3 2n r 正2 4 l 0 1 无线芯片 斌f 2 4 l 0 1 是一款新型单片射频收发器件，工作于2 4g h z 2 5g h zi s m 频 段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增 强型s h o c k b u r s t 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。n r f 2 4 l 0 1 功耗低，多种低功率工作模式( 掉电模式和空闲模式) 使节能设计更方便。g f s k 调 制：硬件集成o s i 链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头 和c r c 校验码；数据传输率为lm b s 或2 m b s ；s p i 速率为om b s l om b s 【1 6 - 1 8 】： 1 2 5 个频道：与其他n r f 2 4 系列射频器件相兼容；q f n 2 0 引脚4n h n 4m m 封装； 供电电压为1 9v 3 6v 。 1 工作原理 发射数据时，n r f 2 4 l 0 1 在s c k 时钟控制下，数据在主从设备间传输，将接受 点地址和有效数据写入缓冲区，而且严格地遵守s p i 通信的时序。n r f 2 4 l 0 1 通过2 4 g h z 无线通信技术与发射端( p t x ) 进行数据交换：数据在c s n 电平为低时全部写入， 将要发射时再写入接受节点地址，c e 置为高电平后延迟大约1 4 0 “s 才能发送，数据 发射以后，n r f 2 4 l 0 1 进入自动应答接收模式，若发送成功将会收到应答，表示数 据已经被接收到，已发送数据t xd s 将被置高，同时有效数据将在发送缓冲区清 除，如果发送不成功，将自动重新发送该数据。但是发送次数是有一个上限的， 达到上限后，m a xi h 置高，t xf i f o 中数据保留以便在次重发：m a xr t 或t xd s 置高时，使i r q 变低，产生中断，通知m c u ( 1 9 】。最后接到应答，整个发射完毕， 芯片使能c e 低电平为低，同时n r f 2 4 l 0 1 进入空闲模式1 ：若芯片使能c e 为高电平且 发送堆栈中也有数据，则需要继续进行发射；若c e 高电平，但是堆栈中无数据则 n r f 2 4 l 1 ) 1 进入空闲模式2 。 接收数据时，当收发器接收到数据后，将数据包存储到接受缓冲区中，并通过 中断i r ( ) 通知m c u 已接收到数据，可以进行读入操作，然后m c u 通过m i s o 数据传 一 沈阳理工大学硕士学位论：丈 。二_ 二二一 输线读入数据。心f 2 4 l o l 在接收到数据之后，会自动切换到发送模式发送应答信 号给发射端( p ) ，这样就完成了一次数据传输过程。 2 i 心2 4 l o l 功能 n f 2 4 l 0 1 引脚功能及描述：n i 冰2 4 l 0 1 的封装及引脚排列如图2 3 所示。各引脚 功能如下： v 嚣s d 、门口。伽聪s 琅f 园回圈回圆 圈团团圆圆 臻硷啪w s 她粼i 图2 3n 剐f 2 4 l 0 1 引脚及封装 其引脚及其功能如表2 2 所示： 表2 2n i 心2 4 l 0 l 引脚及其功能 第2 章测力系统总体方案设计 根据其功能介绍与引脚说明，本系统采用引脚1 8 与单片机模块进行连接。 3 f 2 4 l 0 1 工作模式 工作模式通过配置寄存器可将n r f 2 4 1 l 0 1 配置为发射、接收、空闲及掉电四种 工作模式，如表2 3 所示。 表2 3n i 心2 4 l 0 l 工作模式 待机模式1 主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待 机模式2 则是在当f i f o 寄存器为空且c e = 1 时进入此没收；待机模式下，所有配置 字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时n r f 2 4 l 0 1 也不工作，但其所有配 置寄存器的值仍然保留。 4 n 】强2 4 l ol 通信协议 n r f 2 4 l 0 1 有自己的通信协议，无线通信协议分为3 层：物理层、数据链路 层和应用层。物理层包括g f s k 调制和解调器、接收和发送滤波器、射频合成器、 s h 接口和电源管理，主要完成数据的调制解调、编码解码、f h s s 跳频扩频和s p i 沈阳理工大学硕士学位论文 通信。数据链路层主要完成解包和封包过程。该协议有2 种基本的封包：数据包 和应答包。数据包格式如表2 4 所示，应答包格式如表2 5 所示。数据的发送必须 满足配置的协议，且数据长度不可超过2 5 6 位。 表2 4 数据包格式 表2 5 应答包格式 数据包主要用于传送发射端和接收端之间的数据信息，应答包则是在自动应 答功能选项被使能之后才会出现的，以便于发送端检测有无数据丢失。一旦数据 丢失，则通过自动重发功能将丢失的数据恢复。 2 4 测力系统数据采集软件界面 2 4 1 数据采集系统 切削力数据采集系统( c u t t i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a c ) ，该系统对生 产过程的大量参数作巡回检测、处理、记录以及实时显示。对大量参数的积累和 实时分析，可以达到对生产过程进行各种趋势分析的目的。这是计算机应用于工 业生产过程最早和最简单一类系鲥2 0 1 。过程参数经测量变送器及过程输入通道， 定时地被送入计算机，由计算机对来自现场的数据进行分析和处理后输出操作指 导信息供操作人员参考，从而做出决策。 数据采集系统是一种开环控制系统，仅对生产过程进行监视，不能对生产过 程进行控制。它的输出不直接作用于生产过程的执行机构，不直接影响生产过程 的进行。它的输出只作用于有关的外部设备和人机接口，为操作人员的分析、判 断提供信息的显示和报道。 2 4 2 s u a l b a s i c 开发软件 s u a l b a s i c 是微软公司推出的一种可视化的高级程序设计语言，是目前应用 最广泛的编程语言之一，它也被公认为是编程效率最高的一种编程方法【2 1 1 。无论 是开发功能强大、性能可靠的商务软件，还是编写能：处理实际问题的使用小程序， 。1 6 第2 章测力系统总体方案设计 v b 都是最快速、最简便的语言。它简单易学容易掌握，使用v b ，编程人员不用 编写大量的代码去描述界面元素的外观和位置，而只需要把预先建立好的对象画 到屏幕的某一位置，如图2 4 所示。从而使编程效率得到了极大的提高。 图2 4 v b 集成开发环境 从编程上看，微软公司推出的可视化、面向对象的程序设计语言s u a l b a s i c 是一个不错的选择。因为，采用开发测控应用软件容易上