（机械电子工程专业论文）柱栅智能仪表的研究.pdf

摘要 柱栅传感器是我校研发的一种新型数字式直线位移传感器，具有许多其它同 类传感器无法比拟的优势，必将成为数显行业的一个新的增i 长点。 本文是柱栅传感器系列研究的一个重要组成部分，采用基于u s b 新型串行接 口总线技术，完成了具有即插即用、热插拔、高带宽、低功耗、安装简单的柱栅 智能仪表软硬件的设计与样 j 1 n 作和调试工作。柱栅智能仪表的开发成功，使柱 栅测量系统的研究水平向符合实际应用要求又迈出了坚实的一步。 本文首先阐述了柱栅传感器的工作原理，分析总结了原有柱栅测量系统研究 所取得的成果与存在的问题，提出了相应的解决方案。 在此基础上，本文采用了分段绕组激磁，鉴相的运行方式，设计了柱栅激励 及感应信号调理相关电路，有效避免了移相和信号合成造成的误差，同时注意该 部分电路的集成化，使样机电路达到了与传感器本体一体化的要求。 同时，系统完成了柱栅信号数字化处理、数据显示及键盘等电路的设计，规 划并实现了微机数显表功能。系统特别关注柱栅仪表的智能化要求，完成了追数、 绝对相对坐标转换、公n 英制转换、误差修正、刀头偏置、寻找中心孔等先进 的仪表功能。 本文还完成了柱栅智能仪表与p c 的通信接口的设计工作，包括仪表的u s b 接口电路，以及相关的单片机固件程序的设计、u s b 设备驱动程序的设计等。作 为该接口应用的实例，开发了一个基于p c 的柱栅智能仪表虚拟仪器。 关键词：数显表柱栅智能仪表u s b 接口 a b s t r a c t t h ec o l u n m s y ns e n s o ri san e wm e m b e ro fd i g i t a ll i n e a rd i s p l a c e m e n t s e n s o r s ，i th a sa d v a n t a g e st h a to t h e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r se a r l tc o m p a r e w i t h ，i tw i l lb e c o m ean e wg r o w t hp o l eo f t h ed i g i t a ld i s p l a c e m e n tf i l e d t h i sa r t i c l ei sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec o l u n m s y nd i g i t a ld i s p l a c e m e n t r e s e a r c h i tf i n i s h e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n da l s ot h ep r o t o t y p e t e s t u s bi su s e di ni t ，w h i c hh a st h ef e a t u r eo fp 艘h o tp l u g ，l o wp o w e r d i s s i p a t i o ne t c t h es u c c e s s o ft h i ss y s t e mm o v e daf i r ms t e pf o rm e a p p l i c a t i o no f t h ec o l u m n s y n f i r s t l y , t h i s a r t i c l ei l l u s t r a t e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc o l u m n s y n ， a n a l y z e dt h ee x i s t e dp r o b l e m so f t h ef o r m e rm e a s u r es y s t e m ，a n dp r o p o s e d t h ec o r r e s p o n d i n gw a y st os o l v et h ep r o b l e m s o nt h i sg r o u n d ，t h i sa r t i c l ea d o p t e dt h er t mm o d eo fs e c t i o n a lw i n d i n g e x c i t a t i o n ，p h a s ed e m o d u l a t i o n ，d e s i g n e dt h es i g n a lp r o c e s sc i r c u i t ，w h i c h e f f e c t i v e l ya v o i dt h es i g n a ld e p h a s i n g a n dc o m p o u n de r r o r s ，a n da l s o r e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no f t h es y s t e m m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e mr e a l i z e dt h ed i g i t a l i z a t i o na n dd i g i t a lp l a c e m e n t d e s i g no fc o l u m n s y n ，p l a na n da c h i e v em a d v a n c e df u n c t i o n s ，s u c ha sd a t a f i n d i n g 、c e n t e rf i n d i n g 、l i n e a rc o m p e n s a t i o ne t c w h a t sm o r e ，t h i sa r t i c l ec o m p l e t e dt h ei n t e r f a c ed e s i g nt ot h ep c ， i n c l u d i n gu s bc i r c u i t , a n dt h ec o r r e l a t i v ef i r m w a r e 、d r i v e rp r o g r a m a sa i n s t a n c eo ft h i s i n t e r f a c e ，t h i s a r t i c l e d e v e l o p e d ac o l u m n s y nv i r t u a l i n s t r u m e n t a u t h o r ：s h iy a n f a n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h uh o n g t a o k e y w o r d s ：d i g i t a ld i s p l a c e m e n t , t h ec o l u m n s y ns e n s o r , i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t ，u s bp o r t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：渊签字日期：土洲 ) 年 u 。时，( “一一) 9 9 ) 的全扫描设计以确保其高品质： 双电源操作：3 3 v _ + 0 3 v 或扩展的5 v 电源，范围为3 6 v 5 5 v ： 多中断模式实现批量和同步传输。 3 7 3p d i i i s b d l 2 芯片接口电路 图3 2 6 自供电方式p d i u s b d l 2 芯片接口电路 本系统中需要有1 4 个l e d 显示，用p d i u s b d l 2 芯片总线供电的方式，即利用 u s b 总线电源供电( + 5 v ) 显然不够( 总线供电的最大电流仅为5 0 0 m a ) 。所以本 系统p d i u s b l 2 芯片采用自供电方式，对于白供电设备的电源必须要与总线的电 源进行隔离，电源隔离就要处理好两个电源之间的问题了。自供电电源与u s b 总 线的v b u s 之间只能共地，同时设备不能通过u s b 口向v b u s 输出电流。自己供电 方式下p d i u s b d l 2 芯片的接口电路如图3 2 6 。 u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 的数据口与m c u 的p 0 口相连用来传输数据，p 2 5 作片 选作用，a l e 引脚与m c u 的a l e 相连指出p d i u s b d l 2 ；出片采用多路地址数据总线， 对p d i u s b d l 2 芯片的操作就像r a m 操作一样，这时忽略a o 的输入，p d i u s b l 2 芯片在 a l e 下降锁存地址信息。奇地址输出为命令，偶数地址输出为数据。接口芯片的 时钟由6 m 晶振以及集成在该芯片上的乘法时钟锁相环产生。p d i u s b d l 2 还提供 g o o dl i n k g i 脚与发光二极管相连，当u s b 设备被主机成功识别时，发光二极管就 会被点亮：当主机与u s b 设备间进行数据传输时，发光二极管也会以闪烁作为指 示，这给开发带来了很大的方便之处。 3 8 复位电路 我们选用专用的复位芯片s t c 6 3 4 4 ，如图3 2 7 。 使用该复位电路的好处是： 32 7 复位电路 1 ) 确保上电时，在用户选定的电源电压之上，时钟振荡稳定后，单片机才 开始工作。 2 ) 确保掉电时，在用户选定的电压之下，立即让单片机复位，以免单片机 误动作。 3 ) 复位门槛电压可选：l ：4 6 3 v ：m ：4 3 8 v ；j ：4 o o v ：t ：3 0 8 v ：s ：2 9 3 v ： r ：2 6 3 v ，我们选择m ：4 3 8 v 。 4 ) 具有掉电检测的专用复位电路，确保掉电前有充分的时间保存数据。当 p f i 端电压 i 旗“絮委銎器谐1 参+ | 毋嚣黔卜 ： 。2 妒群j 卜 纠罨瓣：卜 ： 工 瞪例端点定士尚 拨惶槭卷 人 ；登爹 从端j ：i l 蟛冲随驰 釉船 一俨铲| 1 泄霞测点t q 船釜 ：= i 三随 厂f 稚h ：禁褒、 1 ) 端点0 读子程序 飞 v 凰 v 固 瞪剩辆 l 竺鬟裳蚓 2 ) 端点0 写子程序 图44 端点0 中断读写流程图 5 3 4 2 2 端点1 的处理 p d i u s b d l 2 芯片端点l 设计用来接收主机的命令以及发送设备的状态信息 端点l 的读写中断服务程序流程图如图4 5 1 ) 端点l 读中断程序流程图2 ) 端点1 写中断程序流程图 图4 5 端点1 读写流程图 4 2 3 端点2 的处理 p d i u s b d l 2 的端点2 是大数据传输的主要端点，端点2 读写各具有6 4 b 的数 据缓冲区，另外，p d i u s b d l 2 端点采用的是双缓冲区的形式，即当内部缓冲区被 m c u 或i n a 控制器读写时，端点2 上的双缓冲允许数据在u s b 总线上吞吐。由 于主机在装入或取出下一个包之前不需要等待内部缓冲区清零或装满，这样做增 加了整体的数据吞吐量。因此端点2 具有的缓冲区大小为( 6 4 + 6 4 ) 2 = 2 5 6 ( 字节) 。 端点2 的写中断程序和端点1 的写中断程序有所不同。为了保障不丢失采集 数据，必须在端点2 的写中断程序中不断向端点2 缓冲区写新的所采集的位移数 据。 端点2 中断读写程序如图4 6 所示l 。 1 ) 端点2 写中断程序 点2 中断蛹 睁 雌9 ； i 蒲对 峰尚：志- 醛啦绁挣毯敛她 2 ) 端点2 读中断程序 图4 6 端点2 读写中断程序流程图 这里，端点的读缓冲