基于MSP430单片机计算法实现光栅细分

自动化技术与应用20I2年第31卷第2期仪器仪表与检测技术JNSTRUMENTATIONANDMEASURMENT基于MSP430单片机计算法实现光栅细分张永枫1，杨中雨1深圳职业技术学院电子与信息学院，广东深圳518055；2长春理工大学光电信息学院，吉林长春130012菊耍西丽手的目的，采用了单片机计算法。该方法是MSP430F149单片机实时对光栅的正弦和余弦两路莫尔条纹信号进行采集和计算，根据计算结果确定出信号的相位即细分点，进而得知光栅的位移量。本文应用单片机计算法完成光栅的64细分，并成功应用于自动化轾制及检测科研项目中，达到了令人满意的效果，单片机计算法细分具有推广应用价值。关键词单片机；计算法；光栅；电子细分中图分类号TP3681文献标识码B文章编号10037241201202005804GRATINGSUBDIVISIONBASEDONMSP430CALCULATIONMETHODZHANGYONGFENG，YANGZHONGYU1SCHOOLOFELECTRONANDINFORMADONSHENZHENVOCATIONALANDPOLYTECHNICCOLLEGE，SHENZHEN518055CHINA；2COLLEGEOFOPTICALANDELECTRONICALINFORMATIONCHANGCHUNUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，CHANGCHUN130012CHINAABSTRACTINORDERTOREALIZETHEPURPOSEOFGRATINGELECTRONICSUBDIVISION，AMICROCOMPUTERCALCULATIONMETHODISUSEDTHISMETHODACQUISITEANDCALCULATEREALTIMESINEANDCOSINEOFTWOGRATINGMOIREFRINGESIGNALBYMSP430F149SCMACCORDINGTOTHECALCULATIONRESULTS，THESUBDIVIDEDSIGNALPHASEISDETERMINEDANDGRATINGDISPLACEMETISKNOWNINTHISPAPERTHE64GRATINGSUBDIVISONISCOMPLETEDBYSCM，ANDITISAPPLIEDTOTHEAUTOMATICCONTROLANDDETECTIONSCIENTIFICRESEARCHPROJECTSSUCCESSFULLYITACHIEVESATISFACTORYRESULTSSCMCALCULATIONMETHODHASPOPULARIZATIONANDPRACTICALVALUEKEYWORDSSCM；CALCULATIONMETHOD；GRATING；ELECTRONICSUBDIVISION1引言光栅位移传感器是一种基于光栅莫尔条纹信息变换原理的模数传感器【L1，按光栅分类有长光栅和圆光栅两种，光栅位移传感器的结构如图1所示。图1传感器结构示意图收稿日期20110927主要由光源、透镜、主光栅、指示光栅、狭缝、光电器件和变换电路等部件构成。光源可用钨灯、氙灯和半导体发光管，若采用光栅尺和小型编码器可选用半导体发光管；透镜起聚光作用，一般在高位数编码器中采用T由玻璃制作的主光栅和指示光栅构成一对光栅付，上面刻有黑白相间的刻线，黑白刻线的节距宽度根据使用要求而定，如长光栅节距有10M、20M、40M不等F圆光栅的角节距有20”、40”、1、2、5、10不等；狭缝用于限定光电器件接收光栅信号的范围，光电器件可采用半导体光伏器件，如光电二极管、光电三极管或光电池【21；变换电路是将光电器件输出的电流信号变换成方波或正弦波电压信号输出，便于电子细分大于四时采用。仪器仪表与检测技术INSTRUMENTATIONANDMEASURMENT自动化技术与应用2012年第31卷第2期在结构上将光源、透镜、指示光栅、狭缝、光电器件和变换电路固定在一个刚体上，构成光电读数头，而主光栅是作为单独体；在安装上保证主光栅和指光栅平行，相互间隙约为01I13113且能相对位移。每当主光栅和指示光栅相对移动一个节距时，变换电路输出的电信号可由数显仪获得对应计数值。可见，光栅传感器是以节距为尺子来量度位移大小，换言之，节距也称为传感器的分辨率。随着科学技术的进展，人们对于计量光栅的分辨率提出了越来越高的要求【，但是，要提高光栅的固有分辨率，需对光栅的莫尔条纹作更细的划分，可采用光学细分，机械细分和电子细分等方法，电子细分法又有幅度调制型和相位调制型两种。本文采用的计算法光栅细分是电子细分法中的一项创新技术，具有读数迅速，便于数据处理，适用于自动测量和控制过程中的动态测量，既能实现点位置控制，也可以实现连续轨迹控制。2计算法光栅细分原理3，63原始光电信号的幅值变化与相位角呈正弦或余弦的函数关系，即UASIN，其中A为光电信号的幅度，如果信号幅度恒定，我们就可以通过AD变换，将其瞬时幅值U变为数字量，再用计算机计算确定位移量。然而信号的幅度是受电源波动、光强大小、环境温度、位移速度等因素的影响而变化，因此无法准确得到位移信息。经过分析发现，光电信号的正弦量与余弦量的比值即ASIN8ACOSTG，基本上消除了幅度波动的影响，同时又隐含了确定的位移信息，可利用计算机强大的运算功能，计算出ARCTGASIN8ACOS的相位角，从而确定出位移。如果令代表细分份数，代表某相位角所对应的细分值，则NASINE盯CG1对式1的计算可分为以下两个步骤1表达式1中ARCTGASINACOS是个多值函数，而细分是针对一个莫尔条纹信号周期而言，所以首先需要在02RC相位角范围内把处理成单值函数。从图2所示ASIN和ACOS的波形图，可得出ASIN和ACOS的正负号与各象限的对应关系如下表1所示。RLLLLLI般ASI11L1ACOSAOA二2图2函数波形计算机根据ASIN和ACOS的正负号就能判断出相位角在哪一个象限，并确定象限细分常数。若用1和分别代表第1象限的细分值和相位角。则T2O1一万L，2，3，43式中K表示象限数。根据坐标变换原理，计算机把其他象限都按I象限的方法处理，各象限的细分值，和细分常数有下列表达式14C按式4计算的细分值将为单值函数。2由式2可知，当在万2附近时ASIN81IACOS8J变化较大。尤其是当石2时，ASINACOS01O0。此时计算机就要产生“溢出”，不能运算。为此，把I象限分为07T“4，万4一2两个区间，用计算机判断ASIN和ACOS的大小，可分三种情况计算ASIN81ACOS01。即N4万2时，先计算ACOSASIN。由公式LIIL420自动化技术与应用2012年第31卷第2期仪器仪表与检测技术LNSTRUMENTATIONANDMEASURMENLACOS0、，ACOS01、删GG可推导出一所以等一NARCTG缤会卜抹种信可徂下。N噌8N一NARCT一一I42万一ASIN046三由式6、式4和式5可得02万范围内任一相位角所对应的细分值。3单片机系统组成及工作原理E4，5，8，9以MSP430F149单片机为核心的系统组成如图3所示。MSP430F149是TI公司生产的MSP430系列中一个功能很强大的单片机，内部采用RISC指令结构，运算器宽度L6位。片内集成了60KB的FLASH程序存储器，2KB的SRAM数据存储器，多个L6位定时捕获比较器，2个串行口，2个12位AD转换器，JTAG程序下载在线调试接口，看门狗定时器等。采用64引脚封装，48个IO多功能引出线，其中P1口和P2口具有位中断功能。具有指令执行速度快、外部电路简单、功耗低、节电管理方式完善、定位于嵌入式系统应用等特点。其中ADCL2内核是一个12位模数转换器，具有采样保持功能，即使现场模拟信号很快，也不会影响ADC的转化。它可以完成细分值的实时数据采集与处理。图3单片机细分系统采样保持器所需要的采样脉冲。在采样脉冲的作用下，采样保持器SHXASIN0和ACOS0两路信号同时进行采样，并且保持所采集的ASIN0和ACOS0的瞬时值。经过两次AD转换后，把ASIN和ACOS0信号在采集时刻的瞬时值变为数字量并且输入存储单元。单片机系统依据计算法细分原理编制程序，在程序控制下，完成数据的采集、细分值的计算和结果显示等任务。若光栅的节距为D，刻在一个节距内光栅的位移量2为Z7若光栅移过的节距数为M，则光栅的总位移量L为LMDLDM8可见，通过细分使光栅的分辨率显著提高了N倍，而且细分份数N是由软件设定，不用改变电路硬件结构，这是单片机计算法细分的创新之处。4计算法光栅细分子程序流程采用计算法实现光栅64细分子程序流程图如图4所示。在本系统中单片机系统初始化以后，每次定时时间到都由信号端发出一个有效信号以控制时钟电路发出图464细分子程序流程图仪器仪表与检测技术LNSTRUMENTATIONANDMEASURMENT自动化技术与应用20L2年第31卷第2期5结束语实验结果表明，用计算机完成莫尔条纹信号的计算法细分是行之有效的。与传统的电子学细分方法相比，其优点是充分发挥单片机的资源，电路结构简单，成本低，调试容易，提高细分份数不会导致电路的改变。该实验成果已成功用于其他科研项目中。如16位编码器的分辨率为20”，采用64细分后其分辨率提高了6位，达到22位编码器03”的分辨率。这不仅大大提高了编码器的分辨率，而且显著降低了科研项目的成本，是一项具有创新的科研成果。该细分技术可以应用于激光干涉信号的细分，以及相类似的数字式位移传感器的细分，具有广泛的应用前景。参考文献1王庆有光电技术【M】北京电子工业出版社，20082】张彤光电接收器件及其应用M】北京高等教育出版社，19873】韩丽英，崔海霞光电变换与检测技术IN】北京国防工业出版社，2010【4】王俊省微计算机检测技术及应用M】北京电子工业出版社，1996【5】李大友微计算机接口技术LM北京清华大学出版社，19986】范志刚光电测试技术M】北京电子工业出版社，20047】杨宝清，宋文贵实用电路手册IN北京机械工业出版社，20038魏小龙MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例M北京北京航空航天大学出版社，20029】秦龙等MSP430单片机应用系统开发典型实例【M】北京中国电力出版社，2005作者简介张永枫1960一，男，副教授，主要从事自动控制及检测技术的教学与科研工作。上接第57页表2测试集的小波系数特征值动作LEVE13LEVE12LEVEL1模式均值标准差均值标准差均值标准差通道127163L_L23827展拳92416382120通道2218。37241302813了展拳684970237868通道152805G356128握拳146815771938通道298281033了1283G握拳347438514229在用小波神经网络对特征值识别之前，需要先对设置好的网络进行训练，即利用训练数据的特征向量来训练小波神经网络，不断地调整网络参数，使得神经网络的输出尽可能地达到最优解。实验结果显示，特征值在训练集和验证集的分类识别率相差不大，而且识别率都能达到90以上，因此可以选择时域特征值作为表面肌电信号的特征值。6结束语首先介绍了表面肌电信号的特性，然后在此基础上在基于小波变换，提取表面肌电信号的小波系数，将小波系数矩阵的均值和标准差用做肌电信号的特征值，过程中所需要的数据量较少，运算简单，提取的特征值的鲁棒性易于识别。之后，将该特征参数作为小波神经网络的输入，既能有效地缩短网络的规模，又提高网络的运行速度。该处理方法在肌电假手等领域具有很大的应用潜力。参考文献1】张华斌等肌肉骨骼系统超声解剖图谱IN】科学技术文献出版社，200746502】JRAAFIEEETCFEATUREEXTRACTIONOFFOREARMSIGNALSFORPROSTHETICSJEXPERTSYSTAPP2011，3840584067【3】KMAHAPHONCHAIKU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