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1 引言 時(shí)柵傳感器是一種全新原理的位移傳感器，其原理及優(yōu)點(diǎn)可參考文獻。2004年時(shí)柵傳感器經(jīng)法定權威檢測部門(mén)——中國測試技術(shù)研究院檢定精度為±o．8”，達到計量光柵水平。為了實(shí)現時(shí)柵傳感器非線(xiàn)性誤差的自動(dòng)修正，提高生產(chǎn)效率，需要設計一套高精度自動(dòng)定位系統。本課題是以高精度光柵作為標準的檢定儀器來(lái)檢定時(shí)柵位移傳感器的非線(xiàn)性誤差，要求其具有USB通信接口，按外部指令數據自動(dòng)轉位。 2 系統設計 傳感器非線(xiàn)性誤差自動(dòng)修正系統結構圖如圖1所示。系統裝置以回轉工作臺(以下簡(jiǎn)稱(chēng)轉臺)為載體，光柵和時(shí)柵傳感器分別通過(guò)聯(lián)軸結安裝在轉臺的轉軸上，隨轉臺同時(shí)轉動(dòng)。工控機通過(guò)USB接口向ARM控制器發(fā)送轉位角度數據，ARM控制電機旋轉以帶動(dòng)轉臺，同時(shí)用串口接收時(shí)柵反饋的測茸值，形成閉環(huán)控制，并在定位完成后通知工控機，工控機再分別采集光柵和時(shí)柵的測量數據。作為標準檢定儀器的精密光柵所測得的角位移與時(shí)柵所測得的角位移的值做差，從而得到時(shí)柵在這一位置上的測量誤差。然后，工控機向ARM發(fā)送下一個(gè)設定的角度值，這樣在上位機程序的控制下按步驟完成每一個(gè)設定目標值的準確定位。對不同角度多次測鼉，當所有的目標點(diǎn)都采集完成后，工控機便開(kāi)始進(jìn)行數據的擬合、誤差的修正與補償。 同時(shí)還要測最溫度、濕度等實(shí)驗條件參數，以得出不同條件下的位置一誤差曲線(xiàn)以及修正參數。最后將溫度、濕度參數和修正參數移植到時(shí)柵中進(jìn)行誤差測試．作為時(shí)柵的最終精度。本文將重點(diǎn)論述高精度定位系統的設計(如圖l中虛線(xiàn)框部分所示)。 
圖1 時(shí)柵傳感器非線(xiàn)性誤差自動(dòng)修正系統結構圖 3 硬件設計 3．1 ARM控制系統 LPC214x系列是PHlLIPS公司新推出的基于A(yíng)RM7內核的高性能芯片，其最大特色是內置了USB2.0全速控制器，LPC2146/2148還內嵌了DMA引擎，使USB通信速度幾乎達到了USB2．0(全速)的最高通信速度；相對于普通ARM7芯片，LPC214x還提升了I/O端口的速度，具有很高的性?xún)r(jià)比。選用LPC2148作為控制器，它采用了超小LQFP64封裝。ARM控制系統結構圖如圖2所示，其中控制系統電源由USB接口提供。
圖2 ARM控制系統結構圖 3．2 USB接口電路 USB的物理接口包括4根線(xiàn)，分別為電源線(xiàn)(Vbus)、數據線(xiàn)+(D+)、數據線(xiàn)-(D-)、地線(xiàn)(GND)。其中D+和D-是一對差模的信號線(xiàn)，而Vbus和GND提供了5V的電源，它可以給一些設備供電，如圖3所示，其中J1的第5腳是B型USB接口的外殼。USB總線(xiàn)的D+和D-線(xiàn)都要串接一個(gè)匹配電阻(R13和R14)，LPC214x的P0.23引腳為USB設備控制器用于檢測USB總線(xiàn)是否插入的檢測引腳，該引腳可串聯(lián)1個(gè)10kΩ的電阻接到USB的Vbus上。LPC214x USB控制器的USB引腳占用了第10引腳(D+)和第11引腳(D-)。 為了使LPC214x的軟件可以更靈活地控制USB設備與主機之間的連接，使用P0.31來(lái)實(shí)現SoftConnectTM特性。Q1選用P溝道MOS管2SJ355，當P0.31輸出低電平時(shí)，D+線(xiàn)通過(guò)R18上拉到VDD3.3，通知USB主機：USB設備要與其建立連接；當P0.31輸出高電平時(shí)，D+線(xiàn)斷開(kāi)與VDD3.3的連接．通知USB主機：USB設備已經(jīng)斷開(kāi)與USB主機的連接。
圖3 USB接口電路 SPX1117M-3.3是Sipex公司生產(chǎn)的LDO芯片。SPX1117系列LDO芯片輸出電流可達800mA，輸出電壓的精度在±1％以?xún)�，還具有電流限制和熱保護功能。 3．3 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路 根據現有的實(shí)驗轉臺和課題的控制要求，可選擇北京斯達微步控制技術(shù)有限公司的34HS300DZ型兩相混合式步進(jìn)電機，與其配套的驅動(dòng)器的型號為MS-2H090M。為達到最高的控制精度，細分數應設為最大值，則電機步距角為0.009度。由于同步帶的傳動(dòng)比為2：1，蝸桿與蝸輪的傳動(dòng)比為90：1，則電機與轉臺的總傳動(dòng)比為180：1，轉臺步距角為0.18秒。 MS-2H090M型驅動(dòng)器對輸入的電壓信號或電流信號均有要求，由此需設計控制器與驅動(dòng)器的接口電路，以八同相三態(tài)緩沖器成驅動(dòng)器74HC244為接口芯片。ARM輸出的信號(包括電機使能信號、方向信號和脈沖信號)經(jīng)過(guò)74HC244后將3.3V高電平電壓轉換為驅動(dòng)器要求的5V，同時(shí)增強了驅動(dòng)能力。 4 軟件設計 4．1 系統定位流程 高精度自動(dòng)定位系統流程圖如圖4所示。首先ARM控制器通過(guò)USB從上位機接收轉位角度值(設為A度)，然后通過(guò)串口接收時(shí)柵的初始值，再將從上位機接收到的轉位角度值折算成步進(jìn)電機的脈沖數，發(fā)脈沖控制步進(jìn)電機轉位(A-1)度，完成后從事口接收時(shí)柵測量結果的反饋信號．并與初值比較，計算出實(shí)際轉位角度值，再將實(shí)際值與上位機預先設定的值進(jìn)行比較，若一致，則輸出定位完畢信號，從USB口接收上位機傳來(lái)的下一個(gè)角度值；若不一致，再判斷是否超過(guò)了設定值，控制電機修正。
圖4 高精度自動(dòng)定位系統流程圖 4.2 步進(jìn)電機的位置控制及算法 步進(jìn)電機的位置控制需要兩個(gè)參數。第一個(gè)參數是步進(jìn)執行機構當前的位置參數，稱(chēng)其為絕對位置。第二個(gè)參數是從當前位置移動(dòng)到目標位置的距離，可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電機的步數。 根據經(jīng)典控制理論，步進(jìn)電機的閉環(huán)定位控制方法可分為單向逼近和雙向逼近這兩種，一般情況下，雙向逼近的定位速度要快于單向逼近，但是雙向逼近往往會(huì )帶來(lái)同程誤差。本設計中單向逼近的算法流程圖如圖5(a)所示。單向逼近采用2分法，當預設值A大于1度時(shí)，正轉（A-1）度。防止超過(guò)，然后每次走剩下步數的一半；當預設值A小于或等于1度時(shí)，直接開(kāi)始每次走剩下步數的一半來(lái)逼近。轉過(guò)的角度非常接近預設值時(shí)，即使適用2分發(fā)也有可能超過(guò)預設值，這時(shí)電機反轉1度后重新逼近。這種算法理論上能將轉臺控制到±0.09秒，但由于目前時(shí)柵的分辨率為0.2秒，故只能將轉臺控制到±0.2秒。
圖5 步進(jìn)電機閉環(huán)定位流程圖 若采用雙向逼近，算法相對簡(jiǎn)單一點(diǎn)，如圖5(b)所示，每修正一次，ARM控制器就接收一次時(shí)柵反饋信號，按不足的或超過(guò)的步數來(lái)正轉或反轉修正。采用雙向逼近時(shí)，系統裝置的回程誤差主要是兩個(gè)聯(lián)軸結這種機械結構帶來(lái)的誤差，實(shí)驗證明此誤差不超過(guò)1秒，故在定位精度要求不高的場(chǎng)合，可采用雙向逼近方式來(lái)快速定位。 4．3 USB通信流程 USB的通信流程圖如圖6所示。首先要初始化USB控制器，然后設置USB控制器中斷向量，并打開(kāi)IRQ中斷，再根據后臺的中斷，在前臺處理USB事件，當USB設備的地址配置完成后，才可對端點(diǎn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從邏輯端點(diǎn)1接收轉位角度數據。定位完成后，從邏輯端點(diǎn)1發(fā)送定位完成信號到上位機。準備接收下一個(gè)轉位角度數據。
圖6 USB通信流程圖 5 結束語(yǔ) 高精度自動(dòng)定位系統采用了高性能的32位處理器ARM作為主控芯片，以閉環(huán)方式控制步進(jìn)電機精確定位，并通過(guò)USB接口與上位機通信。通過(guò)對系統的整機調試。定位精度達至±1秒，并且定位速度快，能有效提高檢測效率。該系統除用于面向時(shí)柵傳感器非線(xiàn)性誤差的自動(dòng)修正的開(kāi)發(fā)外，相關(guān)的單元技術(shù)在其它領(lǐng)域中，如儀器校正、機械加工和制造業(yè)中均有廣泛的應用前景。 本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：設計了基于A(yíng)RM的高精度自動(dòng)定位系統，實(shí)現了傳感器非線(xiàn)性誤差的自動(dòng)修正。 項目經(jīng)濟效益：7萬(wàn)元 作者：胡超，劉小康 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期 |
