基于虛擬儀器技術的表面粗糙度測量儀.doc

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基于虛擬儀器技術的表面粗糙度測量儀院 系自動化學院專 業(yè)測控技術與儀器班 級5407102學 號200504071053姓 名李生指導教師盧艷軍負責教師盧艷軍沈陽航空工業(yè)學院2009年6月摘 要表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削過程中，由刀具在工件表面上留下的刀痕而產生的。目前廣泛應用觸針式輪廓儀可以實現粗糙度部分參數的評定，但存在測量參數較少、測量精度較低、測量結果輸出不直觀等缺點，已不能滿足現代工件測量要求。本文根據表面粗糙度的定義，利用反射式光纖傳感器的特點，應用光纖位移傳感器，設計了一個基于虛擬儀器技術表面粗糙度測量儀。本儀器除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快、自動化程度高和良好的人機界面等優(yōu)點。文章介紹了表面粗糙度的相關知識和反射式光纖位移傳感器的工作原理，本設計系統(tǒng)分為上位機和下位機，下位機用于測量和采集數據，通過串口把數據傳輸到上位機，上位機用于對下位機采集到的數據進行處理，得出測量物體的表面粗糙度，對此數據進行顯示和存儲。關鍵詞：單片機；光纖位移傳感器；表面粗糙度；LabVIEWAbstractSurface roughness is a reflection of the extent of parts of the physical surface. It is in the process of cutting by the cutter in the workpiece surface, the marks left behind created. Currently widely used touch-stylus profilometer roughness of some parameters can be assessed, but there is less parameters, the lower the measurement accuracy, the measurement results are not intuitive, such as the shortcomings of the output can no longer meet the measurement requirements of modern work. In this paper, the definition of surface roughness based on the use of reflective characteristics of fiber-optic sensors, fiber-optic displacement sensor applications, design a virtual instrument based on surface roughness measuring instrument technology. In addition to the instruments of traditional instruments to solve the existing problems, but also with the measurement of speed and a high degree of automation and good man-machine interface and so on. In this paper, the surface roughness of the relevant knowledge and reflective fiber displacement sensor working principle, the design system is divided into upper and lower machine, the next-bit machine for measuring and gathering data through the serial port to transmit data to PC, PC machine for the next crew of the data collected to deal with, come to the surface roughness measurement of objects, for which the data display and storage.Keywords: single chip computer; fiber optic sensor; surface roughness;LabVIEW目 錄第1章 緒論11.1 立題意義11.2 光纖傳感技術的發(fā)展與現狀11.3 虛擬儀器測試技術發(fā)展31.4 表面粗糙度測量技術的發(fā)展41.5 本文研究內容5第2章 粗糙度的基本概念62.1 表面粗糙度的概念62.2 表面粗糙度的測量參數62.3 反射式光纖位移傳感器的結構72.4 反射式光纖位移傳感器輸出特性72.5 粗糙度測量原理8第3章 粗糙度測量儀的總體方案設計103.1 下位機硬件方案設計103.1.1 傳感器的選擇103.1.2 光纖傳感器特性實驗113.1.3 單片機數據采集和傳輸電路的設計113.2 下位機軟件系統(tǒng)設計113.3 上位機總體設計12第4章 粗糙度測試儀的下位機設計144.1 信號調理電路144.2 單片機及其外圍擴展電路的設計144.2.1 單片機介紹144.2.2 時鐘電路設計164.2.3 復位電路的設計174.2.4 A/D轉換電路的設計174.2.5 串行通信的設計204.3 下位機軟件設計224.3.1 主程序設計224.3.2 ADC0809轉換程序設計234.3.3 串口通信程序設計24第5章 粗糙度測試儀的上位機設計255.1 VISA簡介255.2 VISA庫中的串口通訊函數265.3 串行通信程序設計275.3.1 串行通信初始化的設計275.3.2 串口寫入程序設計285.3.3 串口讀取節(jié)點程序設計295.4 數據處理程序設計295.5 數據存儲305.6 前面板設計30第6章 調試與驗證326.1 下位機調試326.1.1 調試分析的一般過程326.1.2 硬件調試336.1.3 軟件調試336.1.4 軟硬件聯調336.2 上位機調試346.3 調試故障及原因分析346.4 測試驗證35結論36社會經濟效益分析37參考文獻38致 謝40附錄 電路圖41附錄 元器件清單43附錄 程序清單44第1章 緒論1.1 立題意義表面粗糙度是機械零件的一個主要精度指標，對零件的性能會產生重要的影響。零件表面粗糙度會直接影響零件的配合性質、疲勞強度、耐磨性、抗腐蝕性以及密封性等。因此，關于表面粗糙度測量的研究一直沒有停止，傳統(tǒng)的測量方法有比較法、針描法的、光切法、干涉法和印模法等多種，主要是使用樣板、電動廓儀、光切顯微鏡、干涉顯微鏡等多種工具和計量儀器。目前廣泛應用觸針式輪廓儀可以實現粗糙度部分參數的測量評定，但存在測量參數較少，測量精度較低，測量結果的輸出不直觀等缺點，已不能滿足現代工件的測量要求，迫切需要開發(fā)研制新型的表面粗糙度測量儀來滿足現代精密工件的測量要求，基于虛擬儀器技術開發(fā)出的表面粗糙度測量儀，除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快，自動化程度高和良好的人機界面等優(yōu)點，而且價格便宜，通用性強，將具有較大的市場潛力和應用價值?；谔摂M儀器技術的表面粗糙度參數測量儀，就是通過設計編寫表面粗糙度參數測量的軟件控制程序, 使得儀器的測試更加多樣化，靈活，只要加上必要的硬件設備就可以根據用戶需要構成測試儀器。1.2 光纖傳感技術的發(fā)展與現狀現代科學技術的迅猛發(fā)展，使人類社會從高度工業(yè)化向信息化轉變。在信息化時代，人類將主要依靠對信息資源的開發(fā)及其變換、傳輸和處理進行社會活動。傳感器是感知、獲取、檢測和轉化信息的窗口，是實現信息化時代的主要技術基礎。光纖與激光、半導體光探測器一樣，是一種新興的光學技術，形成了光電子學新的領域。是20世紀后半期重大發(fā)明之一。光纖傳感技術是七十年代末期發(fā)展起來的一項新技術，它是纖維光學在非通信領域的應用。光纖傳感技術是一門多科性學科，涉及知識面很廣，如纖維光學、光電器件、電磁學、流體力學、彈性力學以及電子線路和微機應用等等。光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、可繞曲、體積小、結構簡單以及光纖傳輸線路的相容性等獨特的優(yōu)點，受到世界各國廣泛的重視，并具有十分廣闊的發(fā)展前景。光纖傳感器的基本原理是將光源發(fā)出的光經光纖送入調制區(qū)，在調制區(qū)內，外界被測參數與進入調制區(qū)的光相互作用，使光的光學性質如光的強度、波長(顏色)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調制的信號光，再經光纖送入光探測器、解調器而獲得被測參數。光纖傳感器按其傳感原理分為兩類：一類是傳光型(或稱非功能型)光纖傳感器；另一類是傳感型(或稱功能型)光纖傳感器。光纖傳感技術優(yōu)于其他傳感技術的原因在于它是在光纖通信的基礎上發(fā)展的。光纖通信擁有一個廣闊的市場，能提供一系列低價格的器件，更重要的是，它形成一門能為光纖傳感器所使用的基礎科學。光纖傳感器的概念不是新的，早在60年代中期就出現了第一個專利。它包括采用傳光束的機械位移傳感器和采用相位調制的超聲波傳感器。但是，在更為廣闊領域，即現在所說的光纖傳感技術，取得系列研究卻是在10年之后，從那時起光纖技術就突破了徘徊不前的初始狀態(tài)，進入了一日千里的時代。在70年代中期，人們開始意識到光纖本身可以構成一種新的直接交換信息的基礎，無需任何中間級就能把待側的量和光纖內的導光聯系起來。1977年，美國海軍研究所(NRL)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計劃，這被認為是光纖傳感器問世的日子。此后，光纖傳感器在全世界的許多實驗室里出現。從70年代中期到80年代中期近十年的時間，光纖傳感器已達近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學、化學和日常消費部門都得到實際應用。在美、英、德、日等國，尤其是美國，光纖傳感器研究開始的都很早，投資也很大，并且已經有許多成果都申請了專利。我國光纖傳感器的研究工作起步較晚，1983年，國家科委新技術局在杭州召開了光纖傳感器的第一次全國性會議。研究工作主要在高等院校和研究所。研究的光纖傳感器用于測量電流、電壓、電場、磁場、溫度、水聲、壓力、位移、速度、轉動、應力、液位、濃度、pH值等物理量，并己取得初步成果。用于光纖傳感器的特殊光纖、有源和無源器件等，國內也有單位研制。我國對光纖傳感器的研究極為重視，在“七五”規(guī)劃中就已提出了15項光纖傳感器項目。1.3 虛擬儀器測試技術發(fā)展虛擬儀器（Virtual Instrument）簡稱VI。VI是計算機技術在儀器科學與技術領域的應用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類 , 它是適應卡式儀發(fā)展而提出的。傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內部處理電路組成 , 而卡式儀器由于自身不帶儀器面板 , 所以必須借助計算機強大的圖形環(huán)境 , 建立圖形化的虛擬面板 , 完成對儀器的控制、數據分析和顯示。VI集成了當今的各領域高新技術 , 包括計量測試理論、傳感技術、一次儀表和二次儀表、計算機等相關技術 , 運用虛擬現實技術令硬件盡可能軟化 , 軟件盡可能集成化 , 其重心不僅是相應的軟件系統(tǒng) , 還應該包含硬件裝置、測量方法和手段等的整個測試系統(tǒng) , 甚至還包含了被測對象。VI 應是對用戶開放的 ,允許用戶介入并定義其若干功能VI是指通過應用程序將通用計算機與功能化模塊硬件結合起來 , 用戶可以通過友好的圖形界面來操作計算機 , 就像操作自己定義、自己設計的一臺單個儀器一樣 , 從而完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等工作。VI以透明方式將計算機資源和儀器硬件的測控能力相結合 , 實現儀器的功能運作。應用程序將可選硬件 如 GPIB、VXI、RS-232、DAQ 和可重復使用源碼庫函數等軟件結合實現模塊間的通信、定時與觸發(fā) ,源碼庫函數為用戶構造自己的VI系統(tǒng)提供基本的軟件模塊。VI相對傳統(tǒng)儀器優(yōu)勢明顯，下表列出了VI和傳統(tǒng)儀器性能的比較：表格 1.1 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器性能比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器面向應用的系統(tǒng)結構 , 可方便地與網絡、外設相連接與其他儀器設備的連接受限制充分利用計算機的圖形界面并由計算機直接讀數、分析和處理圖形界面少 , 人工讀數 , 信息量少軟件是關鍵硬件是關鍵數據可進一步編輯、存儲和打印擴展性差 , 一般來說數據無法編輯減少了硬件的使用 , 因而減少了測量誤差信號每經過一次硬件處理都會引起誤差價格低 , 可重復利用價格昂貴技術更新快技術更新慢1.4 表面粗糙度測量技術的發(fā)展表面粗糙度與零件的工作性能和使用壽命都有著密切的關系，因此人們在很早以前就認識到測量表面粗糙度的重要性。但是由于技術工藝水平的落后，最早只能單純依靠人的視覺和觸覺來估計，隨著生產技術的發(fā)展，人們又采用了比較顯微鏡進行對比測量，但是這些比較原始的測量方法只能對表面微觀不平度作出定性的綜合評定。近年來，隨著科學技術的不斷進步和“信息時代”的到來，機械、光學工業(yè)對加工表面的質量要求越來越高。這主要是因為表面粗糙度不僅對機械性能、物理性能、集成電路成品率有影響，而且它還影響計算機磁盤存儲器磁頭和磁盤的耐磨性和壽命，同時也影響磁盤信號的讀出幅度和信噪比。不言而喻，納米級存儲密度需要有低于納米級粗糙度的表面作為基片，否則無法實現信息提取。因此，為實現更高的表面加工質量，相應要求更高的表面粗糙度測量手段。對于物體表面粗糙度測量技術的研究由來已久，一般來說，根據是否與被測表面接觸，表面粗糙度測量方法可分為兩大類：接觸式和非接觸式。1接觸式觸針式輪廓儀是最廣泛使用的接觸式測量儀，典型產品是英國Rank Taylor Hobson公司的Taylor Surf和Nanosurf等系列輪廓儀。它們一般采用金剛石探針，通過驅動桿控制探針沿著工件表面作上下往復的運動，從而正確地反映被側表面的實際輪廓曲線。它的優(yōu)點是：分辨率高、測量范圍大、結果穩(wěn)定可靠、重復性好，其橫向和縱向分辨率分別為20nm和0.lnm。此外它還作為其它粗糙度測量技術的對比方法。目前正在對觸針的形狀、大小、接觸力、觸針動態(tài)特性以及儀器智能化等方面加以不斷完善。其最大缺點為：探針常常會劃傷被測表面。因此，這類觸針式表面輪廓儀對輕金屬、塑料以及超精加工表面等都不適用。2非接觸式由于接觸式測量儀的缺點，20世紀50年代，光學技術被引入物體表面粗糙度的側量，從而實現了非接觸式測量。大部分非接觸式光學形貌儀是在20世紀80年代后才研制和開發(fā)出來的。典型方法有以下幾種：光學散射法工作原理為：當激光以一定角度入射到粗糙表面上時，散射光強度分布呈正態(tài)分布，其角分布與表面粗糙度之間有一定的對應關系。根據其角分布就可測出物體的表面粗糙度。光學散射法的特點是：測量速度快、儀器結構簡單。但由于它測量的是被側表面的平均特性，故不能給出表面的形貌，屬于一種參數測量技術。光學探針法光學探針法的種類很多，但本質上都是以一很小的聚焦光點入射到被測表面，來模擬機械觸針進行測量。干涉顯微鏡法在光波干涉測量中，光源發(fā)出的光束經過分光后，一束光射向被側工件表面，另一束光射向參考鏡，兩束光經反射后重新相遇形成千涉條紋。條紋的相對彎曲度即反映被測表面的徽觀高度差。1.5 本文研究內容介紹了表面粗糙度的概念和表面粗糙度測量儀的發(fā)展歷程、現狀及發(fā)展趨勢，設計基于虛擬儀器開發(fā)的一種新的表面粗糙度測量儀，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀與虛擬儀器技術相結合，在計算機上用LabVIEW可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺開發(fā)出新的表面粗糙度測量系統(tǒng)。本次設計的內容安排可以分為三部分：第一部分是下位機的設計，主要是硬件電路方案的設計、元器件的選擇等。具體的硬件電路包括傳感器測量電路以及數據采集電路和數據傳輸電路等。在實驗板上每一個硬件電路焊接完成后，每一部分單獨調試，在各個部分調試成功后，聯調整個硬件電路，最后做出分析，得出結論。第二部分是上位機的設計，主要是實現LabVIEW和單片機通信以及對下位機傳輸的數據進行處理、顯示和存儲。第三部分在上位機和下位機都調試成功的前提下，進行聯調，得出設計最終結果。論文具體內容安排如下：第1章介紹了光纖傳感器、虛擬儀器技術和表面粗糙度測量技術的發(fā)展狀況以及課題的研究目的和意義；第2章主要是對粗糙度相關知識做了詳細介紹；第3章粗糙度測量儀總體設計方案。對本課題任務進行了具體分析，確定了的系統(tǒng)的總體設計方案。第4章粗糙度測量儀的下位機設計；第5章粗糙度測量儀的上位機設計；第六章粗糙度測量儀的調試與分析。針對硬件調試、軟件調試和軟硬件聯調的結果進行了具體的分析和說明。第2章 粗糙度的基本概念在介紹應用光纖位移傳感器測量物體表面粗糙度的系統(tǒng)之前，先簡單介紹一下有關表面粗糙度的知識，從而對表面粗糙度的定義、表面粗糙度的測量基準、表面粗糙度測量中應遵循的原則以及表面粗糙度評定的參數的定義等有一個較為全面的了解和認識。這些基本定義是設計實驗系統(tǒng)和編制計算機數據處理程序的理論依據。2.1 表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微觀幾何形狀誤差的一個重要指標，它主要是由于在加工過程中刀具和零件表面之間的摩擦，切削分離時的塑性變形和金屬撕裂，以及工藝系統(tǒng)中存在的高頻振動等原因所形成的。表面粗糙度不包括由機床幾何精度方面的誤差等所引起的表面宏觀幾何形狀誤差，也不包括在加工過程中由機床、刀具、工具系統(tǒng)的強迫振動等所引起的介于宏觀和徽觀幾何形狀誤差之間的波紋度，以及氣孔、沙眼等。形狀誤差、波紋度和粗糙度這三類表面幾何形狀偏差在一個表面上并非孤立存在，大多數加工表面常受其綜合影響。實際上，三者只有分級的不同，沒有原則上的區(qū)別。2.2 表面粗糙度的測量參數在保證零件尺寸、形狀和位置精度的同時，對表面粗糙度也有相應的要求。而對表面粗糙度僅依據某一單獨的評定參數是無法滿足這種多方面的要求，在研究工作中就出現了大量不同的評定參數，為要表征這些評定參數所需的一些術語、定義就多達60多個，這種錯綜復雜的情況，在尺寸公差中是沒有的，也比一般結合件的公差和配合復雜的多，而這也正是近年來國際上各個工業(yè)國家積極研究的領域，幾乎每年都在開展這方面的研究工作。為了與國際接軌，我國又先后對標準進行了修訂。修訂后的標準GB/T 131-1993表面粗糙度符號、代號及其注法，GB/ T1031-1995表面粗糙度參數及其數值，它們等效采用國際標準ISO1302-1992技術制圖標注表面特征的方法及參照采用國際標準ISO 468-1982表面粗糙度參數及其數值和給定要求的通則。新國標的發(fā)布實施將有利于積極采用國際標準和提高產品質量，有助于促進表面粗糙度量儀和檢測方法的發(fā)展與統(tǒng)一，使表面粗糙度術語、評定參數與國際上絕大多數國家取得一致，促進國際間的技術交流和對外貿易。根據表面粗糙度評定參數的發(fā)展，結合我國科技和生產發(fā)展的情況，特別是為了適應與國際接軌的要求，我國于1995年修訂的國標GB/T 1031-1995表面粗糙度參數及其數值，規(guī)定了表面粗糙度高度參數為，。，分別是： 輪廓算數平均偏差()；輪廓最大高度() ；微觀不平度十點高度()。在取樣長度L內輪廓偏距絕對值的算術平均值；在取樣長度L內輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離；在取樣長度內5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和。本文將以為參數進行粗糙度的測量。 2.3 反射式光纖位移傳感器的結構傳感器通常是由光源光纖和接收光纖構成。位移傳感器中光纖采用Y型結構，即兩束光纖的一端合并為光纖探頭，另一端分叉為兩束，分別為光源光纖和接收光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當光源發(fā)出的光，經光源光纖照射到位移反射體后，被反射的光又經接收光纖輸出，被光敏器件接收。其輸出光強決定于反射體距光纖探頭的距離，當位移變化時則輸出光強作相應的變化。通過對光強的檢測而得到位移量。圖2.1為反射式光纖位移傳感器原理圖。圖2.1 反射式光纖位移傳感器的原理圖2.4 反射式光纖位移傳感器輸出特性反射式光線位移傳感器如圖2.1所示，光源發(fā)出的光經發(fā)送光纖射向被測物體的表面（反射面）上，反射光有接收光纖收集，并傳送到光探測器轉換成電信號輸出，通過電信號的大小就可以測得物體距離探頭的位移。由于光纖有一定大小的孔徑，當光纖探頭端部緊貼被測件時，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，接收光中無光信號；當被測表面逐漸遠離光纖探頭時，發(fā)射光纖照亮被測表面的面積越來越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)域也越來越大，有一個線性增長的輸出信號；當整個接收光纖被全部照亮時，輸出信號就達到了位移一輸出信號曲線（圖2.2）上的“光峰點”，光峰點以前的這段曲線叫前坡區(qū);當被測表面繼續(xù)遠離時，有部分反射光沒有反射進接收光纖，而且由于接收光纖更加遠離被測表面，接收到的光強逐漸減小，光敏元件的輸出信號逐漸減弱，進入曲線的后坡區(qū)。在位移-輸出曲線的前坡區(qū)，輸出信號的強度增加得非?？欤@一區(qū)域可以用來進行微米級的位移測量。在后坡區(qū)，信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比，可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。在光峰區(qū)，信號達到最大值，其大小取決于被測表面的狀態(tài)。所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進行光學測量，即可用于粗糙度的測量。圖2.2為位移電壓輸出特性圖。圖2.2 電壓位移輸出特性2.5 粗糙度測量原理如前所述，在峰值點附近，輸出對距離的變化不敏感，而對粗糙度的變化最敏感，這正是測量粗糙度十分需要的特性。這里挑選了7塊研磨樣板，其Ra值都是精確標定已知的。取其中Ra值最小的樣板為基準，細調距離d使輸出電壓為最大，并將此距離固定。再將其他研磨樣板依次換上分別測出其輸出電壓，作為輸出與Ra的關系如圖所示：圖2.3 粗糙度和電壓的關系實驗中分別對每塊樣板測出電壓十次取平均值。有關數據如下表所示：表2.1 不同樣板表面粗糙度與輸出電壓數據表樣板編號123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0450.05輸出電壓（V）4.693.052.581.951.691.43按表的實驗數據對Ra值和輸出電壓進行曲線擬合，得出擬合曲線方程。(2.1)式中Ra的單位為；輸出電壓的單位為V。得出這種擬合曲線方程后，將用同樣加工方法得到的任意工件放在這種儀器上測量，就能得出這種工件的表面粗糙度。第3章 粗糙度測量儀的總體方案設計本設計是基于虛擬儀器開發(fā)的一種新的表面粗糙度測量儀，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀與虛擬儀器技術相結合。具體是利用光纖位移傳感器進行粗糙度的測量，然后經過單片機數據采集，串口通信傳輸到計算機，最后在LabVIEW平臺上顯示測量結果。總體方案包括下位機硬件和軟件設計以及上位機的設計。下圖是總體方案功能框圖。圖3.1 總體方案功能框圖3.1 下位機硬件方案設計下位機硬件方案的設計主要包括測量部分和單片機部分的設計。測量部分主要包括傳感器的選擇和表面粗糙度樣板的選擇，單片機部分主要包括數據采集部分和數據傳輸部分設計。3.1.1 傳感器的選擇本設計選用CSY-G型光電傳感器實驗儀所提供的傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成Y型光纖，半圓分布即雙D型，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距X，由光源發(fā)出的光通過光纖傳到端部射出后再經被測體反射回來，由另一光纖接收光信號，再由光電轉換器轉換成電量，而光電轉換器轉換的電量大小與間距X有關。3.1.2 光纖傳感器特性實驗由于光纖傳感器探頭由于系統(tǒng)所獲得的數據具有非線性和測量儀器本身的誤差，輸人位移或粗糙度和輸出電壓之間沒有確定的函數關系。因此往往事先測量一組數據，然后使用此數據進行曲線擬合，得到一條擬合曲線。表3.1 采集數據電壓位移位移(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6電壓(V)00.320.892.913.894.544.554.353.343.1.3 單片機數據采集和傳輸電路的設計本系統(tǒng)采用的單片機是AT89C52。選用的A/D轉換器是ADC0809，ADC0809是目前比較常用的一種逐次比較式8路模擬量輸入、8位數字量輸出的A/D轉換器。片內帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由C、B、A的編碼來決定所選通道。輸出可直接連到單片機的數據總線上，可對0-5V模擬信號進行轉換。傳輸部分是基于RS-232通信協議，通過MAX232芯片和計算機串口相連進行數據傳輸。3.2 下位機軟件系統(tǒng)設計軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉換、數據傳輸。下面詳細介紹下位機的軟件設計思想。軟件總體流程圖如圖3.2所示。開始程序初始化數據采集數據轉換數據傳輸計算機結束圖3.2 系統(tǒng)軟件總體流程圖3.3 上位機總體設計上位機的設計實際就是LabVIEW的設計，其主要功能是以數字形式顯示被測量物體表面粗糙度。其具體功能框圖如圖所示：開始串口初始化打開串口發(fā)送命令接收數據顯示粗糙度數據存儲結束圖3.3 上位機程序設計流程圖第4章 粗糙度測試儀的下位機設計根據總體設計方案的要求，本章詳細論述系統(tǒng)硬件部分的設計。整體電路圖見附錄。4.1 信號調理電路信號調理電路的功能主要是完成對光纖傳感器輸出的微弱不穩(wěn)定信號進行放大濾波，使其輸出電壓信號滿足A/D轉換的要求，在05V范圍內。由于反射式光纖位移傳感器的輸出電壓信號很小。因此在進行A/D轉換時，就要對信號進行電壓放大以達到轉換要求。故而在傳感器和A/D轉換電路之間加入了一級有源放大電路，使輸出電壓為05V，從而為后續(xù)的A/D轉換電路提供必要條件。圖4.1為電壓放大電路電路圖。圖中的放大倍數為100倍可滿足設計要求。圖4.1 電壓放大電路電路圖4.2 單片機及其外圍擴展電路的設計單片機外圍擴展電路主要包括時鐘電路、復位電路、A/D轉換電路、數據傳輸電路。4.2.1 單片機介紹1. 單片機的內部結構及應用領域單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。單片機有8位、16位甚至32位機，但8位單片機以它的價格低廉、品種齊全、應用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點而占著主導地位。MCS-51系列高檔8位單片機是Intel公司1980年推出的產品，而AT89C51芯片是MCS-51系列單片機中的代表產品，它內部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個專用控制寄存器、4kB的程序存儲器、128字節(jié)的數據存儲器、4組8位的并行口、兩個16位的可編程定時/計數器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。圖4.2為單片機的內部結構框圖。圖4.2 單片機的內部結構框圖AT89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。2. AT89C52特性其主要特性是：可與MCS-51 兼容；8K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ；壽命：1000寫/擦循環(huán)；數據保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；三級程序存儲器鎖定；128*8位內部RAM；32可編程I/O線；兩個16位定時器/計數器；5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內振蕩器和時鐘電路；VCC：供電電壓；GND：接地。圖4.3為AT89C52的管腳圖。圖4.3 AT89C52管腳圖4.2.2 時鐘電路設計89C52的時鐘可以兩種方式產生，一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。本系統(tǒng)采用內部時鐘電路。下面介紹內部時鐘方式。內部有一個用于構成震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成一個自激振蕩器。圖4.4是89C52片內振蕩器電路。89C52雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，圖4.5是內部時鐘方式的電路。外接晶體（在頻率穩(wěn)定性不高，而盡可能要求廉價時，可選用陶瓷諧振器）以及電容CX1和CX2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體可在1.2MHz12MHz之間任選，電容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之間選擇，但在60pF70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右。外接陶瓷諧振器時，CX1和CX2的典型值約為47pF。在設計印刷電路板時，晶體或陶瓷振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。本設計考慮到打印機的時序的要求，晶陣采用11.0592MHz。圖4.4 89C52片內振蕩器電路圖 圖4.5內部時鐘方式的電路圖4.2.3 復位電路的設計89C52的復位輸入引腳RET（即RESET）為89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在89C52的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現兩個機器周期以上的高電平時，單片機內部則初始復位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復位。只有當RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)的復位電路是采用按鍵復位的電路，如圖4.6所示，是常用復位電路之一。當89C52的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RET引腳高電平到時，單片機復位。通過按動按鈕產生高電平復位稱手動復位。上電時，剛接通電源，電容C相當于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機自動復位，這就是上電復位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復位稱為手動復位。復位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。圖 4.6 按鍵電平復位電路4.2.4 A/D轉換電路的設計逐次逼近型A/D轉換器是目前品種最多、應用最廣的ADC器件。它有兩個類別，一是單芯片集成化A/D轉換器，另一是混合集成化A/D轉換器。ADC0809轉換器是單芯片集成化A/D轉換器，是8位A/D轉換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉換的。ADC0809由單一5V電源供電，片內帶有鎖存功能的8位模擬多路開關，可對8路05V的輸入模擬電壓分時進行轉換，完成一次轉換約需時間100s（相應的時鐘頻率為640KHz），片內具有多路開關的地址譯碼器和鎖存電路，高阻抗斬波器，比較器，輸出緩沖鎖存器，可以直接接到單片機的數據總線上。ADC0809內部沒有時鐘電路，故時鐘信號應由單片機提供（接10腳CLOCK端）。本課題使用的單片機時鐘頻率為12MHz，若與單片機接口時，可利用其地址鎖存允許信號ALE（2000KHz）經2個D觸發(fā)器四分頻獲得500KHz的時鐘，恰好滿足0809對時鐘頻率的要求。圖4.7為ADC0809的引腳圖。圖4.7 ADC0809管腳圖該芯片共有28個引腳，具體引腳功能如下：輸入引腳IN0IN7是8路模擬量輸入端，接收要轉換的模擬數據；輸出引腳 D0D7為數據輸出端，其功能是將轉換好的數據由此端輸出；通道控制單元A、B、C為8路輸入通道的選通單元，每次只能選通一條通道。C、B、A的編碼由單片機提供， 地址通道編碼見表4.1；START為啟動A/D轉換信號的控制端，在一個正脈沖作用之后，轉換器就開始工作。；表4.1 地址編碼編碼通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE為地址鎖存信號輸入端，當ALE為高電平時，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉換器；時鐘信號CLK是時鐘信號輸入端，A/D轉換器要求的時鐘頻率為640KHz，如果高于此頻率，轉換器無法正常工作；參考電壓端口REF(+)和REF(-)是用來提供A/D轉換的量化單位。一般REF(+)=5V，REF(-)=0V；輸出允許控制信號OE，當OE為高電平時，允許從A/D轉換器鎖存器中讀取數字量；標志信號EOC是A/D轉換結束標志信號，當A/D轉換完畢時，EOC端輸出高電平，表示轉換結束，因此EOC可作為CPU的中斷或查詢信號；電源端 VCC接地端GND。ADC0809工作時序如圖4.8所示。由于本設計只要求一路模擬信號輸入即可，因此C、B、A引腳并聯接地便選通了IN0口，可以滿足設計要求。圖4.8為ADC0809工作時序圖：圖4.8 ADC0809工作時序圖圖4.9為ADC0809和單片機連接圖：圖4.9 ADC0809和單片機連接圖4.2.5 串行通信的設計串行口主要由數據發(fā)送緩沖器、輸出控制門、數據接收緩沖器SBUF、接收控制器和輸入移位寄存器組成。其中數據發(fā)送緩沖器和數據接收緩沖器共用一個地址，由于數據發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出，而數據接收緩沖器只能讀出，不能寫入，所以會造成操作混亂。串行口是通過管腳TXD和RXD與外界進行通信的，如下圖4.10所示：圖4.10 89C51單片機串行口內部結構 51單片機內部有SCON和PCON兩個特殊功能寄存器，專門用于控制串行口的工作方式和波特率。其中串行口控制寄存器SCON各位的定義如下圖所示：圖4.11 SCON各位定義表4.2 串行口控制寄存器SCON各位的定義SM0 SM1工作方式選擇工作方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制1 0方式211位異步收發(fā)或1 1方式312位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制電源控制寄存器PCON各位的名稱如圖所示，其字節(jié)地址位87H，不能尋址。最高位SMOD為串行口波特率倍增位，當SMOD=1時，串行口波特率加倍，單片機復位時SMOD=0。表4.3 電源控制寄存器PCON位名稱SMODGF1GF0 PDIDL本課題采用的是串口工作方式2，為11位（即1位起始位、8位數據位、1位可編程位和1位停止位）的異步通信。發(fā)送數據的過程為：先發(fā)送起始位0，再由低位到高位發(fā)送8位數據位，然后發(fā)送可編程位TB8，最后發(fā)停止位。數據發(fā)送完畢后由硬件置位TI，向CPU發(fā)中斷請求信號，在中斷服務程序中，應由軟件給TI清零，這樣才能再次進行下一幀數據串行發(fā)送。接收數據的過程為：當REN=1時，CPU開始對RXD不斷采樣，一旦采樣到負跳變時，便開始接收8位數據，當8位數據接收完后，將可編程位（第9位數據）裝入RB8。當SM2=0且RB8=1時，數據幀才有效。本課題實現的是PC機與單片機之間的通信，由于PC機采用的是RS-232C電平，而單片機采用的是TTL電平。所以需要電平轉換。因此采用MAX232芯片實現。下圖為PC機和單片機通信原理圖：圖4.12 單片機與PC機通信連接圖4.3 下位機軟件設計4.3.1 主程序設計主程序的基本功能是實現各子程序的初始化和對各個模塊程序實現調用。從而實現對整個測試系統(tǒng)的流程進行控制，以達到對被測表面進行測量的目的。其流程圖如下：開始系統(tǒng)初始化A/D采樣中斷串口通信子程序結束YN圖4.13 主程序流程圖4.3.2 ADC0809轉換程序設計A/D轉換子程序主要的作用是將傳感器轉換出來的模擬信號轉換成計算機可以處理的數字信號，而A/D轉換器的作用就是把模擬量轉換成數字量，以便于計算機進行處理。A/D轉換子程序流程圖如圖4.14所示。開始初始化啟動ADC0809讀出A/D轉換值保存結果返回圖4.14 ADC0809轉換流程圖4.3.3 串口通信程序設計串口通信是把ADC0809轉換后的數據發(fā)送給計算機，由LabVIEW對所得到的數據進行分析和處理。由于LabVIEW接收串口數據只能接收字符串的形式，因此把待發(fā)送的數據轉換成字符串的形式。流程圖如下所示：開始串口初始化數據轉換等待計算機命令數據發(fā)送返回NY圖4.15 串口通信流程圖第5章 粗糙度測試儀的上位機設計根據總體方案設計要求，本章詳細介紹了上位機設計的具體內容。總體程序框圖見附錄。5.1 VISA簡介LabVIEW提供了功能強大的VISA庫。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)虛擬儀器軟件規(guī)范，是用于儀器編程的標準I/O函數庫及其相關規(guī)范的總稱。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中，完成計算機與儀器之間的連接，用以實現對儀器的程序控制，其實質是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標準的API。VISA本身不具備編程能力，它是一個高層API，通過調用底層驅動程序來實現對儀器的編程，其層次如圖5.1所示。VISA是采用VPP標準的I/O接口軟件，其軟件結構包含三部分，如圖5.1所示。圖5.1 NI-VISA層次圖與其他現存的I/O接口軟件相比，VISA的I/O控制功能具有如下幾個特點：適用于各種儀器類型(如VXI儀器、GPIB儀器、RS-232串行儀器、消息基器件、寄存器器件、存儲器器件等儀器)；適用于各種硬件接口類型；適用于單、多處理器結構或分布式網絡結構；適用于多種網絡機制。 VISA的I/O軟件庫的源程序是唯一的，其與操作系統(tǒng)及編程語言無關，只是提供了標準形式的API文件作為系統(tǒng)的輸出。5.2 VISA庫中的串口通訊函數本文用到的主要的串口通訊函數調用路徑為：FunctionsInstrument I/OVISAVISA AdvancedInterface SpecificSerial中。 (1)VISA 配置串口控件 (圖5.2所示)圖5.2 VISA 配置串口該控件主要用于串口的初始化。主要參數意義如下：啟用終止符使串行設備做好識別終止符的準備。如值為TRUE（默認），VI_ATTR_ASRL_END_IN屬性將被設置為識別終止符。如值為FALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN屬性將被設置為0（無）且串行設備不識別終止符。終止符通過調用終止讀取操作。從串行設備讀取終止符后讀取操作將終止。 0xA是換行符(n)的十六進制表示。消息字符串的終止符由回車(r)改為0xD。超時設置讀取和寫入操作的超時值，以毫秒為單位。默認值為10000。VISA資源名稱指定要打開的資源。該控件也可指定會話句柄和類。波特率是傳輸速率。默認值為9600。數據比特是輸入數據的位數。 數據比特的值介于5和8之間。默認值為8。奇偶指定要傳輸或接收的每一幀所使用的奇偶校驗。停止位指定用于表示幀結束的停止位的數量。流控制設置傳輸機制使用的控制類型。 (2)VISA 讀取控件(圖5.3所示)圖5.3 VISA 讀取控件該控件為串口讀子VI，作用是將串口中的數據讀出，然后利用LabVIEW的強大數據處理功能對其進行分析處理。主要參數意義如下：VISA資源名稱指定要打開的資源。字節(jié)總數是要讀取的字節(jié)數量。VISA資源名稱輸出是由VISA函數返回的VISA資源名稱的副本。讀取緩沖區(qū)包含從設備讀取的數據。返回數包含實際讀取的字節(jié)數。 (3)VISA 寫入控件(圖5.4所示)圖5.4 VISA 寫入控件將寫入緩沖區(qū)的數據寫入VISA資源名稱指定的設備或接口中。主要參數意義如下：VISA資源名稱指定要打開的資源。寫入緩沖區(qū)包含要寫入設備的數據。VISA資源名稱輸出是由VISA函數返回的VISA資源名稱的副本。返回數包含實際寫入的字節(jié)數。5.3 串行通信程序設計5.3.1 串行通信初始化的設計首先將VISA配置串口節(jié)點進行初始化。即設定通信口、波特率、校驗位等?？紤]到可能用到一個或多個串口以及下位機波特率的設定的變化，這里用了2個Case結構。這里由于計算機只有兩個COM口，所以只設定了COM1口和COM2口，設定了4個可選擇的波特率，即1200、2400、4800、9600。下圖是通訊口和波特率設定程序：圖5.5 通訊口和波特率設定程序對于VISA配置串口節(jié)點分別用了2個Case結構，屬于嵌套的關系。外面的Case結構作用是打開串口，里面的Case結構作用是判斷通訊口的設定是否正確。程序設計圖如下所示：圖5.6 串口初始化程序設計5.3.2 串口寫入程序設計串口寫入節(jié)點主要作用是上位機向下位機發(fā)送命令，由于下位機即單片機只能處理16進制數據，而上位機寫入緩沖區(qū)的數據是字符串，兩部分數據類型不同，所以需要對寫入緩沖區(qū)的數據進行轉換，即把字符串轉換成16進制整型字符串。下圖為數據轉換程序設計：圖5.7 數據轉換程序為了簡化主程序的結構，把上面的數據轉換設計成子VI。為使程序更完美，設計了計算上位機發(fā)送數據字節(jié)數以及清空字節(jié)數的程序。圖5.8 串口寫入節(jié)點程序設計5.3.3 串口讀取節(jié)點程序設計此節(jié)點主要作用是從讀取下位機發(fā)送上來的數據，為了保證依次將串口輸入緩存中的數據全部讀取，在使用串口讀取節(jié)點前加一個Bytes at Serial Port屬性節(jié)點，來檢驗當前串口輸入緩存中存在的字節(jié)數，然后串口讀取節(jié)點由此指定節(jié)點數讀取數據。為了便于后續(xù)的數據處理，在大循環(huán)上建立移位寄存器，保證每次循環(huán)讀取的值可以保存在數據接受區(qū)。在節(jié)點之后加上計算接收數據字節(jié)數和清空字節(jié)數的程序，可是接收的數據更直觀。程序如下圖所示：圖5.9 串口讀取節(jié)點程序設計5.4 數據處理程序設計數據處理是對上位機接收到來自下位機的數據進行分析和處理，以得到我們想要的結果，即本課題所研究的表面粗糙度。下圖為數據處理的程序：圖5.10 數據處理程序通過上圖可以看出，接收到的數據（十進制數字符串）經過十進制數字符串至數值轉換得出十進制數值，由于下位機經過轉換發(fā)送上來的數據是0-255，此數值代表的是0-5V的電壓值，所以需要對轉換后的數值乘以0.019，得出的數值就是所對應的電壓值。經過公式VI（可以寫入公式,即所對應的電壓-粗糙度關系）得出所測量的粗糙度。5.5 數據存儲數據存儲是對每次測量值進行保存，以便于管理。本部分采用的是寫入電子表格文件節(jié)點，對所要保存的粗糙度和所對應的電壓值進行保存。程序如圖5.11所示：圖5.11數據存儲程序5.6 前面板設計LabVIEW中的前面板就是圖形化用戶界面，用于設置串口初始化和觀察輸出結果。前面板界面如圖5.12所示：圖5.12 前面板界面第6章 調試與驗證調試與分析的過程包括上位機調試和下位機調試。上位機調試包括硬件電路的調試、程序的調試及它們的聯機調試過程。一旦系統(tǒng)的工作總框圖確定之后，硬件電路和程序的設計工作就可以齊頭并進。硬件電路的調試可以先采用某種信號作為激勵，然后通過檢查電路能否得到預期的響應來驗證電路是否正常。軟件程序是先按模塊分別進行子程序調試，然后對完整的功能程序進行調試檢查。上位機調試可以先用串口助手調試，通過以后就可以和下位機相連進行聯調。6.1 下位機調試6.1.1 調試分析的一般過程本次畢業(yè)設計采用的仿真系統(tǒng)是由南京偉福實業(yè)有限公司開發(fā)的偉福仿真器進行軟件調試的，此系統(tǒng)可以開發(fā)應用軟件，以及對硬件電路進行診斷、調試等。它的具體功能是可以進行CPU仿真，可以單步、跟蹤、斷點和全速運行，而且，程序的編譯過程中，可以對設計軟件進行自診斷，并自動給出故障原因。同時用戶調試程序時，可以通過窗口觀察寄存器的工作狀況，以便及時發(fā)現和排除編程中可能出現的錯誤?？梢钥闯觯摲抡嫦到y(tǒng)是款功能強大，實用性強的仿真系統(tǒng)。本次畢設之所以采用偉福仿真系統(tǒng)，就是由于此仿真系統(tǒng)強大的功能，因為所借助的仿真系統(tǒng)性能的優(yōu)越，直接影響設計者設計和調試的效率。調試與分析的過程一般包括電路原理的調試、程序的調試及它們的聯機調試過程。一旦系統(tǒng)的工作總框圖確定之后，電路原理圖和程序的設計工作就可以齊頭并進。硬件電路的調試可以先采用某種信號作為激勵，然后通過檢查電路能否得到預期的響應來驗證電路是否正常。通常采用的方法是通過編制一些小的調試程序分別對相應各硬件單元電路的功能進行檢查，而整個系統(tǒng)硬件功能必須在硬件和軟件設計完成之后才能進行。軟件程序也是先按模塊分別調試，然后再連接起來進行總調。它只有在相應的硬件系統(tǒng)中調試，才能最后證明其正確性。6.1.2 硬件調試在焊接硬件電路之前，一般最好用面包板進行插線連接，如果好用再進行硬件電路的焊接，這樣可以提高焊接的正確率。而且還要充分做好電路的排版工作，使焊接電路線路清晰美觀，更易于過后的線路檢查工作，如果排版不合理，不但看起來不美觀，而且更容易出錯。硬件調試首先要對照硬件電路圖，仔細檢查焊接好的電路的走線是否和電路圖一致。用實驗室的萬用表按照設計的電路圖檢查所焊接的各個