基于数字位移传感器的位移测量系统

摘要：数字位移传感器位移测量系统中的数字位移传感器具有高精度、高分辨率和稳定性好的特点，并且系统中SPP转RS 232接口电路，解决上位机与位置反馈环节之间的传输距离短的问题。云台的一米红外太阳望远镜终端为了得到清晰的太阳光谱，将采用该位移测量系统。介绍系统的结构和位移传感器工作原理，阐述了数据采集部分SPP转RS 232接口电路的硬件设计和系统的软件设计，并且进行位移测量实验。实验结果表明。该位移测量结果达到了红外太阳望远镜主镜调焦的精度和实时性要求，系统将于2009年年底投入试用。
关键词：数字位移传感器；机电控制；SPP转RS 232接口；位移测量

0 引言
    在许多计算机应用系统中，并行接口和RS 232串行通用接口是使用最为普遍的两种标准接口。标准并行接口采用8位数据的并行正向传输，其特点是传输速度快、传输距离短。而RS 232串行接口常用于数据终端设备和数据通信设备之间的连接，其特点是传输速度相对较慢，但传送距离较远。
    云台一米红外太阳望远镜(以下简称YNST)的主镜调焦将采用基于数字位移传感器的位移测量系统，在所提出来的科学目标中，要求主镜调焦中M3镜调焦范围为O～20 mm，并且位移测量值实时地显示在数显表或控制软件上，传输速率要求不高，但传输距离要在10～15 m。而系统选择的高精度数字位移传感器只提供标准并行接口(standard Parallel Port，SPP)，它与上位机连接的SPP数据传输线较短，为此在保证系统反馈环节数据传输速率达到系统要求的前提条件下，在上位机与数字位移传感器之间接入SPP转RS 232接口电路，解决传输距离短的问题。

1 系统的结构及位移传感器工作原理
1．1 系统结构
    系统的整体结构如图1所示，系统主要由上位机、运动控制环节和位移反馈环节组成。上位机为至少含有两个COM口的工业控制计算机。运动控制环节主要由运动控制器、驱动器、混合式步进电机和水平机械运动装置组成；位移反馈环节主要由带数显表的数字位移传感器和SPP转RS 232接口电路组成。数字位移传感器型号为5CB～10C，位移测量范围为0～20 mm，数显表读数范围为O～19．999 mm，分辨率为1μm，线性度达到满量程的0．05％，即精度达到10μm。

1．2 数字位移传感器工作原理
    数字位移传感器由差动变压器(LVDT)和电测仪器组成。LVDT是把被测位移量变换成电信号的传感器，它具有结构简单使用方便、使用寿命长等特点，可直接用于测量物体间的相对变位，物体的长度变化。它不但可测静态位移也可测量动态位移，电测仪器由电子测量线路和数字面板表、A／D转换板组成。A／D转换板有单端16路模拟量输入，A／D转换位数为14位，转换速度达到10μs。LVDT最基本的结构是由在圆柱形骨架上绕有螺旋形的原边和两个付边绕组所组成的线圈及一可动铁芯构成，其原理如图2所示。

    当原边供给一振荡电压时，由于电磁感应，两付边就分别产生感应电压V1和V2。若铁芯正处线圈的中心位置时，两付边对原边的互感量正好相等，同时两付边的交流电压分别经检测电路检波后，把所得两直流电压取其差值，则输出差动直流电压V为零。当铁芯往上位移时，上边的付边与原边的互感量增大，而下边的减小，即出现V1>V2，则差动直流输出电压V>O，反之亦然。LVDT两付边的感应电压V1，V2和差动直流输出电压V与铁芯在线圈中的位置的定性关系见图3，可见差动直流电压V与铁芯位移的大小在某一范围内是呈线性关系的。测量时把LVDT壳体夹固在参照物上，把和铁芯连接的测杆紧固在被测点上，当被测对象位移时就带动铁芯相对于线圈移动，从而线性地改变LVDT的输出电压。这样通过电测仪器测量LVDT输出电压的大小，即可测量出被测对象的位移量。

2 数据采集接口硬件和软件的实现
    系统中的运动控制器是由云台光电实验室自主研制的，它与上位机之间通过RS 232或RS 485串行接口进行通信，串口信号格式为：COMl口、波特率4 800 b／s、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位。位移反馈环节中的数字位移传感器只提供标准并行接口与外围设备连接，其A／D卡占用引脚2～9作为输入端口，引脚10～13作为输出端口，其端口输入输出电平均为TTL电平。以AT89C51单片机为核心的SPP转RS 232接口电路通过写输入端口向A／D送入操作状态，读输出端口得到A／D转换的数据及其他信息。A／D转换结果为14位二进制数，分两组读取，先读第1组高8位，再读第2组低6位。每组又分小两次读取，每次4位，最后一次是2位。
2．1 系统的数据采集接口电路硬件设计
    图4为以AT89C51为核心的SPP转RS 232接口电路原理图。AT89C51是一种带4 KB闪速可编程只读存储器低功耗、低价格、高性能CMOS 8位单片机。单片机的P1端口与数字位移传感的输入端口相连，向传感器中的A／D送入操作状态，P2端口的高四位与传感器的输出端口相连，用于读取A／D转换的14位数据信息。

2．2 系统软件设计
    图5为程序流程图，其中图5(a)为上位机主要通过运动控制器控制步进电机转动程序流程图，图5(b)为系统反馈环节位移反馈程序流程图。图6为用VC编写的上位机控制软件界面，上位机控制软件调用MSComm控件实现上位机与运动控制环节及位置反馈环节之间的串行通讯。上位机接收接口电路发送的14位数据，对这些数据进行移位和数据处理，最后实时地显示在控制软件界面上。

3 位移测量实验
    先利用Protel和KeiI软件对SPP转RS 232接口进行仿真，设计制作接口电路的PCB板，加工好后选取器件进行焊接，编写汇编程序，调试好后通过下载线将程序下载到单片机中，组装整个系统，进行位移测量实验。步进电机连接一个精度较高并带读数标尺的水平移动机械装置，上位机通过运动控制器控制步进电机转动，从而带动该机械装置移动。
    为位移测量实验数据，从表1可以看出，位移测量结果稳定，与机械装置实际位移值相比误差较小，测量精度比较高，而且进行实验时，系统的响应时间较短，实时性较高，满足红外太阳望远镜科学目标中的主镜调焦中M3镜调焦的要求；

4 结语
    基于数字位移传感器的位移测量系统为由运动控制环节和位移反馈环节组成的闭环控制系统，系统的主要部分为实验室所研制，成本低，工作稳定，抗干扰能力强。经过实验表明，该系统位移测量精度和实时性较高，能够达到科学研究的要求，系统将于2009年年底投入试用。