基于IO的SSI信号数据采集仪的设计.pdf

:./.基于 的 信号数据采集仪的设计王英喜王亚芳魏秀莉(.昆明海威机电技术研究所云南 昆明 .中南大学 资源与安全工程学院湖南 长沙.云南昆船机械制造有限公司云南 昆明)摘 要:信号接口是绝对角度编码器最常见的信号输出方式然而工控机和单片机普遍没有 接口 为解决这一问题该文提出了一种通用的通过 信号模拟 编码器通信协议的方法设计了一种用于读取 编码器位置信号的数据采集仪 数据采集仪不仅实现了输出信号角度的数值显示还可以实现与上位机通信将位置数据传送到上位机进行处理通过在某型号产品专用设备二维自动转台上应用和验证结果表明:该数据采集仪采集的位置数据准确工作稳定可靠具有很好的应用价值关键词:绝对式编码器 信号时序转换电路数码管驱动 时序设计应用研究中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言在需要位置记忆的上位机(机/工控机)自动控制系统中上位机都不具备 信号接口无法直接与 信号绝对值编码器连接需要通过位移变送器采集绝对值编码器的绝对位置数据并将其传送到上位机对于投入使用年限较长的设备在设备维修或新投产时会遇到位移变送器型号升级或原生产厂家倒闭而无法采购到同型号位移变送器的情况 不同型号的位移变送器会涉及软件通信协议的变化在上位机的控制软件不能更改的情况下导致替换型号后的位移变送器与上位机无法通信设备也就无法正常工作 为了解决货架产品因型号升级或型号替换导致的设备无法正常工作问题笔者提出了一种通用的通过 信号模拟 编码器通信协议设计了一种用于读取 编码器位置信号数据的采集仪 通过对设计方案的分析及实现数据采集仪在产品上得到充分验证位置数据准确工作稳定可靠具有很好的应用价值 基本原理.信号编码器 信号全称为 接口通信协议是一种带有帧同步信号的串行数据协议全双工的串行接口 信号通过时钟同步信号(、)和数据信号(、)二组差分信号进行数据传输输出数据以同步串行 信号格雷码的串行方式来传输 时钟信号和数据信号是差分方式传输()信号传输精确抗干扰能力强适合长距离传输 两组信号的一组由接收信号端控制器发送时钟脉冲触发编码器将数据返回给接收端控制器另一组为数据信号输入每一个时钟周期对应一位数机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化收稿日期:作者简介:王英喜()男云南昆明人高级工程师主要从事测试测量与控制技术方向软硬件的设计和研发工作据在接收端控制器中“同步”读取.基于 读取 信号的原理 信号是一种同步、串行的数字传输时钟信号由作为接收端的 发出数据信号由作为从机的编码器配合时钟信号同步发出 信号输出的是格雷码信号包括编码器的位置值和状态位等 其时序如图 所示图 信号时序图 图中:为时钟输入信号 为编码器输出信号 为编码器数据最高位 为编码器数据最低位通过 芯片上不同的两个 接口可以同时发送可编程的频率时钟信号 和接收编码器输出的 信号数据 实现 与 信号编码器之间的数据传输 数据采集仪设计方案.总体方案数据采集仪主要包括 主芯片三组逻辑电平转换电路一组 位数码管如图 所示 具有结构简单、低功耗、应用范围广的特点是未来物联网工业.的主力产品 位数码管用于显示绝对编码器的绝对位置数值 三组逻辑电平转换电路中一组用于将 接口输出的 差分数据信号()转换为 可以识别的单端 信号一组用于将 输出的时钟同步信号转换为绝对编码器 接口可以识别的 差分时钟信号()一组用于与上位机通信 通过软件解析 接收到的 数据信号()完成对绝对编码器输出的 信号的读取工作图 设计方案图.电路设计首先进行 芯片选型设计 考虑到软件开发、下载和调试的方便采用 目前也已经很普及型号选择空间很多价格适中外设组件包括宽直流电源(.)、两个 接口、一个 计算及校验模块、四个通用定时器、个通用/引脚可以满足设计需要 采用标准 接口与上位机通信 电路设计如图 所示图 电路图 然后进行逻辑电平转换电路设计 电路设计设定的 信号的工作频率在 左右要保证数据采集的可靠性 模块的通讯带宽要在 以上 同时要进行通讯隔离普通光电耦合器达不到这个速度高速光电耦合器体积较大功耗也大因此电路设计采用磁耦隔离器芯片来实现电气隔离磁耦隔离器芯片具有低功耗速度快等特点 为了进一步保证 接口的可靠性在 的差分信号端加装、自恢复保险丝、玻璃放电管进行电气保护 其中、和、是制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 接口编码器的两组差分信号通过一组 接收驱动器芯片把滤波后的数据差分信号、转换成 中 接收的 信号同时 中 通过一组 发送驱动器芯片把时钟信号转换成 接口编码器可以接收的、时钟信号 逻辑电平转换电路设计如图 所示图 逻辑电平转换电路图 再进行数码管电路设计 数据管显示设计需实现高精度的测量和显示位数例如 位的单圈绝对值编码器输出的最大值是 要 位数字才能满足分辨率的要求 为了方便仪表操作仪表设计了两排 位的数码管显示一排显示位置数据一排显示参数数值加上 指示灯相当于 位的数码管显示如果直接用 的 口驱动会极大的浪费 宝贵的 口资源因此数码管电路设计采用专用数码管驱动芯片 此芯片不仅实现了数码管显示的驱动还能进行按键扫描同时只需 个 口进行控制 数码管电路设计如图 所示图 数码管电路图.软件设计.通信协议设计主控芯片选用 系列的 开发环境采用 使用 语言进行 协议软机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化件设计 根据绝对值编码器的位数选择合适的数据帧格式 由于只需要接收 数据信号设置其中一组 为只接收通信模式另一组设置为只发送模式发送的时钟脉冲频率在 信号时钟脉冲频率范围内 当控制器需要读取绝对式编码器位置时将处于空闲时的时钟信号拉低这时绝对式编码器内部转换而成的角度二进制数据存储到移位寄存器中在主机 发送时钟信号的第一个上升沿 在 编码器处移出主机在数据信号为高电平时读取编码器数据在时钟信号的第二个上升沿 在 编码器处移出主机在数据信号为高电平时读取编码器数据如此循环直到最后一位()被移出.上位机通信设计采用 码作为通讯的数据格式并采用特殊符号作为命令符采用主从应答的方式进行通讯 该方式具有通讯协议简单、通讯效率高的优点同时 码的字符串接近自然语言不像十六进制数需要转化在调试测试时数据一目了然上位机对 码字符串的处理也更方便采集仪与上位机通过 以应答式、码进行传输数据格式为 位 位起始位 位数据位无奇偶校验位 位停止位 数据内容包括“”、数据符号、位数据、小数点位置、结束符“”如编码器绝对位置数据为 则发送:.软件设计软件主要由三个模块组成:主程序、定时中断服务程序、通讯中断服务程序定时中断服务主要提供软件运行的时间信息和绝对值编码器 信号数据所需的时钟脉冲定时刷新显示判断上位机通讯是否超时等通讯中断服务程序主要负责接收来自上位机发来的指令并根据指令要求向上位机发送位置数据主程序主要循环采集绝对值编码器 信号格雷码位置数据并把格雷码数据转化为二进制数据位置数据传送至数码管显示同时处理通讯请求实现与上位机的数据通讯 软件读取 信号的软件流程如图 所示 读取 信号主要代码为:()()时钟信号置高()()时钟信号置低()图 软件流程图 应用情况如图 所示为 信号数据采集仪在 型号产品二维自动转台上的应用 二维自动转台具有航向和俯仰两个方向的自动旋转和复位功能 信号数据采集仪连接在绝对式编码器与上位机之间分别将自动转台上航向和俯仰方向旋转轴上连接的绝对式编码器的 信号转换为上位机可以识别的数值信号和 信号上位机通过 接收航向和俯仰两个方向 信号数据采集仪的数据经控制算法解算后控制伺服电机实现航向和俯仰方向的正、反方向旋转和水平基准复位操作 信号数据采集仪在应用中位置数据准确工作稳定可靠(下转第 页)制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用构吸能能力影响 在工况条件相近的情况下此压溃式结构吸能装置的平均吸能量十分接近塑性变形情况良好具有较好重复性 得出的结论如下()吸能单元梁壁厚对吸能数量有直接影响随着壁厚增加吸能结构有效压缩行程变短吸能总量增加 考虑到过短的压缩行程又将限制结构吸能数量因此在选择吸能梁壁厚与压缩行程时应统筹考虑其整体吸能的要求()对包含该吸能梁的吸能装置进行碰撞吸能仿真分析结果表明整体结构吸能压缩行程约 对应吸能量为 触发力为 其中第二级吸能区塑性形变瞬时触发力为 并随时间下降直至压溃 整体压缩过程共形成 个塑性铰与实际诱导隔板一致()以含有该吸能装置的碰撞试验台车为研究对象进行不同速度下结构耐撞性试验研究结果表明试件在全部完成塑性变形后总吸能量随速度提高而增大在速度为./时达最大值.与仿真分析结果吻合度较高结构屈服后平均力最大为.未超过车体静态纵向承载值满足车辆设计要求 该结构制造简单成本较低对实现轨道车辆吸能车体研究制造起到关键支撑作用参考文献:修瑞仙刘艳文高允峰等.轨道卧铺客车碰撞吸能特性研究.长春工业大学学报(自然科学版)():.陈 乙杨 岳陈超等.轨道车辆吸能结构碰撞变形沉浸式虚拟仿真方法.铁道科学与工程学报():.贺世忠黄 科.轨道车辆膨胀管式吸能元件吸能特性分析.机械强度():.何晓龙陈辉刚林建军等.地铁车辆刨削式吸能装置的研制.铁道车辆():.谢耿昌刘继波郝孟孟.变阻抗压溃装置碰撞吸能研究.铁道车辆():.田红旗.客运列车耐冲击吸能车体设计方法.交通运输工程学报():.龚 剑张金换黄世霖等.碰撞模拟中主要控制参数影响的分析.振动与冲击():.(上接第 页)图 应用框图 结 语本文从硬件和软件设计两方面阐述了基于 的绝对值编码器 信号数据采集仪的设计方法相比较于基于、模拟 协议的方法更通用即使 不具备、接口也可以实现同时采集仪还具有与上位机通信的功能可以直接把位置数据通过 通信传送到上位机 基于此方法设计的绝对值编码器 信号数据采集仪已经在 型号产品专用设备二维自动转台上大量应用实际应用证明数据采集仪不仅位置数据准确工作稳定可靠还解决了专用设备在新投产过程中出现的元器件采购难、信号不匹配、无法按期交货的难题具有很好的应用价值参考文献:何渝蔺.计算机在工业自动控制系统中的运用.数字技术与应用():.张子蓬.接口的绝对值角度编码器值的读出方法研究.工业控制计算机():.张宝树.格雷码()编码器与单片机的接口设计.承德石油高等专科学校学报():.王 青.采用 协议实现的绝对值编码器.微型机与应用():.王仲亮.基于 总线的多编码器数据采集系统研制及改进验证.测控技术():.车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用