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基于虛擬儀器技術(shù)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x 院 系 自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí) 5407102 學(xué) 號(hào) 200504071053 姓 名 李生 指導(dǎo)教師 盧艷軍 負(fù)責(zé)教師 盧艷軍 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)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(guò)程中，由刀具在工件表面上留下的刀痕而產(chǎn)生的。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的評(píng)定，但存在測(cè)量參數(shù)較少、測(cè)量精度較低、測(cè)量結(jié)果輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件測(cè)量要求。本文根據(jù)表面粗糙度的定義，利用反射式光纖傳感器的特點(diǎn)，應(yīng)用光纖位移傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)表面粗糙度測(cè)量?jī)x。本儀器除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問(wèn)題外，還具有測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高和良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了表面粗糙度的相關(guān)知識(shí)和反射式光纖位移傳感器的工作原理，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)，下位機(jī)用于測(cè)量和采集數(shù)據(jù)，通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)用于對(duì)下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出測(cè)量物體的表面粗糙度，對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；光纖位移傳感器；表面粗糙度；LabVIEW Abstract Surface 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 1 1.1 立題意義 1 1.2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1 1.3 虛擬儀器測(cè)試技術(shù)發(fā)展 3 1.4 表面粗糙度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 4 1.5 本文研究?jī)?nèi)容 5 第2章 粗糙度的基本概念 6 2.1 表面粗糙度的概念 6 2.2 表面粗糙度的測(cè)量參數(shù) 6 2.3 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu) 7 2.4 反射式光纖位移傳感器輸出特性 7 2.5 粗糙度測(cè)量原理 8 第3章 粗糙度測(cè)量?jī)x的總體方案設(shè)計(jì) 10 3.1 下位機(jī)硬件方案設(shè)計(jì) 10 3.1.1 傳感器的選擇 10 3.1.2 光纖傳感器特性實(shí)驗(yàn) 11 3.1.3 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的設(shè)計(jì) 11 3.2 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3.3 上位機(jī)總體設(shè)計(jì) 12 第4章 粗糙度測(cè)試儀的下位機(jī)設(shè)計(jì) 14 4.1 信號(hào)調(diào)理電路 14 4.2 單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) 14 4.2.1 單片機(jī)介紹 14 4.2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 16 4.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 17 4.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 17 4.2.5 串行通信的設(shè)計(jì) 20 4.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 22 4.3.1 主程序設(shè)計(jì) 22 4.3.2 ADC0809轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 23 4.3.3 串口通信程序設(shè)計(jì) 24 第5章 粗糙度測(cè)試儀的上位機(jī)設(shè)計(jì) 25 5.1 VISA簡(jiǎn)介 25 5.2 VISA庫(kù)中的串口通訊函數(shù) 26 5.3 串行通信程序設(shè)計(jì) 27 5.3.1 串行通信初始化的設(shè)計(jì) 27 5.3.2 串口寫(xiě)入程序設(shè)計(jì) 28 5.3.3 串口讀取節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 29 5.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) 29 5.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 30 5.6 前面板設(shè)計(jì) 30 第6章 調(diào)試與驗(yàn)證 32 6.1 下位機(jī)調(diào)試 32 6.1.1 調(diào)試分析的一般過(guò)程 32 6.1.2 硬件調(diào)試 33 6.1.3 軟件調(diào)試 33 6.1.4 軟硬件聯(lián)調(diào) 33 6.2 上位機(jī)調(diào)試 34 6.3 調(diào)試故障及原因分析 34 6.4 測(cè)試驗(yàn)證 35 結(jié)論 36 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 40 附錄Ⅰ 電路圖 41 附錄Ⅱ 元器件清單 43 附錄Ⅲ 程序清單 44 第1章 緒論 1.1 立題意義 表面粗糙度是機(jī)械零件的一個(gè)主要精度指標(biāo)，對(duì)零件的性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。零件表面粗糙度會(huì)直接影響零件的配合性質(zhì)、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性以及密封性等。因此，關(guān)于表面粗糙度測(cè)量的研究一直沒(méi)有停止，傳統(tǒng)的測(cè)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(dòng)廓儀、光切顯微鏡、干涉顯微鏡等多種工具和計(jì)量?jī)x器。 目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的測(cè)量評(píng)定，但存在測(cè)量參數(shù)較少，測(cè)量精度較低，測(cè)量結(jié)果的輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件的測(cè)量要求，迫切需要開(kāi)發(fā)研制新型的表面粗糙度測(cè)量?jī)x來(lái)滿足現(xiàn)代精密工件的測(cè)量要求，基于虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)出的表面粗糙度測(cè)量?jī)x，除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問(wèn)題外，還具有測(cè)量速度快，自動(dòng)化程度高和良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，將具有較大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用價(jià)值。基于虛擬儀器技術(shù)的表面粗糙度參數(shù)測(cè)量?jī)x，就是通過(guò)設(shè)計(jì)編寫(xiě)表面粗糙度參數(shù)測(cè)量的軟件控制程序, 使得儀器的測(cè)試更加多樣化，靈活，只要加上必要的硬件設(shè)備就可以根據(jù)用戶需要構(gòu)成測(cè)試儀器。 1.2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人類(lèi)社會(huì)從高度工業(yè)化向信息化轉(zhuǎn)變。在信息化時(shí)代，人類(lèi)將主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)及其變換、傳輸和處理進(jìn)行社會(huì)活動(dòng)。傳感器是感知、獲取、檢測(cè)和轉(zhuǎn)化信息的窗口，是實(shí)現(xiàn)信息化時(shí)代的主要技術(shù)基礎(chǔ)。 光纖與激光、半導(dǎo)體光探測(cè)器一樣，是一種新興的光學(xué)技術(shù)，形成了光電子學(xué)新的領(lǐng)域。是20世紀(jì)后半期重大發(fā)明之一。光纖傳感技術(shù)是七十年代末期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是纖維光學(xué)在非通信領(lǐng)域的應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)是一門(mén)多科性學(xué)科，涉及知識(shí)面很廣，如纖維光學(xué)、光電器件、電磁學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)以及電子線路和微機(jī)應(yīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及光纖傳輸線路的相容性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)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(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)(顏色)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器按其傳感原理分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳光型(或稱(chēng)非功能型)光纖傳感器；另一類(lèi)是傳感型(或稱(chēng)功能型)光纖傳感器。光纖傳感技術(shù)優(yōu)于其他傳感技術(shù)的原因在于它是在光纖通信的基礎(chǔ)上發(fā)展的。光纖通信擁有一個(gè)廣闊的市場(chǎng)，能提供一系列低價(jià)格的器件，更重要的是，它形成一門(mén)能為光纖傳感器所使用的基礎(chǔ)科學(xué)。 光纖傳感器的概念不是新的，早在60年代中期就出現(xiàn)了第一個(gè)專(zhuān)利。它包括采用傳光束的機(jī)械位移傳感器和采用相位調(diào)制的超聲波傳感器。但是，在更為廣闊領(lǐng)域，即現(xiàn)在所說(shuō)的光纖傳感技術(shù)，取得系列研究卻是在10年之后，從那時(shí)起光纖技術(shù)就突破了徘徊不前的初始狀態(tài)，進(jìn)入了一日千里的時(shí)代。 在70年代中期，人們開(kāi)始意識(shí)到光纖本身可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無(wú)需任何中間級(jí)就能把待側(cè)的量和光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)。1977年，美國(guó)海軍研究所(NRL)開(kāi)始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問(wèn)世的日子。此后，光纖傳感器在全世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。 從70年代中期到80年代中期近十年的時(shí)間，光纖傳感器已達(dá)近百種，它在國(guó)防軍事部門(mén)、科研部門(mén)以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費(fèi)部門(mén)都得到實(shí)際應(yīng)用。 在美、英、德、日等國(guó)，尤其是美國(guó)，光纖傳感器研究開(kāi)始的都很早，投資也很大，并且已經(jīng)有許多成果都申請(qǐng)了專(zhuān)利。我國(guó)光纖傳感器的研究工作起步較晚，1983年，國(guó)家科委新技術(shù)局在杭州召開(kāi)了光纖傳感器的第一次全國(guó)性會(huì)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(cè)量電流、電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、水聲、壓力、位移、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)、應(yīng)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(wú)源器件等，國(guó)內(nèi)也有單位研制。我國(guó)對(duì)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(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目。 1.3 虛擬儀器測(cè)試技術(shù)發(fā)展 虛擬儀器（Virtual Instrument）簡(jiǎn)稱(chēng)VI。VI是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類(lèi) , 它是適應(yīng)卡式儀發(fā)展而提出的。傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境 , 建立圖形化的虛擬面板 , 完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。VI集成了當(dāng)今的各領(lǐng)域高新技術(shù) , 包括計(jì)量測(cè)試?yán)碚摗鞲屑夹g(shù)、一次儀表和二次儀表、計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù) , 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)令硬件盡可能軟化 , 軟件盡可能集成化 , 其重心不僅是相應(yīng)的軟件系統(tǒng) , 還應(yīng)該包含硬件裝置、測(cè)量方法和手段等的整個(gè)測(cè)試系統(tǒng) , 甚至還包含了被測(cè)對(duì)象。VI 應(yīng)是對(duì)用戶開(kāi)放的 ,允許用戶介入并定義其若干功能VI是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化模塊硬件結(jié)合起來(lái) , 用戶可以通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作計(jì)算機(jī) , 就像操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣 , 從而完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。VI以透明方式將計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)控能力相結(jié)合 , 實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作。應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件 如 GPIB、VXI、RS-232、DAQ 和可重復(fù)使用源碼庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā) ,源碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的VI系統(tǒng)提供基本的軟件模塊。 VI相對(duì)傳統(tǒng)儀器優(yōu)勢(shì)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(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) , 可方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)相連接 與其他儀器設(shè)備的連接受限制 充分利用計(jì)算機(jī)的圖形界面并由計(jì)算機(jī)直接讀數(shù)、分析和處理 圖形界面少 , 人工讀數(shù) , 信息量少 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 數(shù)據(jù)可進(jìn)一步編輯、存儲(chǔ)和打印 擴(kuò)展性差 , 一般來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)無(wú)法編輯 減少了硬件的使用 , 因而減少了測(cè)量誤差 信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次硬件處理都會(huì)引起誤差 價(jià)格低 , 可重復(fù)利用 價(jià)格昂貴 技術(shù)更新快 技術(shù)更新慢 1.4 表面粗糙度測(cè)量技術(shù)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(guān)系，因此人們?cè)诤茉缫郧熬驼J(rèn)識(shí)到測(cè)量表面粗糙度的重要性。但是由于技術(shù)工藝水平的落后，最早只能單純依靠人的視覺(jué)和觸覺(jué)來(lái)估計(jì)，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人們又采用了比較顯微鏡進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，但是這些比較原始的測(cè)量方法只能對(duì)表面微觀不平度作出定性的綜合評(píng)定。 近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和“信息時(shí)代”的到來(lái)，機(jī)械、光學(xué)工業(yè)對(duì)加工表面的質(zhì)量要求越來(lái)越高。這主要是因?yàn)楸砻娲植诙炔粌H對(duì)機(jī)械性能、物理性能、集成電路成品率有影響，而且它還影響計(jì)算機(jī)磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁頭和磁盤(pán)的耐磨性和壽命，同時(shí)也影響磁盤(pán)信號(hào)的讀出幅度和信噪比。不言而喻，納米級(jí)存儲(chǔ)密度需要有低于納米級(jí)粗糙度的表面作為基片，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息提取。因此，為實(shí)現(xiàn)更高的表面加工質(zhì)量，相應(yīng)要求更高的表面粗糙度測(cè)量手段。 對(duì)于物體表面粗糙度測(cè)量技術(shù)的研究由來(lái)已久，一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)是否與被測(cè)表面接觸，表面粗糙度測(cè)量方法可分為兩大類(lèi)：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(cè)量?jī)x，典型產(chǎn)品是英國(guó)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(guò)驅(qū)動(dòng)桿控制探針沿著工件表面作上下往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，從而正確地反映被側(cè)表面的實(shí)際輪廓曲線。它的優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高、測(cè)量范圍大、結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)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(cè)量技術(shù)的對(duì)比方法。目前正在對(duì)觸針的形狀、大小、接觸力、觸針動(dòng)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(diǎn)為：探針常常會(huì)劃傷被測(cè)表面。因此，這類(lèi)觸針式表面輪廓儀對(duì)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(cè)量?jī)x的缺點(diǎn)，20世紀(jì)50年代，光學(xué)技術(shù)被引入物體表面粗糙度的側(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量。大部分非接觸式光學(xué)形貌儀是在20世紀(jì)80年代后才研制和開(kāi)發(fā)出來(lái)的。典型方法有以下幾種： 光學(xué)散射法——工作原理為：當(dāng)激光以一定角度入射到粗糙表面上時(shí)，散射光強(qiáng)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(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)其角分布就可測(cè)出物體的表面粗糙度。光學(xué)散射法的特點(diǎn)是：測(cè)量速度快、儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但由于它測(cè)量的是被側(cè)表面的平均特性，故不能給出表面的形貌，屬于一種參數(shù)測(cè)量技術(shù)。 光學(xué)探針?lè)ā鈱W(xué)探針?lè)ǖ姆N類(lèi)很多，但本質(zhì)上都是以一很小的聚焦光點(diǎn)入射到被測(cè)表面，來(lái)模擬機(jī)械觸針進(jìn)行測(cè)量。 干涉顯微鏡法——在光波干涉測(cè)量中，光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)分光后，一束光射向被側(cè)工件表面，另一束光射向參考鏡，兩束光經(jīng)反射后重新相遇形成千涉條紋。條紋的相對(duì)彎曲度即反映被測(cè)表面的徽觀高度差。 1.5 本文研究?jī)?nèi)容 介紹了表面粗糙度的概念和表面粗糙度測(cè)量?jī)x的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的一種新的表面粗糙度測(cè)量?jī)x，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，在計(jì)算機(jī)上用LabVIEW可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出新的表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容安排可以分為三部分： 第一部分是下位機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是硬件電路方案的設(shè)計(jì)、元器件的選擇等。具體的硬件電路包括傳感器測(cè)量電路以及數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)傳輸電路等。在實(shí)驗(yàn)板上每一個(gè)硬件電路焊接完成后，每一部分單獨(dú)調(diào)試，在各個(gè)部分調(diào)試成功后，聯(lián)調(diào)整個(gè)硬件電路，最后做出分析，得出結(jié)論。 第二部分是上位機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)LabVIEW和單片機(jī)通信以及對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。 第三部分在上位機(jī)和下位機(jī)都調(diào)試成功的前提下，進(jìn)行聯(lián)調(diào)，得出設(shè)計(jì)最終結(jié)果。 論文具體內(nèi)容安排如下：第1章介紹了光纖傳感器、虛擬儀器技術(shù)和表面粗糙度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及課題的研究目的和意義；第2章主要是對(duì)粗糙度相關(guān)知識(shí)做了詳細(xì)介紹；第3章粗糙度測(cè)量?jī)x總體設(shè)計(jì)方案。對(duì)本課題任務(wù)進(jìn)行了具體分析，確定了的系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。第4章粗糙度測(cè)量?jī)x的下位機(jī)設(shè)計(jì)；第5章粗糙度測(cè)量?jī)x的上位機(jī)設(shè)計(jì)；第六章粗糙度測(cè)量?jī)x的調(diào)試與分析。針對(duì)硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)的結(jié)果進(jìn)行了具體的分析和說(shuō)明。 第2章 粗糙度的基本概念 在介紹應(yīng)用光纖位移傳感器測(cè)量物體表面粗糙度的系統(tǒng)之前，先簡(jiǎn)單介紹一下有關(guān)表面粗糙度的知識(shí)，從而對(duì)表面粗糙度的定義、表面粗糙度的測(cè)量基準(zhǔn)、表面粗糙度測(cè)量中應(yīng)遵循的原則以及表面粗糙度評(píng)定的參數(shù)的定義等有一個(gè)較為全面的了解和認(rèn)識(shí)。這些基本定義是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和編制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序的理論依據(jù)。 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(gè)重要指標(biāo)，它主要是由于在加工過(guò)程中刀具和零件表面之間的摩擦，切削分離時(shí)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(dòng)等原因所形成的。表面粗糙度不包括由機(jī)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(guò)程中由機(jī)床、刀具、工具系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)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(lèi)表面幾何形狀偏差在一個(gè)表面上并非孤立存在，大多數(shù)加工表面常受其綜合影響。實(shí)際上，三者只有分級(jí)的不同，沒(méi)有原則上的區(qū)別。 2.2 表面粗糙度的測(cè)量參數(shù) 在保證零件尺寸、形狀和位置精度的同時(shí)，對(duì)表面粗糙度也有相應(yīng)的要求。而對(duì)表面粗糙度僅依據(jù)某一單獨(dú)的評(píng)定參數(shù)是無(wú)法滿足這種多方面的要求，在研究工作中就出現(xiàn)了大量不同的評(píng)定參數(shù)，為要表征這些評(píng)定參數(shù)所需的一些術(shù)語(yǔ)、定義就多達(dá)60多個(gè)，這種錯(cuò)綜復(fù)雜的情況，在尺寸公差中是沒(méi)有的，也比一般結(jié)合件的公差和配合復(fù)雜的多，而這也正是近年來(lái)國(guó)際上各個(gè)工業(yè)國(guó)家積極研究的領(lǐng)域，幾乎每年都在開(kāi)展這方面的研究工作。為了與國(guó)際接軌，我國(guó)又先后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 131-1993《表面粗糙度符號(hào)、代號(hào)及其注法》，GB/ T1031-1995《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，它們等效采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1302-1992《技術(shù)制圖—標(biāo)注表面特征的方法》及參照采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 468-1982《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值和給定要求的通則》。新國(guó)標(biāo)的發(fā)布實(shí)施將有利于積極采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量，有助于促進(jìn)表面粗糙度量?jī)x和檢測(cè)方法的發(fā)展與統(tǒng)一，使表面粗糙度術(shù)語(yǔ)、評(píng)定參數(shù)與國(guó)際上絕大多數(shù)國(guó)家取得一致，促進(jìn)國(guó)際間的技術(shù)交流和對(duì)外貿(mào)易。根據(jù)表面粗糙度評(píng)定參數(shù)的發(fā)展，結(jié)合我國(guó)科技和生產(chǎn)發(fā)展的情況，特別是為了適應(yīng)與國(guó)際接軌的要求，我國(guó)于1995年修訂的國(guó)標(biāo)GB/T 1031-1995《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，規(guī)定了表面粗糙度高度參數(shù)為，，。 ，，分別是： 輪廓算數(shù)平均偏差()；輪廓最大高度() ；微觀不平度十點(diǎn)高度()?！谌娱L(zhǎng)度L內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值；—在取樣長(zhǎng)度L內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離；—在取樣長(zhǎng)度內(nèi)5個(gè)最大的輪廓峰高的平均值與5個(gè)最大的輪廓谷深的平均值之和。本文將以為參數(shù)進(jìn)行粗糙度的測(cè)量。 2.3 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器通常是由光源光纖和接收光纖構(gòu)成。位移傳感器中光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，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(hào)的作用。當(dāng)光源發(fā)出的光，經(jīng)光源光纖照射到位移反射體后，被反射的光又經(jīng)接收光纖輸出，被光敏器件接收。其輸出光強(qiáng)決定于反射體距光纖探頭的距離，當(dāng)位移變化時(shí)則輸出光強(qiáng)作相應(yīng)的變化。通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)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(jīng)發(fā)送光纖射向被測(cè)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(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，通過(guò)電信號(hào)的大小就可以測(cè)得物體距離探頭的位移。由于光纖有一定大小的孔徑，當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測(cè)件時(shí)，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，接收光中無(wú)光信號(hào)；當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射光纖照亮被測(cè)表面的面積越來(lái)越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)域也越來(lái)越大，有一個(gè)線性增長(zhǎng)的輸出信號(hào)；當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r，輸出信號(hào)就達(dá)到了位移一輸出信號(hào)曲線（圖2.2）上的“光峰點(diǎn)”，光峰點(diǎn)以前的這段曲線叫前坡區(qū);當(dāng)被測(cè)表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，有部分反射光沒(méi)有反射進(jìn)接收光纖，而且由于接收光纖更加遠(yuǎn)離被測(cè)表面，接收到的光強(qiáng)逐漸減小，光敏元件的輸出信號(hào)逐漸減弱，進(jìn)入曲線的后坡區(qū)。在位移-輸出曲線的前坡區(qū)，輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非常快，這一區(qū)域可以用來(lái)進(jìn)行微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡區(qū)，信號(hào)的減弱約與探頭和被測(cè)表面之間的距離平方成反比，可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測(cè)量。在光峰區(qū)，信號(hào)達(dá)到最大值，其大小取決于被測(cè)表面的狀態(tài)。所以這個(gè)區(qū)域可用于對(duì)表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，即可用于粗糙度的測(cè)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(cè)量原理 如前所述，在峰值點(diǎn)附近，輸出對(duì)距離的變化不敏感，而對(duì)粗糙度的變化最敏感，這正是測(cè)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(biāo)定已知的。取其中Ra值最小的樣板為基準(zhǔn)，細(xì)調(diào)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(cè)出其輸出電壓，作為輸出與Ra的關(guān)系如圖所示： 圖2.3 粗糙度和電壓的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)每塊樣板測(cè)出電壓十次取平均值。有關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示： 表2.1 不同樣板表面粗糙度與輸出電壓數(shù)據(jù)表 樣板編號(hào) 1 2 3 4 5 6 Ra（um） 0.005 0.02 0.03 0.04 0.045 0.05 輸出電壓（V） 4.69 3.05 2.58 1.95 1.69 1.43 按表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Ra值和輸出電壓進(jìn)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(cè)量，就能得出這種工件的表面粗糙度。 第3章 粗糙度測(cè)量?jī)x的總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的一種新的表面粗糙度測(cè)量?jī)x，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合。具體是利用光纖位移傳感器進(jìn)行粗糙度的測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集，串口通信傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，最后在LabVIEW平臺(tái)上顯示測(cè)量結(jié)果。 總體方案包括下位機(jī)硬件和軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)的設(shè)計(jì)。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(jī)硬件方案設(shè)計(jì) 下位機(jī)硬件方案的設(shè)計(jì)主要包括測(cè)量部分和單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)。測(cè)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(jī)部分主要包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)傳輸部分設(shè)計(jì)。 3.1.1 傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)選用CSY-G型光電傳感器實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱(chēng)探頭，它與被測(cè)體相距X，由光源發(fā)出的光通過(guò)光纖傳到端部射出后再經(jīng)被測(cè)體反射回來(lái)，由另一光纖接收光信號(hào)，再由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，而光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電量大小與間距X 有關(guān)。 3.1.2 光纖傳感器特性實(shí)驗(yàn) 由于光纖傳感器探頭由于系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)具有非線性和測(cè)量?jī)x器本身的誤差，輸人位移或粗糙度和輸出電壓之間沒(méi)有確定的函數(shù)關(guān)系。因此往往事先測(cè)量一組數(shù)據(jù)，然后使用此數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到一條擬合曲線。 表3.1 采集數(shù)據(jù)電壓—位移 位移(mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 電壓(V) 0 0.32 0.89 2.91 3.89 4.54 4.55 4.35 3.34 3.1.3 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是AT89C52。選用的A/D轉(zhuǎn)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(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開(kāi)關(guān)，由C、B、A 的編碼來(lái)決定所選通道。輸出可直接連到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，可對(duì)0-5V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。傳輸部分是基于RS-232通信協(xié)議，通過(guò)MAX232芯片和計(jì)算機(jī)串口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 3.2 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸。下面詳細(xì)介紹下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)思想。軟件總體流程圖如圖3.2所示。 開(kāi)始 程序初始化 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)傳輸 計(jì)算機(jī) 結(jié)束 圖3.2 系統(tǒng)軟件總體流程圖 3.3 上位機(jī)總體設(shè)計(jì) 上位機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)際就是LabVIEW的設(shè)計(jì)，其主要功能是以數(shù)字形式顯示被測(cè)量物體表面粗糙度。其具體功能框圖如圖所示： 開(kāi)始 串口初始化 打開(kāi)串口 發(fā)送命令 接收數(shù)據(jù) 顯示粗糙度 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 結(jié)束 圖3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖 第4章 粗糙度測(cè)試儀的下位機(jī)設(shè)計(jì) 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案的要求，本章詳細(xì)論述系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。整體電路圖見(jiàn)附錄Ⅰ。 4.1 信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路的功能主要是完成對(duì)光纖傳感器輸出的微弱不穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行放大濾波，使其輸出電壓信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，在0～5V范圍內(nèi)。 由于反射式光纖位移傳感器的輸出電壓信號(hào)很小。因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大以達(dá)到轉(zhuǎn)換要求。故而在傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路之間加入了一級(jí)有源放大電路，使輸出電壓為0～5V，從而為后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)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(shù)為100倍可滿足設(shè)計(jì)要求。 圖4.1 電壓放大電路電路圖 4.2 單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸電路。 4.2.1 單片機(jī)介紹 1. 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 單片機(jī)有8位、16位甚至32位機(jī)，但8位單片機(jī)以它的價(jià)格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)而占著主導(dǎo)地位。 MCS-51系列高檔8位單片機(jī)是Intel公司1980年推出的產(chǎn)品，而AT89C51芯片是MCS-51系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個(gè)專(zhuān)用控制寄存器、4kB的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4組8位的并行口、兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工的串行口以及布爾處理器。圖4.2為單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 圖4.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 AT89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)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(chǔ)器 ；壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)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(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 89C52的時(shí)鐘可以兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路。下面介紹內(nèi)部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)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(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。圖4.4是89C52片內(nèi)振蕩器電路。89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，圖4.5是內(nèi)部時(shí)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(jià)時(shí)，可選用陶瓷諧振器）以及電容CX1和CX2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)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1.2MHz～12MHz之間任選，電容CX1和CX2的典型值在20pF～100pF之間選擇，但在60pF～70pF時(shí)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(shí)，CX1和CX2的典型值約為47pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)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(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。本設(shè)計(jì)考慮到打印機(jī)的時(shí)序的要求，晶陣采用11.0592MHz。 圖4.4 89C52片內(nèi)振蕩器電路圖 圖4.5內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路圖 4.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 89C52的復(fù)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(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在89C52的時(shí)鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。 本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鍵復(fù)位的電路，如圖4.6所示，是常用復(fù)位電路之一。當(dāng)89C52的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RET引腳高電平到時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。通過(guò)按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱(chēng)手動(dòng)復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過(guò)程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復(fù)位稱(chēng)為手動(dòng)復(fù)位。復(fù)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(fù)位電路 4.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前品種最多、應(yīng)用最廣的ADC器件。它有兩個(gè)類(lèi)別，一是單芯片集成化A/D轉(zhuǎn)換器，另一是混合集成化A/D轉(zhuǎn)換器。 ADC0809轉(zhuǎn)換器是單芯片集成化A/D轉(zhuǎn)換器，是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809由單一＋5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8位模擬多路開(kāi)關(guān)，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需時(shí)間100s（相應(yīng)的時(shí)鐘頻率為640KHz），片內(nèi)具有多路開(kāi)關(guān)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(jī)的數(shù)據(jù)總線上。 ADC0809內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，故時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)由單片機(jī)提供（接10腳CLOCK端）。本課題使用的單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，若與單片機(jī)接口時(shí)，可利用其地址鎖存允許信號(hào)ALE（2000KHz）經(jīng)2個(gè)D觸發(fā)器四分頻獲得500KHz的時(shí)鐘，恰好滿足0809對(duì)時(shí)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(gè)引腳，具體引腳功能如下：輸入引腳IN0～I(xiàn)N7是8路模擬量輸入端，接收要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)；輸出引腳 D0～D7為數(shù)據(jù)輸出端，其功能是將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)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(jī)提供， 地址通道編碼見(jiàn)表4.1；START為啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)的控制端，在一個(gè)正脈沖作用之后，轉(zhuǎn)換器就開(kāi)始工作。； 表4.1 地址編碼 編碼 通道 A B C 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ALE為地址鎖存信號(hào)輸入端，當(dāng)ALE為高電平時(shí)，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(zhuǎn)換器；時(shí)鐘信號(hào)CLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器要求的時(shí)鐘頻率為640KHz，如果高于此頻率，轉(zhuǎn)換器無(wú)法正常工作；參考電壓端口REF(+)和REF(-)是用來(lái)提供A/D轉(zhuǎn)換的量化單位。一般REF(+)=5V，REF(-)=0V；輸出允許控制信號(hào)OE，當(dāng)OE為高電平時(shí)，允許從A/D轉(zhuǎn)換器鎖存器中讀取數(shù)字量；標(biāo)志信號(hào)EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，EOC端輸出高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，因此EOC可作為CPU的中斷或查詢信號(hào)；電源端 VCC接地端GND。ADC0809工作時(shí)序如圖4.8所示。由于本設(shè)計(jì)只要求一路模擬信號(hào)輸入即可，因此C、B、A引腳并聯(lián)接地便選通了IN0口，可以滿足設(shè)計(jì)要求。圖4.8為ADC0809工作時(shí)序圖： 圖4.8 ADC0809工作時(shí)序圖 圖4.9為ADC0809和單片機(jī)連接圖： 圖4.9 ADC0809和單片機(jī)連接圖 4.2.5 串行通信的設(shè)計(jì) 串行口主要由數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器、輸出控制門(mén)、數(shù)據(jù)接收緩沖器SBUF、接收控制器和輸入移位寄存器組成。其中數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器和數(shù)據(jù)接收緩沖器共用一個(gè)地址，由于數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入，不能讀出，而數(shù)據(jù)接收緩沖器只能讀出，不能寫(xiě)入，所以會(huì)造成操作混亂。串行口是通過(guò)管腳TXD和RXD與外界進(jìn)行通信的，如下圖4.10所示： 圖4.10 89C51單片機(jī)串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu) 51單片機(jī)內(nèi)部有SCON和PCON兩個(gè)特殊功能寄存器，專(zhuān)門(mén)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1 10位異步收發(fā) 波特率可變，由T1控制 1 0 方式2 11位異步收發(fā) 或 1 1 方式3 12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(chēng)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(dāng)SMOD=1時(shí)，串行口波特率加倍，單片機(jī)復(fù)位時(shí)SMOD=0。 表4.3 電源控制寄存器PCON 位名稱(chēng) SMOD —— —— GF1 GF0 PD IDL 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(shù)據(jù)位、1位可編程位和1位停止位）的異步通信。 發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程為：先發(fā)送起始位0，再由低位到高位發(fā)送8位數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送可編程位TB8，最后發(fā)停止位。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后由硬件置位TI，向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中，應(yīng)由軟件給TI清零，這樣才能再次進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)串行發(fā)送。 接收數(shù)據(jù)的過(guò)程為：當(dāng)REN=1時(shí)，CPU開(kāi)始對(duì)RXD不斷采樣，一旦采樣到負(fù)跳變時(shí)，便開(kāi)始接收8位數(shù)據(jù)，當(dāng)8位數(shù)據(jù)接收完后，將可編程位（第9位數(shù)據(jù)）裝入RB8。當(dāng)SM2=0且RB8=1時(shí)，數(shù)據(jù)幀才有效。 本課題實(shí)現(xiàn)的是PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信，由于PC機(jī)采用的是RS-232C電平，而單片機(jī)采用的是TTL電平。所以需要電平轉(zhuǎn)換。因此采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)。下圖為PC機(jī)和單片機(jī)通信原理圖： 圖4.12 單片機(jī)與PC機(jī)通信連接圖 4.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 4.3.1 主程序設(shè)計(jì) 主程序的基本功能是實(shí)現(xiàn)各子程序的初始化和對(duì)各個(gè)模塊程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的流程進(jìn)行控制，以達(dá)到對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行測(cè)量的目的。其流程圖如下： 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 A/D采樣 中斷 串口通信子程序 結(jié)束 Y N 圖4.13 主程序流程圖 4.3.2 ADC0809轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換子程序主要的作用是將傳感器轉(zhuǎn)換出來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4.14所示。 開(kāi)始 初始化 啟動(dòng)ADC0809 讀出A/D轉(zhuǎn)換值 保存結(jié)果 返回 圖4.14 ADC0809轉(zhuǎn)換流程圖 4.3.3 串口通信程序設(shè)計(jì) 串口通信是把ADC0809轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由LabVIEW對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。由于LabVIEW接收串口數(shù)據(jù)只能接收字符串的形式，因此把待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串的形式。流程圖如下所示： 開(kāi)始 串口初始化 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 等待計(jì)算機(jī)命令 數(shù)據(jù)發(fā)送 返回 N Y 圖4.15 串口通信流程圖 第5章 粗糙度測(cè)試儀的上位機(jī)設(shè)計(jì) 根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)要求，本章詳細(xì)介紹了上位機(jī)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容。總體程序框圖見(jiàn)附錄Ⅰ。 5.1 VISA簡(jiǎn)介 LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫(kù)。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)——虛擬儀器軟件規(guī)范，是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱(chēng)。VISA庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程序控制，其實(shí)質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的API。VISA本身不具備編程能力，它是一個(gè)高層API，通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程，其層次如圖5.1所示。VISA是采用VPP標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口軟件，其軟件結(jié)構(gòu)包含三部分，如圖5.1所示。 圖5.1 NI-VISA層次圖 與其他現(xiàn)存的I/O接口軟件相比，VISA的I/O控制功能具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：適用于各種儀器類(lèi)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(chǔ)器器件等儀器)；適用于各種硬件接口類(lèi)型；適用于單、多處理器結(jié)構(gòu)或分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；適用于多種網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。 VISA的I/O軟件庫(kù)的源程序是唯一的，其與操作系統(tǒng)及編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)，只是提供了標(biāo)準(zhǔn)形式的API文件作為系統(tǒng)的輸出。 5.2 VISA庫(kù)中的串口通訊函數(shù) 本文用到的主要的串口通訊函數(shù)調(diào)用路徑為：FunctionsInstrument I/OVISAVISA AdvancedInterface SpecificSerial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(shù)意義如下： 啟用終止符使串行設(shè)備做好識(shí)別終止符的準(zhǔn)備。如值為T(mén)RUE（默認(rèn)），VI_ATTR_ASRL_END_IN屬性將被設(shè)置為識(shí)別終止符。如值為FALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN屬性將被設(shè)置為0（無(wú)）且串行設(shè)備不識(shí)別終止符。 終止符通過(guò)調(diào)用終止讀取操作。從串行設(shè)備讀取終止符后讀取操作將終止。 0xA是換行符(\n)的十六進(jìn)制表示。消息字符串的終止符由回車(chē)(\r)改為0xD。 超時(shí)設(shè)置讀取和寫(xiě)入操作的超時(shí)值，以毫秒為單位。默認(rèn)值為10000。 VISA資源名稱(chēng)指定要打開(kāi)的資源。該控件也可指定會(huì)話句柄和類(lèi)。 波特率是傳輸速率。默認(rèn)值為9600。 數(shù)據(jù)比特是輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)。 數(shù)據(jù)比特的值介于5和8之間。默認(rèn)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(yàn)。 停止位指定用于表示幀結(jié)束的停止位的數(shù)量。 流控制設(shè)置傳輸機(jī)制使用的控制類(lèi)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(shù)據(jù)讀出，然后利用LabVIEW的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能對(duì)其進(jìn)行分析處理。主要參數(shù)意義如下： VISA資源名稱(chēng)指定要打開(kāi)的資源。 字節(jié)總數(shù)是要讀取的字節(jié)數(shù)量。 VISA資源名稱(chēng)輸出是由VISA函數(shù)返回的VISA資源名稱(chēng)的副本。 讀取緩沖區(qū)包含從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。 返回?cái)?shù)包含實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。 (3)VISA 寫(xiě)入控件(圖5.4所示) 圖5.4 VISA 寫(xiě)入控件 將寫(xiě)入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入VISA資源名稱(chēng)指定的設(shè)備或接口中。主要參數(shù)意義如下： VISA資源名稱(chēng)指定要打開(kāi)的資源。 寫(xiě)入緩沖區(qū)包含要寫(xiě)入設(shè)備的數(shù)據(jù)。 VISA資源名稱(chēng)輸出是由VISA函數(shù)返回的VISA資源名稱(chēng)的副本。 返回?cái)?shù)包含實(shí)際寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)。 5.3 串行通信程序設(shè)計(jì) 5.3.1 串行通信初始化的設(shè)計(jì) 首先將VISA配置串口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化。即設(shè)定通信口、波特率、校驗(yàn)位等?？紤]到可能用到一個(gè)或多個(gè)串口以及下位機(jī)波特率的設(shè)定的變化，這里用了2個(gè)Case結(jié)構(gòu)。這里由于計(jì)算機(jī)只有兩個(gè)COM口，所以只設(shè)定了COM1口和COM2口，設(shè)定了4個(gè)可選擇的波特率，即1200、2400、4800、9600。下圖是通訊口和波特率設(shè)定程序： 圖5.5 通訊口和波特率設(shè)定程序 對(duì)于VISA配置串口節(jié)點(diǎn)分別用了2個(gè)Case結(jié)構(gòu)，屬于嵌套的關(guān)系。外面的Case結(jié)構(gòu)作用是打開(kāi)串口，里面的Case結(jié)構(gòu)作用是判斷通訊口的設(shè)定是否正確。程序設(shè)計(jì)圖如下所示： 圖5.6 串口初始化程序設(shè)計(jì) 5.3.2 串口寫(xiě)入程序設(shè)計(jì) 串口寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)主要作用是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令，由于下位機(jī)即單片機(jī)只能處理16進(jìn)制數(shù)據(jù)，而上位機(jī)寫(xiě)入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是字符串，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型不同，所以需要對(duì)寫(xiě)入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即把字符串轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制整型字符串。下圖為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)： 圖5.7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 為了簡(jiǎn)化主程序的結(jié)構(gòu)，把上面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)成子VI。為使程序更完美，設(shè)計(jì)了計(jì)算上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)以及清空字節(jié)數(shù)的程序。 圖5.8 串口寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 5.3.3 串口讀取節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 此節(jié)點(diǎn)主要作用是從讀取下位機(jī)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)，為了保證依次將串口輸入緩存中的數(shù)據(jù)全部讀取，在使用串口讀取節(jié)點(diǎn)前加一個(gè)Bytes at Serial Port屬性節(jié)點(diǎn)，來(lái)檢驗(yàn)當(dāng)前串口輸入緩存中存在的字節(jié)數(shù)，然后串口讀取節(jié)點(diǎn)由此指定節(jié)點(diǎn)數(shù)讀取數(shù)據(jù)。 為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接受區(qū)。在節(jié)點(diǎn)之后加上計(jì)算接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和清空字節(jié)數(shù)的程序，可是接收的數(shù)據(jù)更直觀。程序如下圖所示： 圖5.9 串口讀取節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 5.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理是對(duì)上位機(jī)接收到來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以得到我們想要的結(jié)果，即本課題所研究的表面粗糙度。下圖為數(shù)據(jù)處理的程序： 圖5.10 數(shù)據(jù)處理程序 通過(guò)上圖可以看出，接收到的數(shù)據(jù)（十進(jìn)制數(shù)字符串）經(jīng)過(guò)十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換得出十進(jìn)制數(shù)值，由于下位機(jī)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)是0-255，此數(shù)值代表的是0-5V的電壓值，所以需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值乘以0.019，得出的數(shù)值就是所對(duì)應(yīng)的電壓值。經(jīng)過(guò)公式VI（可以寫(xiě)入公式,即所對(duì)應(yīng)的電壓-粗糙度關(guān)系）得出所測(cè)量的粗糙度。 5.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是對(duì)每次測(cè)量值進(jìn)行保存，以便于管理。本部分采用的是寫(xiě)入電子表格文件節(jié)點(diǎn)，對(duì)所要保存的粗糙度和所對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行保存。程序如圖5.11所示： 圖5.11數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序 5.6 前面板設(shè)計(jì) LabVIEW中的前面板就是圖形化用戶界面，用于設(shè)置串口初始化和觀察輸出結(jié)果。前面板界面如圖5.12所示： 圖5.12 前面板界面 第6章 調(diào)試與驗(yàn)證 調(diào)試與分析的過(guò)程包括上位機(jī)調(diào)試和下位機(jī)調(diào)試。上位機(jī)調(diào)試包括硬件電路的調(diào)試、程序的調(diào)試及它們的聯(lián)機(jī)調(diào)試過(guò)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(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。 硬件電路的調(diào)試可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過(guò)檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證電路是否正常。軟件程序是先按模塊分別進(jìn)行子程序調(diào)試，然后對(duì)完整的功能程序進(jìn)行調(diào)試檢查。 上位機(jī)調(diào)試可以先用串口助手調(diào)試，通過(guò)以后就可以和下位機(jī)相連進(jìn)行聯(lián)調(diào)。 6.1 下位機(jī)調(diào)試 6.1.1 調(diào)試分析的一般過(guò)程 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的仿真系統(tǒng)是由南京偉福實(shí)業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)的偉福仿真器進(jìn)行軟件調(diào)試的，此系統(tǒng)可以開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，以及對(duì)硬件電路進(jìn)行診斷、調(diào)試等。它的具體功能是可以進(jìn)行CPU仿真，可以單步、跟蹤、斷點(diǎn)和全速運(yùn)行，而且，程序的編譯過(guò)程中，可以對(duì)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行自診斷，并自動(dòng)給出故障原因。同時(shí)用戶調(diào)試程序時(shí)，可以通過(guò)窗口觀察寄存器的工作狀況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除編程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。可以看出，該仿真系統(tǒng)是款功能強(qiáng)大，實(shí)用性強(qiáng)的仿真系統(tǒng)。 本次畢設(shè)之所以采用偉福仿真系統(tǒng)，就是由于此仿真系統(tǒng)強(qiáng)大的功能，因?yàn)樗柚姆抡嫦到y(tǒng)性能的優(yōu)越，直接影響設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)和調(diào)試的效率。 調(diào)試與分析的過(guò)程一般包括電路原理的調(diào)試、程序的調(diào)試及它們的聯(lián)機(jī)調(diào)試過(guò)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(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。 硬件電路的調(diào)試可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過(guò)檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證電路是否正常。通常采用的方法是通過(guò)編制一些小的調(diào)試程序分別對(duì)相應(yīng)各硬件單元電路的功能進(jìn)行檢查，而整個(gè)系統(tǒng)硬件功能必須在硬件和軟件設(shè)計(jì)完成之后才能進(jìn)行。 軟件程序也是先按模塊分別調(diào)試，然后再連接起來(lái)進(jìn)行總調(diào)。它只有在相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中調(diào)試，才能最后證明其正確性。 6.1.2 硬件調(diào)試 在焊接硬件電路之前，一般最好用面包板進(jìn)行插線連接，如果好用再進(jìn)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(guò)后的線路檢查工作，如果排版不合理，不但看起來(lái)不美觀，而且更容易出錯(cuò)。 硬件調(diào)試首先要對(duì)照硬件電路圖，仔細(xì)檢查焊接好的電路的走線是否和電路圖一致。用實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)用表按照設(shè)計(jì)的電路圖檢查所焊接的各個(gè)