基于dsPIC30F6014A的普通外圆磨床在线测控系统设计

殷苏民，赵梁楠，许潮锋

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013)

磨削加工是机械加工的主要方法之一，但由于数控磨床价格方面等因素，很多企业的磨削加工还是以普通磨床为主要加工设备，尤其是小微型企业更是如此。普通磨床的操作完全依靠操作者操作，在大批量流水线作业中，操作单调，且可靠性较差，加工的产品质量难以保证。作者针对普通外圆磨床，以dsPIC30F6014A 单片机为控制器，提出了一种在磨削加工过程中对加工零件外圆尺寸进行在线测量和控制的设计方案，实现了在加工过程中对被磨削零件的在线检测与辅助控制，并通过实验验证了该测控系统的使用效果。

1 设计方案

普通外圆磨床在线测控系统如图1所示，包括测量装置、控制装置、驱动装置和执行机构。

在磨削过程中，气缸将测量装置送入测量工位，测量装置始终测量着工件的尺寸，并输出信号送入A/D 芯片，由A/D 转换后送入dsPIC30F6014A 进行数据分析和处理。处理后的数据显示在触摸屏上，另外根据数据分析结果通过脉冲输出控制信号，调节砂轮架的进给量和进给速度，并根据触摸屏设定的数据，使砂轮在开始阶段快速进入粗磨阶段，当磨削量达到下一个切换点后进入精磨，然后按照设定进入光磨，最后达到设定工件尺寸，测量装置与砂轮架退出工位，完成一个工件的磨削过程［1］。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 dsPIC30F6014A

选用Microchip 公司的16 位数字信号控制器dsPIC30F6014A 作为控制单元。dsPIC30F6014A 处理器采用改进的哈佛架构，具有独立的程序和数据存储器总线，有效地消除了数据传输瓶颈。芯片既有16位闪存单片机的高性能，又兼有数字信号处理器的计算能力和吞吐能力。dsPIC30F6014A 运算速度最高可达30 MIPs，带PLL(4 倍频、8 倍频和16 倍频)。当内部最高时钟频率为120 MHz 时，进行一次16 bit ×16 bit 运算的时间为8.3 ns，从而提高了控制器的实时控制能力。内核包含DSP 引擎，极大地提高了内核的运算能力和吞吐能力。具有一个高速17 位×17位乘法器、一个40 位ALU、两个40 位饱和累加器和一个40 位双向桶形移位寄存器。DSP 指令可以无缝地与所有其他指令一起操作，且设计为能获得最佳实时性能［2］。

选择该芯片的原因是:首先考虑有更多的I/O 端口有利于扩展外围电路;然后考虑单片机的驱动能力。dsPIC 系列采用CMOS 结构，延续了PIC 系列单片机2.5 ～5.5 V 的宽电压供电、低功耗的优良传统。单片机的I/O 端口有很强的驱动负载能力，单个引脚的输出或者灌入电流能够驱动20 ～25 mA 的负载;最后，对于连续面测量信号，dsPIC30F6014A 仅进行递推平均滤波即可，但对于非连续面测量信号(表面有键槽零件、齿轮、花键等)的磨削加工，简单的滤波已无法胜任。由于此处涉及数据繁多，算法复杂，仅依赖普通单片机无法完成逻辑控制、人机界面通信及数据处理，所以大量的数据处理过程需要应用DSP 指令完成，这也是选用dsPIC30F6014A 数字信号控制器的最终目的。

2.2 人机界面

触摸屏能够直观地显示系统运行参数和运行状态，而且通过触摸屏画面可以直接修改系统运行参数，人机交互性好，故系统使用触摸屏做为驱动控制系统的人机操作界面。选用的触摸屏是HITECH 人机界面PWS6600T-S 型号产品，拥有RS232、RS485 通信接口，支持标准的Modbus 协议，可以开发基于Modbus 协议的触摸屏与单片机通讯程序，能很好地实现实时状态的显示和系统参数的设定。

Modbus 协议包括ASCII、RTU、PLUS、TCP 等，并没有规定物理层。该协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modbus 是使用RS-232C 兼容串行接口，RS-232C 规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶校验等信息，Modbus 的ASCII、RTU 协议则在此基础上规定了消息、数据结构、命令应答的方式。Modbus 控制器的数据通信采用Master/Slave(主/从)模式，即Master 端发出数据请求消息，Slave 端接收到正确消息后就发送相应数据到Master 端以响应请求;Master 端也可以直接发消息修改Slave 端的数据，实现双向读/写［3］。

针对普通外圆磨床测控系统的功能需求，构建主/从通信结构。主机为PWS6600T-S 触摸屏，主要用于系统参数设定、实时显示与控制;从机为单片机系统，实现数据处理与输出控制。主、从机之间通过RS-232C 串行接口进行连接，通信协议为Modbus 协议。设计的电路中，MAX232CSE 芯片T1IN 引脚接控制芯片 dsPIC30F6014A 的串行发送引脚 U1TX;R1OUT 引脚接dsPIC30F6014A 的串行发送引脚U1RX;T1OUT 引脚与RS-232 的U1TX 相连接，R1IN引脚与RS-232 的U1RX 引脚相连接。硬件接口电路如图2所示。

图2 dsPIC30F6014A 与触摸屏间通信电路原理图

2.3 测量装置

测量装置(如图3)采用接触式两点测量法，传感器选用线性可变差动变压器式传感器(LVDT)，DC-07 型，测量范围±2.5 mm，重复性误差0.2 μm。测量时，通过测杆，把工件轴径变化的微小位移传递至LVDT。上、下测杆在弹簧力的作用下一端(A端)与工件相接触，另一端(B 端)分别和传感器的铁芯、外壳相连接，当工件的直径发生变化，杠杆结构将此变化转化为铁芯在线圈内部的相对位移，从而使LVDT 输出电压发生变化。

图3 测量装置

在测量一批零件轴径时，必须先进行标定。即首先测量已知尺寸为D0的标准轴，将此时LVDT 输出值存入控制器内存，做为基准轴尺寸。然后装夹待加工零件，假设测杆A 端相对位移为ΔD，则工件实际尺寸为

测杆A 端的位移变化，通过杠杆机构使B 端发生变化，铁芯在线圈内部移动并偏离测量标准轴时的位置。设LVDT 变化值为ΔL，则有

LVDT 的输出信号经过调理之后可得到与测杆位移变化成正比的直流电压信号。

AD698 的连接电路图如图4所示。

图4 AD698 连接电路图

系统采用AD698 芯片为DC-07 型LVDT 提供激励信号，并对传感器输出信号进行调理，输出－10 ～+10 V。AD698 是一个单片LVDT 信号调节子系统，在同LVDT 相连接时，只用几个外部无源元件设置频率和增益，就可以将传感器机械位移变换为高精度和高可靠性的单或双极性直流电压，完成信号调理任务［4］。

2.4 AD976

传感器测量量程为－2.5 ～+2.5 mm、精度为1 μm，即相对分辨率为1/5 000。因此，要求A/D 转换器输出的分辨率不低于13 位。考虑到A/D 转换器的失调、动态噪声、线性度等因素影响，选用美国AD公司的16 位高精度A/D 转换器AD976。

AD976 是美国AD 公司推出的+5 V 单电源供电的高速、低功耗16 位逐次逼近型A/D 转换器，该芯片最大积分非线性误差仅为2LSB，并可做到16 位不失码。最大转换速度为100kSPS，输入信号范围为－10 ～+10 V，功耗为100 mW。AD976 具有很好的集成性。它可以与8 位、16 位单片机和DSP 方便接口，使用十分方便灵活。该芯片内含逐次逼近型、开关电容式ADC、高速并行接口、转换控制逻辑、校准电路以及2.5 V 内部参考源。AD976 外围电路如图5所示。

图5 AD976 外部电路原理图

AD976 需要使用一个外接的参考源。参考源电压决定了模数转换器的满量程范围，其总的直流精度和稳定性应当优于ADC。AD780 具有超低的漂移量，低初始误差和低输出噪声，是AD976 外接基准源的良好选择。AD780 的8 脚悬空时，6 脚输出2.5 V 基准电压。电路中外接的R1和R2电阻给内部偏移量和增益提供补偿。同时，AGND1 与REF 之间、CAP 与AGND2 之间连接2.2 μF 的钽电容。

2.5 驱动装置与执行机构

驱动装置负责将测量装置进入或退出测量工位，是测量装置与机床的连接部件。通过定位块定位，可以使测量装置的测杆有较高的重复定位精度。工件安装好后，驱动气缸带动测量装置进入测量工位，同时砂轮快速前进。磨削到尺寸后砂轮快速退回，驱动气缸带动测量装置退出测量工位，以便于操作者装卸工件。在该系统中，使用光耦对控制芯片和驱动电路进行隔离，避免了可能产生的干扰和反馈，提高了系统的抑制噪声干扰的能力。

执行机构采用二相混合式步进电机对砂轮架进行控制，从而达到对加工工件轴径尺寸的控制。混合式步进电机输出转矩大，动态性好，步距角小，目前使用十分广泛。将用于调节砂轮架纵向进给的手轮拆下，然后在手轮轴一侧安装步进电机，用挠性联轴器联接。通过控制器发脉冲给两相混合式步进电机细分驱动器，由驱动器来驱动步进电机，将动力传递至砂轮架，实现对工件轴径尺寸的控制。为了防止驱动电路的干扰通过信号线窜入dsPIC 系统，影响单片机正常工作，同样加入光耦进行隔离，提高了主控板工作的稳定性和抗干扰能力。

3 系统软件设计

3.1 软件主程序

普通外圆磨床在线测控系统软件设计使用MPLAB IDE开发，用C 语言编程，采用模块设计法，包括数据采集模块，数据处理模块，通信模块和输出控制模块等。各模块以子程序形式出现，主程序实现对芯片的初始化和子程序的调用，完成系统功能。主程序流程图如图6所示。

图6 软件主程序流程图

在系统上电(或复位)后，主程序开始执行，首先对各部分进行初始化，包括单片机端口、模块的初始化，时钟的初始化和配置，UART 初始化等。初始化结束后，将E2PROM里边存储的参数(粗磨、精磨、光磨、到尺寸的设定值，标准轴的相对轴径值等)赋给存储在RAM 中的全局变量。然后程序稳定运行于一个无限循环之中，等待触摸屏发送请求信息。

单片机通过串口中断接收来自触摸屏发来的消息，用定时器判断是否接收完来自触摸屏的消息。检测触摸屏命令标志位是否置1，判断是否有检测命令发送过来，有则跳转到接收子程序进行处理，无则跳回主程序入口，继续检测触摸屏命令标志位。当检测当前触摸屏有命令发送来时，对发来的数据进行验证。首先检验地址码是否正确，地址码正确再接收数据，进行CRC 校验并对触摸屏进行发送应答。在数据无误时区分触摸屏发来的数据是哪一类的命令类型码。地址码错误则跳回主程序，等待触摸屏发来新的数据。

将数据采集到的数据进行处理后，与设定值进行比较，判断是否执行脉冲输出命令，控制步进电机动作。如果执行则跳到相应的程序处执行命令代码。命令执行完毕，判断是否达到标准轴轴径，若达到，测量装置与砂轮架自动返回初始位置，等待下一次的触摸屏发来命令进行磨削加工。

3.2 dsPIC30F6014A 与触摸屏间通信系统

在该测控系统中，dsPIC30F6014A 与触摸屏间通信使用Modbus RTU 传输模式，Modbus RTU 消息帧结构如表1所示。Modbus 协议RTU 模式要求每一帧的起始和结束都以至少3.5 个字符为间隔，在字节流中以1.5 个字符时间作为帧间隔，但必须同时满足其后的2 个字符内不会再接收到字符，否则认为结束的该帧为错误帧。3.5 个字符时间和1.5 个字符时间的定时起点是一致的，这是Modbus 协议RTU 模式的关键之处。在发生1.5 个字符时间中断后，处理其接收到的数据，计算接收到的字符数的CRC 校验和，将计算结果与接收到的最后两个字节进行比较，从而得知是否是完整的一帧数据。CRC 校验正确，说明这是一帧完整的数据，CRC 校验错误，说明这是一帧错误的数据帧，数据帧不完整。

表1 Modbus RTU 消息帧结构

触摸屏根据用户触摸的相应控件，向单片机发送一条RTU 帧，单片机在收到该RTU 帧后，根据Modbus 协议解析该指令，按照请求执行相应的操作，并将执行结果返回给触摸屏。需要注意的是，PWS6600T-S 触摸屏画面中设置的数据地址与dsPIC30F6014A 内部的地址并不存在确定的对应关系。这里存在一个映射关系，将触摸屏发送的数据地址经过转化得到单片机内部的存储地址。实现为，将触摸屏要读写的位元件或字元件的数据编程时定义到单片机的一个数组中，通过对发送的数据地址的解析，转化成对数组的索引，从而完成对元件的读写。

3.3 测量结果的数值处理算法

磨削加工在线测控系统在车间环境运行时会受到大量的干扰，干扰信号的窜入将导致测量结果不正确。为了克服干扰引入的误差，可采用递推平均滤波法对A/D 采样后的数据进行处理，从而消除或减弱干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精度，保证系统的正常运行。

递推平均滤波是把N 个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果收入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N 个“最新”的数据。计算滤波值时，只要把队列中的N 个数据进行算术平均值，就可得到最新的滤波值。这样每进行一次测量，就可计算得到一个新的平均滤波值。其数学表达式为

如果取N 个采样值求平均，则RAM 中须开辟N个数据的暂存区。每新采集一个数据便存入暂存区，同时去掉一个最老的数据，以保持这N 个数据始终是最近的数据。这种数据存放方式可以用环形队列数据结构来实现。其参考程序如下:

4 结束语

在分析dsPIC30F6014A、DC-07 型差动变压器式传感器的基础上，设计了一套功耗低、体积小的普通外圆磨床在线测控系统，介绍了控制器硬件接口、测量装置、驱动装置、执行机构和软件程序流程与数字滤波。该系统满足企业对普通外圆磨床的改造，减少劳动强度，提高生产效率，又降低废品率，同时加工出的工件尺寸一致性较好，适应于在大批量流水线作业中使用，对企业改造新、老机床设备有着重要意义。

【1】刘迎春.无心磨床在线自动测量系统的研究［D］.沈阳:东北大学，2006.

【2】 Microchip Technology Inc.dsPIC30F6014A Datasheet［M］.dsPIC30F Family Reference Manual，2006.

【3】盂华，王鹏达，李明伟.基于Modbus 协议的触摸屏与PIC 单片机的通信实现［J］.仪表技术与传感器，2009(10):58－60，75.

【4】王敬亭，廖力清，凌玉华.AD698 型LVDT 信号调理电路的原理与应用［J］.国外电子元器件，2005(9):63－64，71.

【5】王怀秀，朱国雄.AD976 及其在三分量智能检波器中的应用［J］.国外电子元器件，2003(10):30－32.

【6】付华，郭虹，徐耀松.智能仪器设计［M］.北京:国防工业出版社，2007.