基于LabVIEW的光栅测量系统设计

摘要：在常用的传动元件蜗杆的生产中，可以通过检测蜗杆副啮合运动时传动中心距的变化来快速检测其加工是否合格。基于虚拟仪器设计理论，以LabVIEW8．6虚拟仪器作为软件开发平台，单片机STC89C55作为下位机主控芯片，设计出适合实际需要的数据实时采集系统。该系统采用数字式传感器光栅尺和角编码器结合单片机控制实现实时数据采集。利用串行通信的方式在上位机的LabVIEW8．6上实现了光栅测量系统的数据图形显示和分析统计等功能。
关键词：LabVIEW8．6；蜗杆；光栅尺；角编码器；单片机；数据实时采集

引言
传统的机械设备测量仪器，其功能固定、扩展性差，且测试系统开发时间长。美国国家仪器NI公司于1986年提出的虚拟仪器的概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革。其将计算机强大的数字处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大增强了传统仪器的功能。而NI公司开发的图形化开发平台LabVIEW无疑是虚拟仪器的杰出代表。
蜗杆传动过程中，往往会碰到蜗杆蜗轮啮合中心距测量问题。本系统主要设计交错放置在检具底盘上蜗杆副啮合运动中的传动中心距以及蜗轮转角值的位置信息数据采集电路，并在上位机LabVIEW8．6软件开发平台上实时显示出位置信息关系曲线以及对采集数据进行统计分析。

1 系统的组成及工作原理
图1为系统组成结构框图。该光栅测量系统主要由PC 工控机、STC89C55、信号接口电路、信号预处理电路以及液晶显示控制电路组成。其中，角编码器和光栅尺传感器组成光栅位移量测量的检测传输平台，分别输出蜗轮转角值和蜗杆副传动中心距位置信息；然后再经过光电转换以及整形放大电路，输出单片机可以识别的相位角相差90°的2路方波序列脉冲信号(A相主信号和B相副信号)，另外还输出一个作为校验Z信号。硬件接口电路将3路信号输入到信号预处理电路进行化移脉冲数据、移动方向以及原点信息的预处理，再由单片机通过数据总线根据需要读取、处理和显示数据，随后通过RS232串口总线将采集的多路数据送入LabVIEW软件平台进行检测以及分析。

2 系统硬件设计
2．1 主控芯片
本系统的下位机核心控制芯片是单片机STC89C55，其内部程序存储空间有20 KB，片内RAM为1280字节，外部晶振频率最高可以接入40 MHz。该单片机不仅具有MCS-51系列单片机的所有特性，而且具有稳定性高、功耗低、抗干扰等特点，是目前性价比较高的芯片。由于本系统对实时性要求比较高，所以选用24 MHz外部晶振，可提高单片机的处理速度。
2．2 数据采集接口电路
本系统中光栅尺和角编码器都属于增量式光电编码器，而增量式编码器系列有各种不同类型的输出电路方式可以选择，为了抑制共模干扰和提高传输抗干扰性能，设计中采用了差分输出型方案。由于数字式传感器不需要进行A／D转换，所以需将差分信号转化为单片机可以识
别的单端TTL信号，进而直接进行辨向计数。AM26C32是NI公司的4路差动线路接收器，将差分信号转化为单片机可以识别的单端TTL信号，进而直接进行辨向计数。系统数据采集接口电路如图2所示。

2．3 数据采集电路
数据采集电路主要由信号预处理电路和单片机主控电路组成。信号预处理电路主要完成对方波信号的鉴相与计数的预处理，是系统硬件设计的关键。为了保证计数的实时性和方便后期功能扩展，结合两种软硬件设计特点设计出了较合理的信号预处理电路，如图3所示。鉴相电
路由1个D触发器74 HC74和2个与非门74HC00组成，可逆计数电路由2片74HC193组成，低8位计数值输出经三态缓冲芯片74HC245后挂到单片机P1口总线上进行实时查询。一旦发生计数值溢出，就会在外部产生触发中断，单片机进入中断服务程序通过没置在鉴相电路中的P2．3口状态识别是止转计数还是反转计数。传感器校验信号直接与单片机引脚相连，检测输入信号。

单片机主控电路除了对前端信号初始化计数预置，数据组合处理和中断控制外，还负责将采集到的数据进行显示，同时通过串口送入上位机。采用这种计数方式可以减少硬件资源的消耗，充分利用单片机软件资源，方便功能扩展，节约成小，提高实时性。另外，由于单片机I／O端口资源比较有限，所以液晶显示电路利用74HC595芯片实现单片机I／O引脚功能扩展。

3 系统软件设计
3．1 下位机软件设计
STC89C55单片机程序采用C语言进行设计，对单片机串口、外部中断、定时器以及液晶显示等进行初始化设置，然后通过I／O口实时查询信号处理电路的计数值。当硬件电路计数值溢出时，便在进／借位端口产生相应的下降沿触发，外部中断实时响应并处理相应情况，得到各自的计数高8位数据。最后，与计数低8位数据进行数据组合和换算并将其送入LCD液晶显示。