一种基于单片机的速度测量系统

1.引言
在我室研制的某型测控系统中，遇到一弹丸状物体的初速测量要求，速度范围在0～150m/s,要求测速模块实现成本低、可靠性高，测速数据送上位机显示。
目前科研生产中采用的速度测量方法可分为两类；直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量, 如多普勒测速仪、空间滤波测速等。这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且受到大气物理环境的限制。间接测量法是测量目标的移动距离和时间, 通过计算得到速度量, 如光电测速、光栅测速、磁栅测速和图像测速等，用于测量小型弹丸的天幕法和光幕法测速系统、用于车辆测速的激光测速仪，以及用于生产流水线上的光电脉冲测速方法等等。
根据本系统的特点，我室采用了基于光电脉冲的间接测量方法，构建了基于AT89C51单片机测速系统，并采用DDE技术、VB和组态王实现速度信息的上位机显示，满足了成本低、可靠性好的测速要求；此外本文提出的单片机与上位机数据通信方法为多种工控软件和非通用性设备的数据交换问题提供了思路。
2.单片机测速模块的实现
a)测速原理
在本系统中，两对光电对射管布置在弹丸的通过路径上，光电对射管间距为S，当弹丸经过遮蔽光电管1,2时，光电管1,2产生一个上升沿或下降沿，以光电管1的上升沿或下降沿作为单片机计数器的启动脉冲，启动计数器开始记时，光电管2的上升沿或下降沿作为单片机计数器的停止脉冲，计数器停止记时。此时，得到计数器的记时值n。将值n传送至上位机，已知单片机的机器周期为T，则，可在上位机内计算出弹丸在定距s内的平均速度V,为V=S/nT。见如下图1。

b)测速部分硬件实现
如下图2硬件原理示意图，光电对射管Q1和Q2分别接入AT89C51的外部中断0和1引脚相联，Q1和Q2均为遮断式对射管（无遮断时导通，遮断时截止）。INT0和INT1均设置为下降沿触发。在INT0中断处理程序中，启动AT89C51内计数器T0开始计数，在INT1中断处理程序中，计数器T0停止计数。计数值暂存于单片机寄存器内。当单片机接收到上位机发出的取数指令时，单片机通过串口将寄存器内计数值发送至上位机进行处理。

3.单片机与上位机通信
本例上位机控制程序采用组态王组态软件（Kingview 6.5版）编写，但其为数据采集和控制提供的底层硬件设备的驱动仅是针对知名厂商的板卡和模块。因此，针对自行开发的数据采集模块，需要编写组态王与单片机串口通信驱动程序。在本例中，应用DDE方式实现组态王和VB进行数据交换，通过编写串口通信程序实现VB和单片机的通信，完成整个通信流程。
a)系统数据流程
动态数据交换(dynamic data exchange ,简称DDE)，它是Windows 提供的一种基于消息的进程间通信技术协议[2]。其实质是在两个应用程序之间建立一个数据通道(channel)，通过特定的会话过程，由windows作中介,实现数据的双向传输。DDE应用程序以对话(conversations)的方式实现数据共享，会话采用客户/ 服务器模式，启动会话并要求接收数据的进程是客户进程(client)，而响应客户请求提供数据的进程是服务器进程( server)。组态王采用DDE方式和VB进行数据交换，同时通过编写串口通信程序实现VB和单片机的通信。整个系统的数据交换流程如图3所示。

b)系统实现
系统实现分为两个部分：VB与组态王的数据交换以及单片机与VB的数据交换。
i.VB与组态王通过DDE链接的数据交换
DDE对话的内容是通过应用程序名(application)、主题( topic)和项目(item) 3 个标示名来约定的。其中，应用程序名是进行DDE对话的双方的名称，组态王运行系统的程序名是“VIEW”，VB程序使用的是可执行文件的名称。主题是指被讨论的数据域(domain)。对于组态王来说，主题规定为“tagname”，VB程序的主题由窗体的LinkTopic属性值指定。项目是指被讨论的特定数据对象，在组态王的数据辞典中定义I/O变量的同时，也定义项目名称。对VB程序而言，项目是具有文本属性控件的名称[3]。
VB作为客户端程序从组态王中得到数据时,首先需要在组态王中定义DDE设备,然后在组态王的数据库(数据辞典)中按照预先需要通讯的变量点数和变量类型建立I/O变量,定义变量的初始值、最大值、连接设备和项目名，还需要在VB中定义控件的属性和方法。一般的设置如下:
Control.LinkTopic=服务器程序名|主题名
Control.LinkItem=项目名
Control.LinkMode=0,1,2,3 (其中0=关闭DDE,1=热链接,2=冷链接,3=通告链接)
Control为VB应用程序中特定的文本框、标签框或图片框的名称。
VB作为服务器程序向组态王提供数据时,首先要在组态王中设置服务器程序的3个标志名,然后把VB 应用程序中提供数据的窗体的LinkMode属性设置为1。例如，将VB中的txt to Speed 文本框控件中的数据传给组态王中的I/O变量Speed ,其实现方法如下：
在组态王中建立一个名为VBDDE的DDE设备，服务程序名为vbdde，话题名为FormTopic，数据交换方式为标准Windows DDE交换。新建一个I/O变量Speed，将其连接设备名定义为VBDDE，项目名设为txt to Speed。在VB中,将窗体VBDDE的LinkMode属性设置为1(source)，LinkTopic属性设置为FormTopic，然后编译为可执行文件vbdde.exe，即可实现与组态王的通信。
ii.VB与单片机的数据交换
本例采用MSComm控件实现VB与单片机之间的数据交换，具有程序实现简便、程序模块化、工作可靠等优点，并能满足多数情况下的工控要求。使用MSComm控件主要是通过事件来处理串行口的交互。控件的OnComm事件负责捕获或处理这些通讯事件和通讯错误。在实际应用中，一个MSComm控件和一个串行口一一对应，所以如果要处理多个串行口的话，必须有相应数量的控件与之对应。
利用MSComm控件进行串口通信的具体操作和具体的程序代码已经有很多论述，在这里强调两点：
1.无论发送或者接收，都需要用一个Variant变量作中介；
2.使用MSComm控件的Input及Output属性来接收或者传输文本数据或二进制数据的方法不同：如果发送一个ANSI字符串到串口,可以以文本数据的形式发送；当要传输二进制数据时，由于Output属性支持的变量类型为Variant类型,所以发送二进制数据时必须传递一个包含字节数组的Variant到Output属性。使用MSComm控件的Input属性读取数据时，如果接收的数据类型为文本数据，Input属性通过一个Variant返回文本数据；如果接收的数据模式采用二进制形式，用Input属性读取数据时，不能直接赋值给Byte类型变量，只能通过先赋值给一个Variant类型变量，返回一个二进制数据的数组，再转换保存到Byte类型数组变量中。
4.结束语
本文论述的基于单片机的速度测量方法已在工程测控系统中得到了应用，适用于中低速物体的测量，具有良好的使用效果，具有实现成本低、可靠性好、精度良好的优点。此外，本文提出的单片机与上位机数据通信方法为多种工控软件和非通用性设备的数据交换问题提供了思路。还需注意的一点是：通过控件MSCOMM控件的input和out2put属性可以很方便地接受和发送串口缓冲区的数据，但要编制比较完善的通讯应用程序,还需要进行更深入的研究,比如通过使用“握手”的机制来增强通讯的安全性和稳定性,另外通过数据的重复发送达到收发数据的准确性等等.