三轴测试转台控制系统设计.doc

目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究的背景与意义11.1.1无人机简介11.1.2 转台在航空领域中的作用21.2 现在转台的研究方向21.3 本文的主要研究内容3第二章 三轴测试转台原理及控制系统设计42.1 三轴测试转台的结构及原理42.2 三轴测试转台控制系统的原理52.3 无刷直流电机的选择52.4 无刷直流电机传递函数模型72.5 无刷直流电机的PID控制9第三章 三轴测试转台控制系统的实现133.1 数据采集系统133.1.1 常用的测速方法143.1.2 数据采集原理153.2串口通信系统16第四章 上位机软件开发214.1上位机控制软件选取214.2 Visual Basic的功能特点214.3 VisualBasic串行通信模块224.4上位机控制软件的主要功能234.5上位机软件流程244.6软件界面开发26第五章 全文总结29参考文献30附录31一、Visual Basic程序31二、单片机程序35致谢38摘 要转台作为航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键设备，在飞行器的研制过程中起着极其重要的作用。转台的研究和制造对航空、航天工业和国防建设的发展具有重要的意义。本论文首先通过对三轴测试转台结构及原理的认识，本文设计了转台控制系统;并通过Simulink环境对直流无刷电机的调速系统进行了仿真分析。然后本文对AT89S52单片机进行了必要的介绍，并对AT89S52单片机的数据采集系统进行了分析，还对单片机与PC机的通信系统进行了设计。最后本文对上位机控制软件进行了设计。PC机通过Visual Basic 6.0的MSComm控件与单片机之间建立通信协议。关键词：三轴测试转台；无刷直流电机；仿真；数据采集；通信协议I中南大学本科毕业设计论文 AbstractTurntable as a key equipment which is used to simulate and test the semi-objects in the aviation aerospace and other fields, plays an extremely important role in the aerocrafts development process. The research and manufacture on the turntable is of great significance to aviation and aerospace industry and the development of national defense. Firstly, the thesis through the understanding of three-axle tables structure and principle, the thesis designed a servo control system of turntable. The speed control system of Brushless DC Motor was simulated through Simulation environment.Then, the thesis introduced AT89S52 SCM(Single Chip Microcomputer), and analysed the Data Acquisition System of the AT89S52 SCM, and also designed the Communication Systems between PC and AT89S52 SCM.Finally, the thesis designed the control software of PC. Through MSComm control of Visual Basic 6.0, the communication protocols was established between PC and AT89S52 SCM.Keywords: three-axle table; Brushless DC Motor; simulation; data acquisition; communication protocol II中南大学本科毕业设计论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1课题研究的背景与意义1.1.1无人机简介无人机(Unmanned Aerial Vehicles ,UAV) 是当今世界上军用武器发展的一个热点。无人机通常是指无人驾驶、自主推进,由无线电遥控或自身程序控制, 利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器。20 世纪60 年代初,美国首先将无人机用于军事侦察,此后无人机先后参加了越南战争、中东战争、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争及近期的伊拉克战争,均发挥了重要作用。海湾战争中,美国海军在“威斯康星”和“密苏里”号战列舰上配置了多架“先锋”舰载无人机,这些无人机出动500 多次执行了情报侦察、战场监视、目标指示、战损评估等任务, 取得了不俗的战绩。科索沃战争中,北约再次使用了大量无人机,美国的12架“掠夺者”无人机在战区实施了不间断的侦察与监视,为北约提供了大量的实时情报信息,美海军的“先锋”舰载无人机还多次承担了战损评估等任务。美国中空战术无人机“捕食者( Predator) ”在对阿富汗的军事行动中,曾在12架该机上发射了115枚“海尔法”式反装甲导弹,并为有人飞机投掷激光制导炸弹指示攻击目标525次,首开了无人机用于攻击作战之先河。在伊拉战争中,无人侦察飞机在战场上空不间断“盘旋”,给前线指挥员提供了第一手的敌情画面,发挥了通信中继站的作用,将战场上的图像情报及通信信息传送到作战指挥中心。无人机在执行任务方面远比有人机更具特点和优点，因而也更有效。有人预言，无人作战飞机（UCAV)将有可能成为21世纪空中作战的新式武器，成为空中作战的主导力量。还应指出，除军用外，无人机在民用领域也有极为广泛的应用前景1。图 1-1 “捕食者”号无人机1.1.2 转台在航空领域中的作用航空、航天工业的发展水平是一个国家的科技能力、经济实力和国防实力的重要标志。航空、航天技术不但在国防领域中有举足轻重的地位，在民用方面也有着重要的意义。惯性导航和制导技术是航空、航天与航海领域里的一项核心技术，同步卫星的准确定位、人类成功登上月球、航天飞机的飞行成功、飞行器的准确定位与自动跟踪等都采用了高精度的惯性导航和制导技术。近年来发生的一些战争已证明飞行器在现代化武器装备中日趋重要。随着航空、航天与航海事业的飞速发展，对惯性导航与制导系统的工作精度也不断地提出新的要求。航空转台仿真系统是国家航空航天领域设计和研制出新的飞行器后进行试飞试航的前期模拟系统，是进行半实物仿真和实现陀螺仪精确测试、标定和检验的必需工具，在飞行器的研制过程中起着极其重要的作用。三轴测试转台可以在实验室条件下模拟飞行器在空中实际飞行时的各种姿态，复现其运动时的动力学特征，从而对它们的制导系统、控制系统及其相应器件的性能进行反复仿真和测试，获得试验数据，并据此对其进行重新设计和改进，达到总体设计的性能指标要求。仿真转台性能的优劣直接关系到仿真实验的逼真性和置信度，是保证航空、航天型号产品和武器系统的精度和性能的基础。随着飞行器型号的不断更新，性能的日益提高，对导航和制导设备的性能和精度的要求也在不断提高。这就给仿真转台的整体制造水平提出了新的课题，也给转台控制系统的设计与实现提出了更高的要求23。1.2 现在转台的研究方向通过对法国WUILFERT公司以及瑞士Acutronics公司、美国的Carco公司、Ideal Aerosmith公司，Geniso公司、Benton公司研制的测试设备的性能进行比较来看，法国WUILFERT公司的转台产品对现今转台的发展现状具有一定的代表性。WUILFERT公司经过四年的发展目前已成为欧洲运动模拟器领域的领先者，并在1998年成功对美国CGC公司70年代研制的53M2型三轴模拟转台进行了改型：使用新型高精度光学编码器替代720对极感应同步器和直流测速计以及应用DDC数字控制方案代替以前的MPACS外部设备拥有图形用户界面，运行环境为WINDOWSNT，IEEE488.2和RS232C，40位并行口，模拟输入、输出接口。由于欧洲航天界正在进行产业重组，扩大与美国航天界的竞争，因此有必要通过对WUILFERT公司产品的了解，以便我们对欧洲惯性技术的发展有着进一步的了解4。WUILFERT公司研制的测试转台的主要产品，其机械台体为钢型材焊接机械轴系结构，测角系统的角位置、角速率传感器采用高分辨率、高稳定性的高精度光学编码器，驱动元件采用大力矩、高转速的高性能无刷力矩电机、控制系统采用纯数字控制方案。由于编码器和控制器只是作为PC机的一个外设，所以其转台的电气系统成为一个真正的数字控制系统5。ILFE公司研制的测试转台从结构上可分为单轴、双轴和三轴系列，且都可以选装温控箱、真空箱设备；从精度指标上分为二个等级；从功能上具有位置、速率、摇摆、振动等功能。从欧洲转台的发展状况和美国一些公司的转台产品可以知道，在采用感应同步器作为测角元件的转台与我国目前研制的转台的性能指标相当，但与采用高精度光学编码器和采用感应同步器与绝对光学编码器混合使用作为测角元件的转台指标还有一定的差距，并且纯数字控制系统的转台仍处于实验室阶段。因此,今后我国转台的研制应该考虑朝以下几个方面发展：67(1) 机械方面：加强高精度轴系、结构和转台框架的材料方面的研究，尽量减小轴系的晃动，改善转台的对称性和偏转特性以及减轻框架轴系的转动惯量。(2) 驱动元件：采用大力矩、高转速无刷直流力矩电机或大力矩、高转速交流力矩电机。尽量减小因摩擦力矩而造成的控制精度问题。(3) 位置传感器：采用高精度光学编码器作为角位置传感器，并且应加快720对极感应同步器的研制，提高系统角位置的分辨力。(4) 控制系统：研制DDC纯数字控制系统，利用数字状态反馈技术实现消除漂移、误差模型补偿，完成基于现代控制理论的智能控制算法，提供被控轴的控制方式并且克服模拟元件产生的电磁干扰，提高系统的抗干扰能力，从而提高转台系统的控制精度。(5) 可靠性和稳定性：采用数字化、模块化、标准化测量控制系统，它是转台系统可靠性和稳定性的关键所在并且这种系统开发、使用、检测、维护都很方便，给用户和转台研制单位都带来极大的便利。(6) 检测方法：深入超低速的速率精度和速率平稳性、动态测角精度检测方法的研究。(7) 加强功能性专一的转台设备的研究，降低多用性，使转台简化。避免多种功能集于一种转台的误区。1.3 本文的主要研究内容本论文以实际课题为背景，对设计过程中的一些理论和实际问题进行了分析研究。在该课题中我主要承担三轴测试转台控制器的设计。论文研究的主要内容如下：第一章 ：陈述了课题研究的背景和意义，指出了目前三轴测试转台的研究方向。第二章 ：根据三轴测试转台的原理，主要设计了三轴测试转台的控制系统，由于普通上位机不适宜直接控制无刷直流电机，所以系统采用上位机和下位机两级控制结构。本章重点对无刷直流电机进行了研究，对无刷直流电机的结构原理、传递函数模型和无刷直流电机的PID控制进行了详细的分析。第三章 ：根据对无刷直流电机控制要求，选取AT89S52单片机作为下位机控制器。重点设计了基于单片机的数据采集系统和串口通信系统。第四章 ：为方便控制软件的界面设计以及与下位机控制器之间的通信设计，本文采用了Visual Basic 6.0作为上位机控制软件开发平台。Visual Basic 6.0可以很方便的使用MSComm控件来完成与单片机之间的串口通信功能。3中南大学本科毕业设计论文 第二章 三轴测试转台原理及控制系统设计第二章 三轴测试转台原理及控制系统设计2.1 三轴测试转台的结构及原理三轴测试转台主要由底座，内环电机、内框架、内环轴，中环电机、中框架、中环轴，外环电机、外框架、外环轴等部分组成。其整体结构如图2-1所示。图2-1 三轴测试转台三维结构图三轴测试转台可以通过对其三个框架施以不同的运动来模拟飞行器在空中的各种飞行动作和姿态。转台的内、中、外三个框架分别复现飞行器的偏航、俯仰和横滚运动，以便使安装在转台上的飞控系统敏感元件感受到飞行器在空中绕其重心的三自由度的角运动，因此转台既可用于标定惯性敏感元件(如陀螺仪、加速度计等)，也可以用于对飞控系统进行实时半实物仿真实验8。三轴测试转台具有内、中、外三个回转自由度的万向框架，如图2-2所示每个框架由一套驱动元件驱动，负责控制转台的一个方向运动。其中，外框架负责飞行器偏航姿态模拟，中框架负责飞行器俯仰姿态模拟，内框架负责飞行器自旋转模拟。三个框架组合运动，便可以模拟飞行器在空中的各种飞行姿态9。图2-2三轴测试转台的框架结构示意图2.2 三轴测试转台控制系统的原理由于普通上位计算机不适宜直接控制电机，所以系统采用上位机和下位机两级控制结构。总体控制原理方案如图2-3所示。图2-3 系统总体控制原理方案1、综合管理级(上位机)上位机由普通PC机构成，形成转台系统的集中监控、综合管理级。主要完成系统的指令下达、综合管理、性能检测、安全保护及数据处理等功能。利用上位机控制软件可以直接从键盘输入控制指令和修改系统参数，并能接收显示转台的各种状态信息。2、直接控制级(下位机)下位机是转台控制系统的直接控制级，构成转台内、中、外框三个独立的控制回路。下位机控制器直接驱动和控制电机转动，并能够接收来自编码器反馈回来的三轴测试转台位置、转速和转向信息，构成闭环控制系统。上、下位机之间可以通过串口来完成通信任务。2.3 无刷直流电机的选择转台控制系统对所用的电机要求如下：（1） 灵活方便控制，定位准确精度高。（2） 可靠性高。（3） 响应快，换向性能好。（4） 体积小。根据同组的王清波同学对三轴测试转台结构的设计可知，三轴测试转台的内、外、中框选用了FAULHABER公司的无刷直流电机。由于三轴测试转台三个框架工作原理相同，本文以内框架控制设计为例，内框无刷直流电机型号为2444 024B。无刷直流电机采用方波励磁形式，提高了永磁材料的利用率，减小了电机体积，增大了电机出力，具有高效率、高可靠性的特点，同时还具有良好的调速特性，易于控制及响应快等优点10。无刷直流电动机的结构原理图如图2-4所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其它气动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2P = 2,4,)组成。图2-4中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件相联接，在图2-4中的A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1, V2, V3相接。位置传感器负责跟踪转子并与电动机的转轴相联接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相11。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。图2-4 无刷直流电动机结构原理图因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-5所示。图2-5 无刷直流电动机的原理框图电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似，均在电动机气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于:直流无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的永久磁钢装在定子上12。无刷直流电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑单元是控制电路的核心，其功能是将电源功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通顺序和时间主要取决于转子位置传感器信号13。2.4 无刷直流电机传递函数模型传递函数是控制理论最重要的概念之一，研究无刷直流电机的传递函数，对分析电机工作特性和设计电机控制系统都具有指导意义。和传统有刷直流电机相比，无刷直流电机需要根据转子的不同位置来给对应相的电枢绕组通电，其相数常被设计为三相或者多相。但是对每一相导通的电枢绕组而言，其反电势和电磁转矩生成的原理和过程与传统的有刷直流电机完全类似，所以分析过程也相似。传递函数的推导以三相全桥驱动、定子绕组两两通电方式位例。此时每两相定子绕组导通的状态持续60电角，电机运转的每个电气周期历经6次换相。换相过程中由于二极管续流作用，三相绕组均有电流流通。当关断相的电流减小为0时，二极管停止续流，此时换相过程结束，电机处在新的两相导通状态。换相过程引起换相转矩脉动，是无刷直流电机重要的动态过程。但是由于其持续时间相对很短，对电气量的有效值影响较小，因此在稳态分析和传递函数推导中将其忽略以简化计算。近似认为仅有两相绕组导通，其电流大小相等、方向相反1415。无刷直流电机的等效电路如图2-6所示：直流母线电压（V）绕组线电阻（）绕组等效线电感（H）感应电动势（V）电机电磁转矩（N.m） 转子转动惯量（）黏滞摩擦系数（）流过电枢的电流（A）电机输出的转角（rad）图2-6无刷直流电机两相绕组通电时的等效电路根据基尔霍夫定律和牛顿第二定律可得出无刷直流电机的数学模型（空载）如下：1、 电磁的转矩与电流成正比： (2-1) 2、 当电机转动时，电枢会产生一个感应电动势，其大小和磁场的强度以及转动的速度成正比，当磁场一定时，感应电动势和成正比： (2-2)3、 电机的速度取决于电枢两端的电压，电机的电气关系如下： (2-3)4、 转矩的平衡方程： （T为外加负载转矩） (2-4)综合方程（1）、（2）、（3）、（4）得到电机的基本方程如下： (2-5) (2-6) (2-7)由方程（5）、（6）、（7）可得： (2-8)方程（8）经拉普拉斯变换可得电机位置传递函数： (2-9)由方程（9）可得电机速度传递函数： (2-10)根据上述推导过程，可建立无刷直流电机的系统结构图，如图2-7所示。KmKe U(s)I(s)Tg(s)(s) - Ea(s)图2-7 无刷直流电机系统结构图2.5 无刷直流电机的PID控制本文对无刷直流电机采用PID( Proportional Integral Derivative)控制，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。PID控制是将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制16。常规的模拟PID控制系统原理框图如图2-8所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)： e(t)=r(t)-y(t) (2-12)e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为 (2-13)其中：控制器的比例系数 控制器的积分时间，也称积分系数 控制器的微分时间，也称微分系数比例积分微分被控对象r（t) u(t) y(t) - 图2-8 PID控制系统原理图PID控制的传递函数 (2-14)输出信号和输入信号的关系： (2-15)在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误差；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速度。因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能17。比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数必须选择恰当，才能达到过渡时间少，静差小而又稳定的效果。 积分部分可以消除或减小系统的偏差,使系统的稳态性能得到改善。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定。微分环节的作用是阻止偏差的变化,它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。微分部分的作用由微分时间常数决定。当越大时，则它抑制偏差变化的作用越强；越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数，可以使微分作用达到最优。将无刷直流电机参数带入公式（2-10）可得无刷直流电机的速度传递函数，无刷直流电机的速度PID控制框图如图2-9所示。图2-9 速度控制系统的仿真框图图2-9系统在simulink环境下的仿真1819结果如图2-10所示。P=6I=6.5D=1图2-10 速度系统仿真图12中南大学本科毕业设计论文 第三章 三轴测试转台控制系统给的实现第三章 三轴测试转台控制系统的实现本文选取AT89S52单片机作为下位机控制器。无刷直流电机控制原理图如图3-1所示。AT89S52是一种低功耗、高性能COMS 8位微控制器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。AT89S52单片机还内置WDT看门狗定时器。52单片机与51单片机相比，不仅存储容量增大，而且还增加16位定时/计数器T2，若T2用作波特率发生器可容易获得较高的通信速率20。图3-1 无刷直流电机控制原理图AT89S52单片机作为下位机控制器主要完成以下工作：（1） 通过串口完成与上位机的通信、接受设备随动控制指令，发送采集的数据和工作状态。（2） 根据光电编码器输出的信息，实现变M/T法测速；利用I/O口通过编程直接输出PWM信号至功放电路，控制无刷直流电机的运行，完成速度环和位置环的闭环控制。（3） 上位机送来的速度环或位置环的参数，由AT89S52自动完成对无刷直流电机的控制，进而控制三轴测试转台。3.1 数据采集系统为了实现对三轴测试转台各框架数据的精确采集，本文使用光电编码器作为数据检测系统的核心部件。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与三轴测试转台内框同轴（以内框为例），电动机旋转时，光栅盘与内框架同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-2所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前转台框架的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。图3-2 光电编码器工作原理示意图3.1.1 常用的测速方法常用的测速方法有3种：分别为T法、M法、和M/T法。T法时通过计量编码器两相邻脉冲的时间间隔来确定转速，该方法在转速高时准确性较差，一般适用于速度比较低的场合，M法时通过测量一段固定时间内编码器的脉冲数来确定转速，适合于高速场合，而M/T法则是前两种方法的结合，在整个速度范围内都有较好的准确性。但在低速时为保证结果的准确性，该方法需要较长的检测时间，这样就无法满足转速检测系统的快速动态响应指标，因而又出现了变M/T测速法。变M/T测速法原理如图3-3所示21。所谓变M/T法，是指测速过程中，既检测光电编码器计数脉冲,还同时检测高频时钟脉冲，检测时间T始终等于个脉冲信号周期之和。个数可预置，但显然检测时间T不是固定的，T随着转速的升高而减少。变M/T法测量原理如图3-3所示。其中测量时间T由高频时钟脉冲计取，即,为高频时钟脉冲计数值，为高频时钟周期。设内框架每转发出D个光电编码脉冲，以四倍频为例：四倍频后每转得到4D个测速脉冲，则对应的转角为。由此可以得到变M/T法的三轴转台内框架每分钟转速测量值计算公式： (rpm) (2-16)据此计算出三轴测试转台内框架的实时转速。随着内框架转速的升高，检测时间T相应变短，转速测量的实时性也随着提高，用变M/T法实现的转速测量能够满足控制系统对转速测量的精度和实时性的要求。图3-3 变M/T法测速原理3.1.2 数据采集原理采用光电编码器完成反馈控制的原理如图3-4所示。光电编码器与三轴测试转台内框架主轴直接联接，从而使编码器转速与内框架完全一致。其工作原理是：光电编码器随内框架旋转，产生与转速成正比的两相（A相、B相）相差90相位角的正交编码脉冲。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量出转动方向，由此可测出三轴测试转台内框架的转速与转向。光电编码器在低速时输出脉冲数较少，按一般的方法应用很难保证精确性。为了提高测量精度和分辨率，除选用高分辨率的光电编码器外，还可以将编码器的输出脉冲进行多倍频细分，再有计数器对产生的多倍频脉冲信号进行计数。通过测量时间T和在时间T内计数器对被测脉冲信号的计数值M，计算后就可以确定内框架的转速。速度给定数据由主控计算机送来，与实测的转速数据相比较，控制系统根据比较结果输出控制参数，完成速度反馈的闭环控制。数据采集系统电路图如图3-5所示。图3-4 数据采集系统框图图3-5 数据采集系统电路图3.2串口通信系统单片机和上位机之间的数据通信是整个系统的基础，单片机和PC的通信时通过单片机的串口和PC机之间的硬件连接实现。单片机从一个I/O引脚逐位传输一系列二进制编码数据，就是串行通信，即“串行通信”时指外设和计算机间使用一根数据信号线，数据在信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一根固定的时间长度。使用单片机自身带有的串口可以很方便的实现单片机和PC机之间的串行通信。串行通信的优点在于远程通信和上下位机通信，缺点在于通信速度较慢。AT89S52单片机是通过自身的串口完成通信，该串口时一个可编程的全双工串行通信接口，用作异步通信方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连。微机通信使用RS-232通信协议，RS-232标准全称是EIA-RS-232C标准，是美国EIA（电子工业协会）与BELL公司开发的，它适合于在数据传输率为0-20000bit/s范围内的通信222324。单片机以其体积小、价格低、抗干扰性好等特点，在现代控制系统中常用在操作现场进行数据采集以实现现场控制。但由于其数据存储容量和数据处理能力较低，通过通信和PC机相连，把采集到的数据传送到PC机上，再在PC机上进行数据处理。单片机和PC串口的三个引脚（RDX、TXD、GND）分别连接在一起，即PC和单片机的发送数据TXD与接收数据RXD交叉连接，两者的地线GND直接相连。由于单片机的TTL逻辑电平和RS-232C的电气特性完全不同，RS-232C的逻辑0电平规定为+5V+15V之间，逻辑1电平为-5V-15V之间，因此将PC机和单片机的RXD和TXD交叉连接时必须进行电平转换，这里选用MAX232电平转换芯片。单片机和PC机的串口通信原理如图3-6所示2526。上、下位机串口通信电路图如图3-7所示。图3-6 串口通信原理方案图3-7 串口通信电路图本文设计的串行通信采用中断方式响应通信中断标志TI和RI，单片机的工作状态受控于PC机发出的指令。对单片机的异步串行接口（USART）的初始化使用以下语句完成。 MOV RCAP2H, #0FFH ; 设定重装常数 MOV RCAP2L, #0D9H ; 12MHz，波特率为9600b/s MOV TH2,RCAP2H ; 设定T2计数初值 MOV TL2, RCAP2L; MOV T2CON,#30H; 设置T2为波特率发生器 MOV SCON,#50H ; 设定串行口模式1（N,8,1),允许接收 SETB TR2 ; 启动T2运行 SETB ES ; 开串行口中断 SETB EA ; 开总中断通信测试子程序用下列语句完成。REC : MOV A, SBUF CJNE A,#41H ,ENDR; MOV SBUF, A ; 相等，则回复PC机，成功通信；不相等，告诉PC通信出错 JNB TI , $ CLR TI CLR RI RETENDR: CLR RI RET单片机控制系统主程序流程图如图3-8所示。光电编码器把检测到框架的转向、位置和速度信息转化为数字量。单片机再通过光电编码器采集到框架的转向、位置和速度信息，然后再通过串口将数据发送给上位机。图3-8 数据采集主程序流程图串口中断服务子程序如同3-9所示。串口中断服务子程序主要完成数据的发生和接受工作。图3-9 串口中断服务子程序 20中南大学本科毕业设计论文 第四章 上位机软件开发第四章 上位机软件开发4.1上位机控制软件选取为了方便设计，选取visual basic6.0作为上位机控制编程软件。Visual Basic 6.0的程序开发界面是可视化的图形界面，开发的应用程序也是windows图形界面程序。在可视化开发环境中，编程时一种更轻松、愉快和高效的智力活动。 Visual Basic的集成开发环境主窗口如图4-1所示：图4-1 VB的集成开发环境主窗口4.2 Visual Basic的功能特点（1）具有基于对象的可视化设计工具用传统程序设计语言设计程序时，都是通过编写程序代码来设计用户界面，在设计过程中看不到界面的实际显示效果，必须编译后运行程序才能观察。如果对界面的效果不满意，还要回到程序中修改。有时候，这种编程-编译-修改的操作可能要反复多次，大大影响了软件开发效率。Visual Basic提供了可视化设计工具，把Windows界面设计的复杂性“封装”起来，开发人员不必为界面设计而编写大量程序代码。只需要按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种“部件”，即图形对象，并设置这些图形对象的属性。Visual Basic自动产生界面设计代码，程序设计人员只需要编写实现程序功能的那部分代码，从而可以大大提高程序设计的效率。4.0