朱 碩，韓 森，唐壽鴻，盧慶杰，王 芳

（1．上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2．蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215123）

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)儀器的加工制造精度有了更高的要求。在進(jìn)入納米制造的今天，檢測(cè)和制造兩者形影相隨。波面檢定儀作為光學(xué)領(lǐng)域中十分重要的精密檢測(cè)儀器，被廣泛應(yīng)用于高精度檢測(cè)中。傳統(tǒng)波面檢定儀的調(diào)節(jié)大都是手動(dòng)調(diào)節(jié)，其操作相對(duì)復(fù)雜，調(diào)節(jié)速度慢、調(diào)節(jié)效率低且受人為因素影響較大。對(duì)此，上海理工大學(xué)和蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司研究出通過無線遙控的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)的方案，解決了波面檢定儀手動(dòng)調(diào)節(jié)的一系列弊端。調(diào)節(jié)控制單元主要由高精密直流電機(jī)執(zhí)行，在執(zhí)行過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不是隨意進(jìn)行的，而是在達(dá)到一定位置時(shí)，需要及時(shí)停止并反饋相應(yīng)的信息[1-2]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波面檢定儀無線調(diào)節(jié)單元的限位控制，本文提出了一套限位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。硬件設(shè)計(jì)采用CC2530控制模塊與限位電路相結(jié)合的方式，同時(shí)在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境中編寫限位程序，并且通過MSComm串口通信上位機(jī)程序獲取控制板ADC模塊采集到的信息，以方便觀察限位狀態(tài)是否及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)娇刂颇K中。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，該限位系統(tǒng)在限位控制中具有良好的可行性。

1 波面檢定儀工作原理及限位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 波面檢定儀工作原理

波面檢定儀是一種利用光學(xué)干涉計(jì)量原理進(jìn)行測(cè)量的儀器，儀器中的兩路光經(jīng)參考面與被測(cè)樣品后存在一定的光程差，從而產(chǎn)生干涉條紋，再通過CCD相機(jī)對(duì)產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行采集和分析，就可以對(duì)待測(cè)樣品的表面形貌等信息進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。該儀器具有精度高、非接觸、快速、抗干擾等特點(diǎn)[3-4]。圖1為利用精密直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)波面檢定儀示意圖，圖中由電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾光片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)漸變?yōu)V光片旋轉(zhuǎn)時(shí)光透過率連續(xù)改變，由此可以調(diào)節(jié)干涉條紋的強(qiáng)度[5]。調(diào)整光強(qiáng)過程中，需保證光強(qiáng)在CCD的線性響應(yīng)區(qū)間內(nèi)，故調(diào)節(jié)需要有一定的范圍限制。

1.2 精密直流電機(jī)極限位置停止方案

利用無線調(diào)節(jié)裝置對(duì)波面檢定儀進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)精密直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定程度時(shí)需要對(duì)電機(jī)工作及時(shí)停止。此時(shí)通過限位開關(guān)來限制精密直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的行程，并利用機(jī)械部件的移動(dòng)使限位開關(guān)按下或彈起來實(shí)現(xiàn)接通或斷開電路。在限位系統(tǒng)中，我們使用常開型單刀雙擲開關(guān)來改變精密直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.3 確定限位狀態(tài)方案

限位模塊對(duì)精密直流電機(jī)限位時(shí)，需對(duì)精密直流電機(jī)達(dá)到極限位置的狀態(tài)進(jìn)行獲取。獲取限位信息的方案如圖2所示，本方案充分利用現(xiàn)有CC2530控制模塊的單片機(jī)引腳，盡可能地利用I/O口做外設(shè)使用，并使用單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)精密直流電機(jī)限位狀態(tài)的獲取。本方案使用CC2530單片機(jī)的一個(gè)引腳作為信號(hào)的ADC輸入，并將參考電壓設(shè)為3.3 V，因不同的開關(guān)對(duì)應(yīng)不同的電阻值，故ADC模塊采集到的電壓也就各不相同。通過設(shè)計(jì)的電路將不同微動(dòng)開關(guān)觸發(fā)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0至3.3 V的電壓模擬量，A/D轉(zhuǎn)換模塊再將電壓模擬量轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量。

圖2 限位信息獲取方案Fig. 2 Position limit information acquisition design

2 限位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

波面檢定儀限位系統(tǒng)主要由無線遙控模塊控制，并由CC2530芯片的一個(gè)引腳獲取限位信息。電源模塊給CC2530控制板提供12 V和5 V的電源，分別給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和邏輯部分供電。限位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在實(shí)驗(yàn)中，CC2530控制板通過控制L298N驅(qū)動(dòng)板使精密直流電機(jī)工作，當(dāng)電機(jī)某個(gè)方向轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)觸發(fā)限位開關(guān)，使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)[6]。

圖3 限位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Position limit system hardware structure

圖4為限位電路原理圖，精密直流電機(jī)正轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)K11，反轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)觸發(fā)限位開關(guān)K12。限位開關(guān)觸發(fā)時(shí)，設(shè)置電阻R1與R2不同，單片機(jī)所采集到的電壓會(huì)不相同，根據(jù)電壓值大小即可判斷出精密直流電機(jī)的極限位置。觸發(fā)的限位開關(guān)通過ADC模塊將限位信息傳達(dá)到控制模塊，控制板進(jìn)而讀出調(diào)節(jié)單元的限位信息。

3 限位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中波面檢定儀無線調(diào)節(jié)單元的限位系統(tǒng)是基于TI公司提供的Basic RF協(xié)議，為系統(tǒng)提供一個(gè)數(shù)據(jù)鏈層并且用于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信。限位模塊控制程序主要使用C語言編寫，通過按下無線調(diào)節(jié)的遙控板功能按鍵將指令發(fā)出。當(dāng)調(diào)節(jié)單元達(dá)到極限位置時(shí)，即觸發(fā)限位開關(guān)使精密直流電機(jī)停止目前方向的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)改變相應(yīng)引腳電平，為下一步調(diào)節(jié)做準(zhǔn)備[7]。

圖4 限位電路原理圖Fig. 4 Position limit circuit

在精密直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過改變PWM波的占空比對(duì)精密直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。在限位系統(tǒng)控制程序中，設(shè)定三種不同的脈沖寬度調(diào)制方式，對(duì)電機(jī)低速、中速及高速的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，這樣就可以在使用波面檢定儀測(cè)量樣品時(shí)，結(jié)合干涉條紋圖像選擇不同的調(diào)節(jié)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在軟件系統(tǒng)中編寫了MSComm串口通信上位機(jī)程序，以此對(duì)CC2530控制板ADC模塊采集到的電壓信息進(jìn)行獲取和顯示，檢驗(yàn)限位狀態(tài)是否及時(shí)準(zhǔn)確地傳送到單片機(jī)。限位系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)限位系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建和控制程序編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波面檢定儀無線調(diào)節(jié)單元的限位要求。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)精密直流電機(jī)達(dá)到極限位置時(shí)可以及時(shí)停止，并通過MSComm串口通信上位機(jī)程序直觀地看到ADC模塊采集到的限位電壓信息。圖6即為精密直流電機(jī)在正轉(zhuǎn)過程中達(dá)到極限位置時(shí)反饋回來的限位電壓信息。

當(dāng)ADC模塊獲取限位電壓后，CC2530控制模塊對(duì)采集到的限位電壓進(jìn)行判斷，繼而執(zhí)行相應(yīng)的指令，限位電壓誤差允許范圍為±0.2 V。不同限位開關(guān)觸發(fā)時(shí)的理論電壓是不相同的，為了進(jìn)一步驗(yàn)證限位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，還搭建了原理相同的另外兩套限位系統(tǒng)，分別用K21、K22和K31、K32表示兩套系統(tǒng)中的開關(guān)，且每個(gè)開關(guān)串聯(lián)的電阻不同。通過串口軟件助手采集到的限位電壓如表1所示。

圖5 限位系統(tǒng)程序流程Fig. 5 Position limit program process

圖6 電機(jī)正轉(zhuǎn)達(dá)到極限位置時(shí)的串口顯示圖Fig. 6 The serial port display when the motor reaches the limitation

5 結(jié) 論

本文針對(duì)波面檢定儀中精密直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)有極限位置的情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的限位系統(tǒng)。該限位系統(tǒng)利用限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)精密直流電機(jī)極限位置的控制，在限位電路中，采用CC2530單片機(jī)的ADC模塊獲取觸發(fā)限位開關(guān)的信息并判斷精密直流電機(jī)的限位狀態(tài)。波面檢定儀無線調(diào)節(jié)單元的限位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)節(jié)單元的限位控制，避免了無線調(diào)節(jié)波面檢定儀時(shí)單向卡死及過度調(diào)節(jié)的問題。通過限位系統(tǒng)的使用，確保了精密直流電機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)及光學(xué)部件高精度配合的要求，進(jìn)而保證了對(duì)待測(cè)樣品面形的精確測(cè)量。

表1 限位電路理論輸入電壓和實(shí)際采集電壓Tab. 1 Position limit circuit theoretical input voltage and the actual acquisition voltage