基于CDC的高精度工作平台电子自动安平系统

　　0　引　　言

　　在许多仪器设备中,常常要求某一基准工作面始终保持“绝对”水平位置,不受底座倾斜或外界干扰的影响。随着现代技术的进步,仪器的安平方式已由传统的基准泡人为调平发展为仪器的智能自动补偿安平。为了设计一种低成本、高精度的工作平台电子自动安平系统,本文采用电容数字转换器AD7746与精密电子水泡配合使用,直接将倾斜度信息转换成数字量交由单片机ADuC841进行处理。单片机通过自带PWM信号输出控制调平电机进行水平调节,构成闭环的水平控制系统。该系统精度高,成本低,可移植到很多应用中,保证工作平台的“绝对”水平。

　　1　系统硬件电路

　　本文的电子自动安平系统采用倾角传感器监测工作面的倾斜度大小和方向,利用调平电机对工作面进行实时修正。该系统的硬件电路分为水平监测和水平调节两部分。

　　1.1　水平监测电路

　　本系统选用高灵敏度电子水泡作为水平监测传感器。该电子水泡基于差动电容原理,可根据其输出电容值大小测量平台倾斜度。当传感器处于水平位置时,传感器输出差动电容值为零。其在水平位置附近灵敏度可达2″。选用AD7746电容数字转换器(CDC)芯片作为传感器信号调理电路,它在一个芯片上集成电容到数字转换需要的所有电路,几乎不需要外部元件便可实现分辨率达到aF量级的电容数字转换,大大降低了设计难度和成本。仪器的水平监测部分硬件电路如图1所示。在工作平台上两个电子水泡,分别检测工作平台X、Y轴方向倾斜度。选择AD7746的差动输入工作模式,传感器X、Y分别接在两个差动输入通道上。AD7746将所测电容值转换成数字量,通过I2C总线与ADuC841通信。I2C总线的串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL),都要求通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压。将AD7746的RDY接ADuC841的INT0脚,AD7746电容转换完成后,RDY脚将被置低,单片机响应中断,进入中断子程序进行数据处理。

　　1.2　水平调节电路

　　L298内部集成有两个桥式电路,本文利用它来驱动直流电机。每一组PWM波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个芯片内包含有8个功率管,简化了电路的复杂性。图2给出了电机驱动调速电路,直流电机采用6 V供电。P2.0、P2.1控制第一个电机的转动方向,P2.6输出的PWM控制第一个电机的速度;P2.2、P2.3控制第二个电机的转动方向,P2.7的PWM控制第二个电机的速度。P2.4、P2.5分别接ENA、ENB控制电机的停转。

　　2　系统软件控制

　　系统软件流程如图3所示。首先单片机ADuC841作为主机发送I2C总线起始条件,设置AD7746使其工作在差动电容测量模式,选择单次转换,并选择电容转换通道1或2。AD7746电容数字转换完成后,单片机进入外部中断0子程序,对AD77463字节转换结果数据进行读取,最后,单片机发出I2C停止条件。单片机读入3字节数据后,判断倾斜度大小和方向,对调平电机进行PID调速控制。单片机读入3字节倾斜度数据后,首先求出预先设置的水平基准值偏差(3字节),如果所得偏差高、中字节部不都为零,则设置单片机PWM信号输出空占比为1,电机全速运转。否则,做以偏差低字节为自变量的PID算法。在本系统的PID控制算法采用经典的增量式PID公式,即:ΔU(n) =Kp.[e(n)-e(n-1)]+Ki.e(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]式中:e(n)为第n个转换结果的3字节偏差的低字节,本系统中,对电机调速的稳态误差要求不高,可以只使用PD算法即可以达到较理想的效果。Kp、Kd的值根据不同的系统,作具体选择。