基于DSP的加速度传感器测试平台控制系统设计

基于DSP的加速度传感器测试平台控制系统设计
王华;石云波;王艳阳;焦佳伟;邹坤
【摘要】Aiming at the problem that the static and dynamic calibration of the existing acceleration sensor is time-consuming,low efficiency,high cost and limited calibration capability,the mass test platform of the acceleration sensor is designed.Through the DSP control of the motor and the automatic locking device,as well as the Angle sensor data acquisition and detection limit switch,the control operation of the test platform device is carried out.A control instruction is sent to control system by PC software to realize the control of test platform,the test of acceleration sensor static and dynamic performance.%针对现有加速度传感器静动态标定测试耗时多、效率低、成本高以及标定校准能力有限的问题,设计了加速度传感器批量测试平台.通过DSP对电机和自动锁紧装置的控制,以及倾角传感器的数据采集和限位开关的检测,对测试平台装置进行控制操作.系统设计有上位机软件,能够通过计算机上的上位机软件向控制系统发出控制指令,实现测试平台的控制,达到了加速度传感器的静动态性能测试.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2017(040)003
【总页数】6页(P662-667)
【关键词】加速度传感器;控制系统;DSP;标定测试
【作者】王华;石云波;王艳阳;焦佳伟;邹坤
【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;中北大学电子
测试技术国家重点实验室,太原 030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;中北大学电子测
试技术国家重点实验室,太原 030051
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
MEMS加速度传感器具有体积小、功耗低、精度高等优点,已应用在不同的领域[1]。

针对现有的MEMS加速度传感器静动态标定耗时多、效率低、成本高以及标定校准能力有限的问题,设计了加速度传感器批量标定测试平台,以此为基础设计了基于DSP的加速度传感器测试平台的控制系统。

该系统能够通过DSP对电机和自动锁紧装置的控制,倾角传感器的数据采集和限位开关的检测,以及其他控制操作,实现加速度传感器静动态性能批量标定测试,可以一次得到加速度传感器的性能指标的定
量测试。

批量测试平台包含了静态高精度翻转装置与动态振动标定装置,可以实现加速度传
感器的静动态特性标定。

静态测试时,由步进电机驱动传感器载体进行翻滚试验;动
态测试时,传感器载体由自动锁紧机构固定在振动台面上进行振动测试。

测试平台
机械结构如图1所示。

加速度传感器的静态标定主要采用重力场翻滚试验[2],其机构如图2所示,该装置由水平电机实现对传感器载体的锁紧,竖直电机实现传感器载体的升降,翻转电机实现
传感器载体的正反转,倾角传感器提供翻转角度反馈。

在动态性能测试时,传感器需要与振动台面紧密结合,当翻滚试验完成后,控制机构驱动翻转平台向下移动,当翻转平台与振动台面接触后,自动锁紧装置启动,气缸夹紧载体,使两者紧密结合。

为了实现对各个运动机构的控制,根据设计目标使用TI的DSP作为控制系统的主控制器。

该控制系统以DSP为核心处理器,充分利用了芯片的高速度、浮点计算等特性及丰富的外设资源,在片外存储空间扩展了双端口 RAM 可以与不同的总线机制的上位机通讯,进行高速数据传输,非常适用实时信号处理及运动控制[3]。

测试平台控制系统主要包括DSP控制器,水平电机的控制模块、竖直电机的控制模块、翻转电机的控制模块、倾角传感器和光电限位开关模块、自动锁紧装置以及上位机,整体框图如图3所示。

设计的加速度传感器测试平台控制系统主要包括两个部分:
(1)测试平台静态测试部分控制和反馈系统设计
该测试部分的控制系统主要是由DSP TMS320F28335和电机驱动器MD-2522以及MD-2778组成;反馈系统则主要是由高精度倾角传感器QT210T和槽型光电开关LU674-5NA组成,其功能是驱动静态测试部分进行加速度传感器的静态参数标定测试。

静态标定时,DSP分别控制步进伺服电机驱动各运动机构进行重力场翻滚试验,在标定过程中,在加速度传感器载体上安装的高精度倾角传感器提供加速度传感器载体的实时倾斜角度,实现载体360°的多位置精确定位,同时,在运动部件的起始位置安装槽型光电开关,对测试装置的水平驱动机构和竖直驱动机构进行限位控制。

(2)测试装置动态测试部分控制系统设计
加速度传感器动态测试部分和静态部分采用同一个DSP控制器,回转夹紧气缸MKB40-10Z为执行机构,自动锁紧装置工作,通过DSP控制电磁换向阀,将DSP的开关量输出模块连接到电磁阀的线圈端。

当该模块的相对应点有电压输出时,电磁阀线圈得电,触点吸合。

无电压输出,线圈失电,触点断开,从而实现对加速度传感器载体与振动台台面的锁紧[4]。

2.1 DSP控制步进电机电路设计
测试平台中需要控制的步进伺服电机共6个,DSP输出6路PWM方波信号进行控制,选用PWM1、PWM2控制水平驱动机构中的两个步进电机SS1702A10A;用PWM2、PWM3控制竖直运动机构中的两个步进电机SS2304A42A。

PWM4、PWM5控制两个翻滚试验中的步进伺服电机。

由于TMS320F28335输出的PWM波形的高电压为3.3 V,而在本系统中,电机驱动器可接受5 V～24 V的电压脉冲信号,为解决此问题,选择芯片
SN74ALVC164245,进行电平转换,可将3.3 V转换成5 V电压[5]。

电机控制原理图如图4所示。

2.2 DSP与PC的通信电路设计
本设计选用RS-485通信模式作为计算机与DSP的通信方式,该系统选用SP3485芯片进行串行通信,该芯片采用了平衡差分接收的RS-485通信协议标准,其抗共模干扰能力强,接收灵敏度高,传输距离远[6]。

DSP 处理器TMS320F28335与SP3485芯片进行连接,构成RS-485通信接口电路,如图5所示。

电路通过光耦TLP512-4对DSP 处理器TMS320F28335和RS-485总线电路进行隔离,提高系统的抗干扰能力。

SP3485接收器和发送器的选择由DSP的GPIO20引脚控制,通过软件编程控制GPIO20脚电平,可控制SP3485处于发送或接收状态。

2.3 光电限位开关电路设计
针对目前测试平台开环控制的情况,考虑在水平和竖直部分均加入光电限位开关,以实现测试台水平和竖直运动部件的闭环控制。

选用了型号LU674-5NA的槽型关电开关传感器。

LU674-5NA槽型光电开关的电源电压为DC 5 V～24 V的广范围,动作模式备有遮光时ON/入光时ON(可切换型),响应频率为2 kHz的高速响应,入光指示灯明显,便
于进行动作确认。

根据光电开关内部电路图,设计工作电路如图6所示。

分别在水平和竖直的起始位置各安装一个上述光电限位开关,将金属挡片固定于运动部件上随之运动,光电开关光路导通时DSP测得电压为3.3 V,当金属挡片到达预定位置遮挡红外光时,测得电压为0,实现了高低电平的转换。

2.4 电源电路设计
通过LM2576HVS-12产生的12 V为倾角传感器和光电限位开关供电;通过
LM2576HVS-5产生的+5 V为主控系统提供电源,其中SN74ALVC164245等芯片直接使用该电源。

其他电路使用转换后的电源,主要通过双路输出低压降稳压器TPS767D301芯片将5 V电源转换成3.3 V和1.9 V电压。

为了增强系统稳定性,设计中增加了滤波电容,对模拟地和数字地做了隔离处理。

电源电路如图7所示。

3.1 控制主程序设计
控制系统软件的设计根据系统的硬件电路设计,按照控制系统的工作原理和功能要求,进行程序的编写,将各功能进行模块化处理,以方便修改、调试以及后续的升级。

系统主程序主要包括对时钟的配置、各功能模块函数的初始化、串口中断子程序以及定时器中断子程序等。

主程序流程图如图8所示。

3.2 DSP串行通信程序设计
DSP的SCI模块发送器和接收器可以通过查询和中断方式进行控制。

与查询方式相比,中断方式具有占用CPU的时间少、实时性高的特点[7]。

因此本设计采用中断方式,上位机和下位机采用应答方式进行通信,系统的串行通信协议具体规定如表1所示。

下发和上传数据指令都包括帧头、字节长度、有效指令/数据、和校验、帧尾5个部分组成,协议数据均采用16进制通信。

(1)帧头表示一帧数据的开始;
(2)字节长度表示一帧数据的整个字节长度;
(3)有效指令/数据有效指令表示上位机要让下位机执行的命令;有效数据表示下位机向上位机反馈的相关信息;
(4)和校验表示有效指令/数据的数据相加和,如果相加超出了FF那么就取和的低字节;
(5)帧尾表示完整的一帧数据结束。

本系统的通信波特率为 9 600 bit/s,每个字节包括8位数据位和l位停止位,无校验。

接收数据采用中断方式,发送数据采用直接写外设方式。

对SCI初始化,设置数据帧
格式、波特率、中断优先级等。

采用中断方式接收数据,在接收中断服务程序中,读取SCI接收缓冲寄存器,放在自定义的接收缓冲区内。

一条指令信息帧包含多个字节,需要识别完整的一帧数据,设计
中通过判断数据头、数据尾,对数据长度校验来保证接收到完整的一帧数据。

除了
上述措施外,软件中也启用了定时器,进行超时处理,若在一定的时间内,没有完整的接收到一组数据,就将此帧数据丢弃掉,清除相应标志以及缓冲区,从新接收新的数据指令。

为了保证下发数据指令准确有效执行,在上述措施的基础上,还进行了和校验,和校验程序放到主函数中的while(1)里面进行处理。

上位机软件使用 C++语言开发,开发平台为 Visual Studio 2010,此系统控制软件
实现对水平,竖直以及翻转电机的运转、停转、方向的控制,还需对自动锁紧装置进
行控制,使其实现锁紧和松开,实现倾角传感器的数据显示和实时状态显示等功能[8]。

控制界面如图10所示。

对测试平台进行实验,如图11所示,首先对加速度传感器测试平台各个功能模块进
行试验,通过上位机下发数据指令,主要对水平、竖直、翻转电机进行操作以及实现
气缸的锁紧和松开。

通过上位机软件下发不同方位电机运转、停止、正反运行以及气缸的锁紧和松开指令进行测试,通过实验反复验证,其运行稳定可靠。

其次对标定测试平台进行自动控制实验,主要按照以下4步进行试验:
第1步安装传感器到加载平台,确定各部件回到初始位置;
第2步上位机下发自动运行指令,由步进电机驱动水平丝杠旋转,将传感器载体夹紧;自动启动竖直电机运转,带动传感器载体向上运动到一定高度;
第3步进行翻转实验,自动启动翻转电机,进行不同位置法的翻滚实验,待翻转电机
稳定后停止在指定位置,便可采集数据并存盘,完成后便可自动运行到下一个位置,采集数据并存盘。

第4步翻滚试验完成后,控制机构驱动翻转平台向下移动,当翻转平台与振动台面接触后,自动锁紧装置启动,使两者紧密结合,然后让水平和竖直回到初始位置,便可进行振动实验。

经过试验验证,该系统运行平稳、可靠,能满足加速度传感器批量标定测试方面的要求。

本设计介绍了一种DSP的加速度传感器测试平台控制系统,该控制系统设计了可视化操控的上位机界面,实现对测试平台的平稳、可靠控制,完成了加速度传感器不同
位置的自动运转以及自动锁紧装置的控制,达到了加速度传感器的动静态性能测试。

【相关文献】
[1] 邵宪辉. 多路加速度传感器测试系统设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.
[2] 刘俊,石云波,李杰. 微惯性技术[M]. 北京:电子工业出版社,2005:193-194.
[3] 颜肖平,聂宜云,孟凡军. 基于TMS320F28335的运动控制器设计[J]. 航空精密制造技
术,2013,49(3):58-62.
[4] 赵赟. 自动批量化MEMS加速度传感器测试装置设计研究[D]. 太原:中北大学.2015.
[5] 顾卫钢. 刚手把手教你学DSP[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2011:49-50.
[6] 江洋,杨俊峰,宋克柱. 基于RS-485长距离数据传输系统设计[J]. 核电子学与探测技
术,2013,33(4):404-405.
[7] 韩丰田,李海霞. TMS320F281x DSP原理及应用技术[M]. 北京:清华大学出版社,2014:78-79.
[8] 邹坤,石云波,焦佳伟. 基于MFC的翻转测试平台控制软件的设计[J]. 计算机测量与控制,2015,23(9):3235-3237.。