Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Объекты разработки и исследования ВКР: фотоэлектрические датчики линейных перемещений, внешняя засветка, среда разработки Keil мVision, программирование микроконтроллера К1986BE92QI, математическое моделирование в MATLAB, схемотехническое моделирование в Micro-Cap.

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработанный оптический датчик линейных перемещений с компенсацией внешней засветки, а также материалы сопровождающие процесс разработки.

Полученные результаты: макет оптического датчика, программа микроконтроллера и отчет по выполнению работы.

Рекомендации по использованию результатов: данная работа направлена на получение практических навыков в области проектирования электронных устройств и разработки программ для микроконтроллера. Результаты могут быть использованы для проектирования более совершенных устройств.

Annotation

Objects of the development and research of the graduation work: photoelectric sensors of linear displacements, external illumination, Keil мVision development environment, programming of a K1986BE92QI microcontroller, mathematical modeling in MATLAB, circuit design in Micro-Cap.

The purpose of this final graduation work is the developed optical linear displacement sensor with external illumination compensation, as well as the materials accompanying the development process.

The results obtained: the layout of the optical sensor, the program of the microcontroller and the report on the performance of work.

Recommendations for the use of results: this work is aimed to obtaining practical skills in the design of electronic devices and the development of programs for the microcontroller. Results can be used to design more advanced devices.

The final graduation work contains 67 pages, 34 figures, 2 tables, 15 literary sources.

Оглавление

• 1. Обзорно-аналитическая часть
• 1.1 Способы построения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений
• 1.2 Области применения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений
• 1.3 Особенности фотоэлектрической системы преобразователя и способы моделирования
• 1.4 Способы построения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений с компенсацией внешней засветки
• 2. Разработка
• 2.1 Разработка модели оптической системы
• 2.1.1 Постановка задачи
• 2.1.2 Описание работы оптического блока
• 2.1.3 Составление математического описания
• 2.2 Моделирование оптической системы с заданными параметрами
• 2.2.1 Выбор системы моделирования
• 2.2.2 Построение модели освещенности маски
• 2.2.3 Построение модели облученности фотодиодов
• 2.2.4 Анализ результатов математического моделирования
• 2.3 Анализ требований к параметрам преобразователя.
• 2.4 Разработка алгоритма измерений и компенсации внешней засветки.
• 2.5 Разработка способа компенсации внешней засветки.
• 2.6 Разработка электронного устройства для преобразования выходных сигналов оптической системы в сдвиг фаз.
• 2.6.1 Устройство формирования эталонных сигналов и питания светодиодов.
• 2.6.2 Измерительный канал
• 2.7 Разработка конструкции оптической системы макетного образца
• 2.8 Разработка программного модуля обработки результатов измерений для микроконтроллера
• 2.8.1 Описание отладочной платы
• 2.8.2 Описание микроконтроллера
• 2.8.3 Порты ввода-вывода микроконтроллера
• 2.8.4 Среда программирования микроконтроллера
• 2.8.5 Алгоритм работы программы микроконтроллера
• 2.8.6 Программа микроконтроллера
• 3. Экспериментальные исследования макетного образца преобразователя
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение

Введение

В системах управления и робототехники, станках с числовым программным управлением используются фотоэлектрические датчики линейных перемещений, выполненные на оптических растрах. Преобразователи обеспечивают высокую точность измерений, однако имеют высокую стоимость и требуют квалифицированное обслуживание.

В устройствах позиционирования деталей и транспортирующих механизмах могут применяться преобразователи со средними показателями точности, которые имеют простую конструкцию, не требуют юстировки и периодической аттестации. В таких преобразователях могут использоваться модулирующие элементы на отражающих масках и щелевых диафрагмах.

Одной из важных проблем при использовании фотоэлектрических датчиков является влияние внешней засветки. Внешняя засветка приводит к возникновению аддитивной погрешности, которая требует специальных мер для ее уменьшения. Высокоточные измерения фотоэлектрическими датчиками в условиях интенсивного облучения солнечным светом или другими источниками света в производственных условиях является актуальной задачей.

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработанный оптический датчик линейных перемещений с компенсацией внешней засветки и материалы о результатах проектирования.

Требования к разработанному устройству:

1. Способ измерений: фотоэлектрический.

2. Выходной сигнал фотоэлектрического преобразователя: фазомодулированный.

3. Диапазон измерений датчика: 0…100 мм.

4. Представление результатов измерений: ЖК дисплей, единицы: миллиметры.

Задачами данной выпускной квалификационной работы являются:

1. Обзор и анализ способов построения и областей применения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений.

2. Анализ способов построения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений с компенсацией внешней засветки.

3. Анализ требований к параметрам преобразователя.

4. Разработка модели оптической системы.

5. Моделирование оптической системы с заданными параметрами.

6. Разработка электронного устройства для преобразования выходных сигналов оптической системы в сдвиг фаз.

7. Разработка алгоритма измерений и компенсации внешней засветки.

8. Разработка способа компенсации внешней засветки.

9. Разработка конструкции оптической системы макетного образца.

10. Сборка и настройка макетного образца преобразователя.

11. Экспериментальные исследования преобразователя.

В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы были использованы следующие инструментальные средства: Микроконтроллер К1986ВЕ92QI и его отладочная плата, кварцевый генератор, инструментальные усилители, синхронные двоичные счетчики, компараторы, биполярные транзисторы, стабилитроны, макетная плата, клеммники.

Задействованное в ходе разработки программное обеспечение: среда разработки Keil мVision 5, sPlan 7.0, MATLAB R2014a, Micro-CAP.

Планируемыми результатами выпускной квалификационной работы являются макет датчика, программа микроконтроллера и отчет о выполненной работе.

1. Обзорно-аналитическая часть

1.1 Способы построения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений

Фотоэлектрические датчики линейных перемещений - это системы, в которых с сигналами постоянно выполняются преобразования, связанные с обработкой информации [1]. При этом сначала происходит преобразование оптических сигналов в электрические, а затем их преобразование в форме, нужной для выявления информации о величинах измеряемых линейных перемещений.

Основой принципа работы фотоэлектрических датчиков линейных перемещений является изменение характеристик оптического сигнала от источника при смещении кодирующей структуры относительно анализирующей структуры. Затем измененные характеристики с помощью фотоприёмника преобразуются в электрические сигналы. Полученные сигналы в системах обработки информации трансформируются в удобную для непосредственного использования форму. Эта форма чаще всего является цифровой, в силу ряда преимуществ [2].

В существующих преобразователях кодирующая структура может быть штриховой, растровой, интерференционной или дифракционной [3]. Штриховые кодирующие структуры являются наиболее распространенными. Они представляют собой последовательность штрихов, которые нанесены через определенные интервалы на рабочую поверхность меры. В фотоэлектрических датчиках используют линейные шкалы и круговые штриховые меры.

Принцип работы растровых датчиков заключается в методе оптико-электронного сканирования штриховых растров. Перемещение объекта, на котором устанавливается измерительный растр, вызывает модуляцию растровым сопряжением потока светового излучения, достигающего блок фотоприемников. Световой поток, прошедший через растровое сопряжение, вызывает появление пропорциональных его интенсивности электрических сигналов, поступающих с фотоприемников, которые несут информацию о регистрируемом перемещении объекта контроля. Отличительная особенность растровых кодирующих структур заключается в том, что шаг штриха в несколько раз меньше его длины. При этом становится возможной реализация интерполяционного принципа оценки перемещений благодаря расположению комбинационных полос в растровом сопряжении с аналогичной растровой анализирующей структурой.

Амплитудно-фазовые оптические элементы применяются в качестве анализирующих структур для дифракционных и интерференционных кодирующих структур [4]. Когда в качестве кодирующей и анализирующей структуры используются дифракционные решетки, имеющие малый шаг, который можно сравнить с длиной волны, комбинационные полосы возможно наблюдать как при высоких спектральных порядках, так и при прямом прохождении пучка излучения через решетки. В высоких спектральных порядках полосы возникают по причине интерференции пучков разных порядков дифракции.

В современных фотоэлектрических датчиках линейных перемещений после прохождения сигналами кодирующей и анализирующей структур происходит преобразование этих сигналов в электрические с помощью фотодиодов или фоторезисторов в фотоприемнике. Затем эти сигналы усиливаются с помощью операционных усилителей и демодуляторов в системе первичной обработки информации и формируются для окончательной обработки. Окончательное преобразование сигналов происходит в системе вторичной обработки информации. Оно может представляться как в цифровой форме, так и с помощью счетчиков и дешифраторов на дисплее.

В фотоэлектрических датчиках линейных перемещений могут использоваться два метода преобразования перемещений в цифровой код: непосредственное считывание и последовательный счет единичных приращений.

В датчиках инкрементного типа, измеряющих единичные приращения, движение входной оси разделяется на интервалы, регистрируемые чувствительным элементом датчика, который при перемещении посылает сигналы. Поскольку характеристика сигналов, возникающих при перемещении, является одинаковой, необходимо использование счетчика, так как только с его помощью возможно получение данных об отклонении положения датчика от нулевого. Характеристикой единичного приращения перемещения является его знак, соответствующий направлению движения датчика. При изменении направления движения датчика необходимо переключение счетчика для получения правильного значения перемещения.

В абсолютных датчиках нет необходимости в прохождении меток, и текущее положение на измерительной оси определяется при включении датчика. Таким образом, в абсолютных датчиках каждому значению входного перемещения соответствует числовое значение, которое формируется на выходе датчика, в виде цифрового кода.

Принцип работы фотоэлектрических датчиков основан на обработке величины прошедшего через систему кодирующих и анализирующих структур потока оптического излучения в качестве функции взаимного пространственного расположения кодирующей и анализирующей структур. При этом пучки лучей могут как отражаться от кодирующей структуры, так и проходить сквозь нее. Исходя из этого различают датчики, работающие в отраженных или в прошедших пучках лучей.

Принцип растровой модуляции является основой принципа действия большинства фотоэлектрических датчиков, работающих в проходящих пучках лучей. Принцип оптико-электронного сканирования используется в большинстве датчиков, работающих в отраженных пучках лучей.

Производители фотоэлектрических датчиков предлагают закрытый и открытый вариант исполнения преобразователей [3]. Первый вариант исполнения обычно применяется для преобразователей, работающих в условиях, где требуется защита кодирующей и анализирующей структур от внешних воздействий. Эти преобразователи перемещений работают в проходящих световых пучках.

Существующие на данный момент закрытые преобразователи имеют диапазон до 30 метров. Шаг измерения этих преобразователей от 1 до 0,5 мкм [3].

Большинство существующих преобразователей открытого типа обладают разрешением от 10 до 0,1 мкм на длине 1 м измерительной шкалы [3].

Для измерения перемещений также используются волоконно-оптические датчики. Принцип действия этих датчиков заключается в измерении параметров оптических сигналов, распространяющихся по световоду, оптические свойства которого зависят от внешних воздействий. Волоконно-оптические датчики особенно успешно применяются в тех случаях, когда датчики должны работать совместно с волоконно-оптическими линиями связи, а также в агрессивных и взрывоопасных средах.

Абсолютное или относительное перемещение измеряется с помощью регистрации интенсивности излучения, передаваемого между двумя концами волокон, близко расположенными один к другому. При измерениях линейных и угловых перемещений может быть использовано мультиплексирование датчиков с разделением по времени или по длине волны [5].

1.2 Области применения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений

оптический датчик оптический сигнал

Фотоэлектрические датчики имеют большие перспективы развития в области автоматики, так как они имеют высокие метрологические параметры. Такие датчики используются на предприятиях для защиты персонала от производственных травм, в автомобильных шлагбаумах, турникетах в метро и прочих устройствах, где необходимо фиксировать два сигнала - освещено или затемнено.

Фотоэлектрические датчики применяются для измерения угла поворота и преобразования полученной величины в цифровой код. Принцип работы такого измерителя основан на том, что осветитель через полупрозрачный диск, на котором нанесена кодовая шкала с прозрачными и затемненными участками, направляет световой поток на фотоприемники. Затемненные области воспринимаются фотоприемником за двоичную цифру ноль, а прозрачные - за двоичную единицу. Таким образом, наличие выходного сигнала принимается за единицу, а отсутствие за ноль.

Фотоэлектрические торсиометры нашли применение для измерения крутящего момента, так как не нуждаются в токосъемном устройстве, а сигнал с вращающегося вала снимается бесконтактно.

Для измерения малых перемещений широко используются фотоэлектрические датчики. Принцип измерений основан на том, что между источником и приемником света помещается прозрачная линейка с непрозрачными штрихами (их количество может быть вплоть до тысячи на одном метре длины), поэтому даже при малом перемещении прозрачной линейки сигнал на фотоприемнике будет изменяться.

Фотоэлектрические датчики используются для измерения неэлектрических величин. Они применяются на производствах, где необходимо измерить размер деталей маленьких размеров. С помощью оптических систем возможно спроецировать изображение маленьких деталей на большую площадь для высокой точности и чувствительности измерений [12].

Большое распространение получили фотоэлектрические преобразователи линейных перемещений, выполненные на оптических растрах. Они используются в станках с числовым программным управлением и робототехнических устройствах, так как обеспечивают высокую точность измерений.

Фотоэлектрические датчики широко распространены в промышленности из-за возможности наиболее точного обнаружения объекта без необходимости контакта с ним. Такие датчики применяются при монтаже оборудования и его обслуживании.

1.3 Особенности фотоэлектрической системы преобразователя и способы моделирования

Фотоэлектрические преобразователи линейных перемещений, выполненные на оптических растрах, преобразователи, использующие линейные штриховые шкалы или интерференционные и дифракционные кодирующие структуры, применяются в станках с числовым программным управлением и робототехнических устройствах. Такие преобразователи обеспечивают высокую точность измерений, однако имеют высокую стоимость и требуют квалифицированное обслуживание.

В транспортирующих механизмах и устройствах позиционирования деталей возможно использование преобразователей со средними показателями точности, которые имеют простую конструкцию, не требуют юстировки и периодической аттестации. В таких преобразователях могут использоваться модулирующие элементы на отражающих масках и щелевых диафрагмах.

Поскольку целью разработки являлось создание максимально простой конструкции датчика при средней точности, в оптическом канале не используются штриховые меры и фазовые решетки.

В разработанном преобразователе формируется сдвиг фаз выходных сигналов при перемещении оптического блока вдоль модулирующей маски.

Оптический блок преобразователя состоит их двух оптических каналов - синусного и косинусного, образованных сдвинутыми на четверть периода щелевыми диафрагмами. Модулирующий элемент представляет собой оптическую отражающую маску, образованную светлой и темной областями, ограниченными гармонической функцией.

В зоне щелевой диафрагмы создается равномерная освещенность поверхности оптической маски светоизлучающими диодами ИК диапазона. Для этого используются несколько светодиодов. В зависимости от текущей координаты положения щелевой диафрагмы над отражающей маской изменяется отраженный световой поток. Его интегральное значение воспринимается фотоприемными диодами. Сигнал после усиления поступает в электронное устройство.

Для получения равномерной освещенности модулирующей маски в зоне диафрагмы светодиоды и фотодиоды чередуются на длине диафрагмы. Перемещение блока осуществляется вдоль направляющей линейки. Помехоустойчивость каналов к оптическим дефектам маски обеспечивается благодаря относительно большим, в сравнении с длиной волны излучения, размерам отражающих элементов, а также за счет усреднения шумов на площади считывающих элементов.

Одной из задач проектирования оптической системы является компенсация внешней засветки. Компенсация достигается использованием излучения в ближней инфракрасной области (длина волны 0,9 мкм), а также дифференциальным включением фотоприемных диодов синусного и косинусного каналов. В оптическом блоке используются светодиоды и фотодиоды инфракрасного диапазона с длиной волны излучения и фоточувствительности 0,9 мкм.

1.4 Способы построения фотоэлектрических датчиков линейных перемещений с компенсацией внешней засветки

В процессе эксплуатации на первичные преобразователи любых типов действуют помехи. Для фотоэлектрических преобразователей данная помеха имеет характер внешней засветки. Она возникает в связи с проникновением постороннего излучения в оптический канал преобразователя. К источникам стороннего излучения относятся: естественный дневной свет, источники излучения от работающего оборудования.

Способ подавления внешней засветки может быть основан на том, что в преобразователях рассматриваемого типа имеется два канала - опорный и измерительный. Поскольку конструктивно эти каналы находятся на небольшом расстоянии, то внешняя засветка имеет приблизительно одинаковый уровень. Так как внешняя засветка носит аддитивный характер, она смещает выходные сигналы обоих каналов на одну и ту же величину, тогда для ее подавления может быть использован дифференциальный способ измерения, когда полезный сигнал рассчитывается путем вычитания сигналов опорного и измерительного каналов в электрической форме. Фазовый способ измерения, который уже используется в данном преобразователе, предполагает наличие таких двух каналов. Поэтому при выработке сигнала в форме сдвига фаз одновременно может выполняться компенсация внешней засветки.

2. Разработка

2.1 Разработка модели оптической системы

2.1.1 Постановка задачи

Целью моделирования является создание математической модели оптической системы преобразователя, характеризующей освещенность фотоприемных диодов в оптическом блоке. Расчет освещенности фотодиодов производится для определения фототоков, которые в электронном устройстве преобразуются в электрический сигнал.

Исходными данными для моделирования являются размеры щелевой диафрагмы, функция модуляции, характеристики светодиодов и фотодиодов. Максимальная длина щелевой диафрагмы тридцать миллиметров, ширина - четыре миллиметра. Функция модуляции представляет собой гармоническую функцию.

Разработанная модель включает в себя расчет освещенности отражающей маски и последующий расчет освещенности фотодиодов в оптическом блоке.

Моделирование было проведено в несколько этапов: первый - составление математического описания, второй - построение модели освещенности маски в программе для математического моделирования MATLAB, третий - построение модели освещенности фотодиодов в программе для математического моделирования MATLAB.

2.1.2 Описание работы оптического блока

Оптический блок преобразователя состоит их двух оптических каналов - синусного и косинусного, образованных сдвинутыми на четверть периода щелевыми диафрагмами.

Модулирующий элемент представляет собой оптическую отражающую маску, образованную светлой и темной областями, ограниченными гармоническими функциями (рис.1). Модулирующие элементы освещаются через щелевые диафрагмы светоизлучающими диодами, яркость которых изменяется по гармоническому закону с частотой 100 Гц.

Щелевые диафрагмы Д1 и Д2 (рис.1) расположены в оптическом блоке со сдвигом на четверть периода модулирующей маски.

Рис. 1. Форма модулирующей маски

Освещенность фотоприёмника косинусного канала при передвижении оптического блока представляет гармоническую функцию (рис. 2).

где Е0 - внешняя засветка.

Рис. 2. Освещенность косинусного фотоприёмника

Освещенность второго фотоприёмника также представляет гармоническую функцию (рис. 3).



Рис. 3. Освещенность синусного фотоприёмника

Сигнал на выходе дифференциального усилителя пропорционален разности освещенностей фотоприемников и не содержит составляющей, образованной внешней засветкой.

2.1.3 Составление математического описания

Поскольку в оптической системе используется излучение ИК диапазона, целесообразно использовать энергетические фотометрические величины. Энергетические фотометрические величины отличаются от световых тем, что последние характеризуют свет с учётом его способности вызывать у человека зрительные ощущения.

Так, аналогом освещенности является облученность, которая численно равна потоку излучения, падающему на участок поверхности единичной площади. Облученность также пропорциональна силе излучения источника излучения. Сила излучения численно равна отношению потока излучения к телесному углу, внутри которого он распространяется.

При моделировании облученности оптической маски облученность поверхности маски, перпендикулярной к направлению распространения света, можно определить как отношение силы излучения I к квадрату расстояния от этой точки до источника излучения. Если данное расстояние принять за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:



Рис. 4. Облученность поверхности

При этом, если излучение падает наклонно к поверхности (рис. 4), облученность уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей [6]. Тогда

, (1)

где I - сила излучения в направлении точки измерения, г - угол, образованный направлением падения излучения и перпендикуляром к этой плоскости, d - расстояние между источником излучения и плоскостью.

Для расчета облученности маски в щелевой диафрагме оптического блока целесообразно преобразовать последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света до поверхности.

. (2)

После подстановки (2) в (1) облученность

. (3)

По данной формуле был выполнен расчет облученности маски в точке измерения.

Для расчета облученности фотодиодов в оптическом блоке необходимо учесть, что падающий на поверхность отражающей маски поток излучения отражается не полностью и к тому же происходит диффузное отражение. Это явление описывается законом Ламберта, согласно которому яркостьдиффузной поверхности одинакова во всех направлениях [7]. Исходя из определения яркости выявляется зависимость между силой света, излучаемой плоской рассеивающей площадкой, от угла б {\displaystyle \alpha } между направлением этого излучения и перпендикуляром к площадке. В этом случае сила излучения имеет наибольшее значение в направлении нормали к поверхности, а в остальных направлениях - уменьшается пропорционально косинусу угла между нормалью и направлением излучения. Такую зависимость можно записать в следующем виде

(4)d S {\displaystyle dS} площадке

Отраженное излучение в случае диффузного отражения характеризуется распространением потока излучения в телесном угле 2р. Распределение потока излучения имеет форму сферы, касающейся поверхности в точке падения луча (рис. 5).



Рис. 5. Распределение отраженного от поверхности излучения

Для расчета светового потока, достигающего фотоприемных диодов, поверхность маски на площади щели целесообразно разделить на участки малой площади (рис. 6). Их размеры для расчетов с точностью, достаточной для решения практической задачи, целесообразно выбрать равными 1х1 мм2. Каждый такой участок рассматривается как отдельный источник излучения, которое изменяется по закону косинусов вследствие диффузного отражения падающего на поверхность светового потока.

Рис. 6. Схематичное представление модели облученности фотодиода

Итоговая облученность фотодиодов является суммой потоков излучения, достигающих их поверхности.

2.2 Моделирование оптической системы с заданными параметрами

2.2.1 Выбор системы моделирования

Для математического моделирования оптического канала была использована программа MATLAB, которая является высокоуровневой алгебраической системой и интерактивной средой для программирования, численных расчетов и визуализации результатов. С помощью MATLAB можно анализировать данные, разрабатывать алгоритмы, создавать модели и приложения.

Язык MATLAB - это высокоуровневый интерпретируемый язык программирования, включающий структуры данных, основанные на матрицах, интегрированную среду разработки, большой выбор функций, интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования и объектно-ориентированные возможности программирования.

Программы, написанные на этом языке, могут быть двух типов - скрипты и функции. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции сохраняются в виде текстовых файлов и компилируются в машинный код динамически.

Основаниями для выбора данной системы моделирования послужили обилие средств графики и встроенных математических функций, в том числе интерполяции, а также возможность задавать собственные функции для расчетов.

2.2.2 Построение модели освещенности маски

В ходе работы были написаны скрипты для расчета облучения светодиодами оптической маски и чувствительность фотодиодов в оптическом канале.

Одним из необходимых параметров светодиодов для моделирования освещения является диаграмма направленности их излучения. Диаграмма направленности излучения диода представляет собой зависимость интенсивности излучения от угла между оптической осью и направлением излучения светодиода. Для построения диаграммы направленности были использованы данные из технической документации к выбранным светодиодам.

Поскольку в документации приведены графические диаграммы без аналитических зависимостей, величины для моделирования выбирались с интервалом в 10 градусов. С помощью интерполяции были подобраны промежуточные значения. В среде MATLAB функция interp1 строит интерполирующую кривую для одномерного массива, заданного на сетке. В данной функции был использован метод 'pchip' который осуществляет кусочно-кубическую интерполяцию. Интерполированное значение в точке запроса основано на сохраняющей форму кусочно-кубической интерполяции значений в соседних точках сетки [8].

Рис. 7. Расчет диаграммы направленности

Чтобы построить диаграмму направленности светодиода в среде MATLAB, существует функция polar, которая реализует построение графиков в полярных координатах, задаваемых углом и радиусом. Диаграмма была построена, также в декартовых координатах (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма направленности излучения светодиода

На основе диаграммы направленности одиночного светодиода выполнен расчет облученности маски по соотношению (2). Для этого была написана специальная функция.

Рис. 9. Функция расчета облученности

Расчет облученности маски одним светодиодом показал, что один светодиод не обеспечивает приемлемую равномерность облученности оптической маски на всей длине щели (рис. 10).

Рис. 10. Облученность маски одним светодиодом

Для создания равномерной облученности маски в щели необходимо использовать несколько светодиодов. Эта задача является одной из основных при проектировании оптической системы.

Облученность маски рассчитывается путем сложения облученности от каждого светодиода (рис. 11).

Поскольку излучение светодиода представлено в документации в графической форме, требовалось выбрать шаг расположения светодиодов по длине щели, основываясь на требовании равномерности освещения. Равномерность облученности оценивалась по длине щели отклонением от максимального значения. Оно не превысила три процента на длине щели три сантиметра. Равномерность освещения была достигнута увеличением расстояния между центральными светодиодами. Результирующая облученность щели (рис. 12) отвечает сформулированным параметрам и равна 4 мкВт/мм2.

Рис. 11. Фрагмент скрипта для расчета результирующей облученности маски пятью светодиодами

Рис. 12. Результирующая облученность маски пятью светодиодами

2.2.3 Построение модели облученности фотодиодов

Принцип работы оптического блока требует измерения эквивалентной облученности маски на площади щели для получения выходного электрического сигнала. Для этого необходимо рассчитать силу отраженного излучения с учетом коэффициента отражения и соотношения (4). Поскольку излучение светодиодов находится в ближней инфракрасной области, коэффициент отражения был принят равным 0,6 [9].

Расчет силы отраженного излучения был произведен с помощью подсчета телесных углов, в которых излучение распространяется с коэффициентом, зависящим от угла между нормалью и направлением излучения.

Рис. 13. Скрипт для расчета силы излучения

В качестве фотоприемных элементов использованы фотодиоды ИК диапазона. Диаграмма направленности чувствительности фотодиода к падающему на него потоку излучения была построена аналогично (рис. 14).



Рис. 14. Диаграмма чувствительности фотодиода

Поток излучения, достигающий фотоприемных диодов в оптическом канале, был также оценен по соотношению (3) с учетом соотношения (4) и с использованием ранее описанной функции для расчета облученности (рис. 9).

Рис. 15. Диаграмма распределения потока излучения, приходящего с поверхности маски

Для получения облученности каждого фотодиода было проведено суммирование светового потока, приходящего со всех участков поверхности. Таким образом облученность крайних светодиодов равна 12 мкВт/см2, а центральных 23 мкВт/см2.

Рис. 16. Расчет облученности фотодиодов

Для обеспечения равномерного восприятия светового потока четырьмя фотодиодами требовалось выбрать шаг расположения фотодиодов по длине щели, основываясь на критерии равномерности распределения светового потока, достигающего фотодиодов. Распределение светового потока, достигающего четырех фотодиодов, (рис.17) отвечает сформулированным требованиям - три процента неравномерности на длине щели.

2.2.4 Анализ результатов математического моделирования

В результате проведенного моделирования были определены размеры щелевой диафрагмы и координаты размещения фотодиодов и светодиодов, которые обеспечивают неравномерность облученности не более трех процентов. Выбранное расстояние между светодиодами и фотодиодами позволило достичь требуемого распределения облученности маски и его восприятия фотодиодами.



Рис. 17. Суммарное восприятие светового потока

2.3 Анализ требований к параметрам преобразователя.

Основной задачей данной разработки является создание оптического датчика линейных перемещений на основе фотоэлектрического способа измерения в диапазоне от 0 до 100 мм. Разрешающая способность преобразователя равна 0,1 мм. Погрешность измерений не более 0,2 мм. Способ измерения - абсолютный. Допустимая скорость перемещения оптического блока не более 5 м/с.

Допустимые параметры внешней засветки. Диапазон длин волн излучения (0,4…0,8) мкм, интенсивность облучения не более 4 мкВт/мм2.

На основе заданного диапазона измерений определяется период модулирующей оптической маски, который составляет 100 мм. С учетом размеров оптического блока, оптическая маска должна иметь приблизительно полтора периода изменения отражающей способности. Заданная разрешающая способность определяет требования к соотношению периодов полезного сигнала и тактового сигнала при фазовых измерениях.

Динамическая погрешность при фазовых измерениях представляет собой отклонение результата измерения на каждом периоде электрического сигнала при движении каретки и ее статическом положении.

2.4 Разработка алгоритма измерений и компенсации внешней засветки

Принцип работы оптического датчика основан на фазовых измерениях электрических сигналов. В преобразователе используются два измерительных канала - синусный и косинусный. Щелевые диафрагмы Д1 и Д2 (Рис.1) расположены в оптическом блоке со сдвигом на четверть периода отражающей маски.

Помехоустойчивость каналов к оптическим дефектам масок увеличивается за счет относительно больших, в сравнении с длиной волны излучения, размеров отражающих элементов, а также за счет усреднения шумов на площади считывающих элементов.

Напряжение питания светодиодов в синусном и косинусном каналах

Выходной сигнал синусного канала

Выходной сигнал косинусного канала

На фазовращателе косинусного канала происходит сдвиг фаз на четверть периода. Сдвинутый на /2 сигнал на несущей частоте косинуса:

(5)

Устранение постоянной составляющей светового потока, в результате вычитания, является благоприятным фактором. Эта составляющая включает в себя специально введенное смещение, а также внешнюю засветку. Таким образом, на вход микроконтроллера подается фазомодулированный косинусный сигнал.

2.5 Разработка способа компенсации внешней засветки

Одной из главных задач проектирования оптической системы является компенсация внешней засветки. В системе имеются два канала (синусный и косинусный). На конструкции оптического блока они расположены на маленьком расстоянии друг от друга, таким образом внешняя засветка оказывает на них почти одинаковое влияние. В данном случае внешняя засветка будет являться аддитивной, поэтому смещение обоих каналов будет на одну и ту же величину. Компенсация достигается использованием излучения в ближней инфракрасной области, а также использованием дифференциального способа измерения, когда полезный сигнал рассчитывается на основе вычитания сигналов опорного и измерительного канала в электрической форме. Сигнал на выходе дифференциального усилителя пропорционален разности освещенностей фотоприемников и не содержит составляющей, образованной внешней засветкой. Как видно из выражения (5), при вычитании из напряжения синусного канала сдвинутый на /2 сигнал на несущей частоте косинуса, внешняя засветка сокращается и не присутствует в выходном сигнале.

2.6 Разработка электронного устройства для преобразования выходных сигналов оптической системы в сдвиг фаз.

Для освещения оптической маски используются ИК-светодиоды, которые расположены в синусной и косинусной щелевых диафрагмах. Светодиоды питаются переменным напряжением. Излучение, отраженное от оптической маски, зависит от положения щелевой диафрагмы. Это излучение воспринимают фотоприемные диоды и преобразуют в электрический сигнал. Преобразование сигналов, в соответствии с алгоритмом, осуществляется фазовращателем и дифференциальным усилителем. Для получения кода на выходе измерительного устройства используются компараторы в опорном и измерительных каналах и логические элементы. На выходе измерительного устройства формируется импульс «Пуск» и импульсная последовательность с числом импульсов, пропорциональным измеряемому перемещению.

Для получения сигнала постоянной частоты, требуется кварцевый генератор с высокой температурной и временной стабильностью, а также низким уровнем фазовых шумов. Прямоугольный выходной сигнал генератора необходимо подать на делитель частоты, который уменьшает частоту колебаний в 16,5 тысяч раз. На входе делителя сигнал имеет частоту 2 МГц, а на выходе 122 Гц. Для получения гармонического сигнала в фазовой системе используется полосовой фильтр. Выходной сигнал ПФ подается на усилитель, который увеличивает его мощность и передает на светоизлучающие диоды.

Фотоприемные каналы состоят из фотоприемных диодов, преобразователя тока в напряжение, усилителя напряжения, фазосдвигающей цепочки и сумматора. Электрические сигналы синусного и косинусного каналов формируются усилителями тока фотодиодов, расположенных в щелевых диафрагмах. Одиночный фотодиод не позволяет регистрировать освещенность на площади оптической щели. Поэтому в оптическом канале используются четыре фотодиода. Фотоприемные диоды преобразуют световое излучение в электрический сигнал, который передается на вход преобразователя ток-напряжение, выполненного на операционном усилителе. Для дальнейшей обработки сигнала необходимо увеличить его напряжение и компенсировать внешнюю засветку, поэтому сигнал с обоих каналов подается на дифференциальный усилитель.

Рис. 18. Структурная схема преобразователя аналоговых сигналов

Для получения информации о фазе необходимо выполнить преобразования. Для сдвига фазы на четверть периода используется фазовращатель, выходной сигнал которого передается на дифференциальный усилитель. На второй вход дифференциального усилителя подается сигнал синусного канала. В результате выходной сигнал синусного канала суммируется со сдвинутым на четверть периода сигналом косинусного канала.

Поскольку полученный сигнал должен быть пропорциональным суммарному току фотодиодов, они подключены параллельно ко входу операционного усилителя (Рис. 19).

Рис. 19. Схема включения нескольких фотодиодов.

Структурная схема электронного устройства состоит из двух частей: устройства питания светодиодов и формирования эталонных сигналов, а также измерительного канала. Схема устройства питания состоит из кварцевого генератора, делителя частоты, полосового фильтра, усилителя мощности и параллельно подключенных светодиодов. Измерительный канал состоит из двух блоков параллельно подключенных фотодиодов (Рис. 19), фазовращателя, подключенного к косинусному каналу, дифференциального усилителя, генератора тактовых импульсов и двух компараторов. Схема преобразователя выходных сигналов на выходе оптического блока в фазовый сдвиг представлена на рисунке 20.



Рис. 20. Схема преобразователя

2.6.1 Устройство формирования эталонных сигналов и питания светодиодов.

На вход делителя частоты с кварцевого генератора подается сигнал 2 МГц. Для получения рабочей частоты необходимо произвести деление входной частоты на двоичном счетчике, для этого необходимо произвести расчет:

То есть необходимо разделить 2 МГц на два 14 раз (частота 2 МГц вмещает в себя ). Результатом деления будет 122,070312 Гц. Эта величина является рабочей частотой. Тогда период равен 1/122,070312 = 0,008192 с.

Необходимо задать разрешающую способность. Она измеряется в единицах измерения величины и представляет минимальное значение измеряемой величины, которое может быть зарегистрировано прибором. Разрешающая способность в нуле максимальна, 50 мкм для того, чтобы регистрировать величину 100 мкм. Далее необходимо определить число импульсов тактовой частоты, которыми кодируется сдвиг фаз на 360 угл.град. Частоту тактовых импульсов необходимо получить делением частоты кварцевого генератора. Для определения максимального временного интервала при фазовых изменениях, необходимо разделить тактовую частоту на рабочую частоту. Результатом будет 1024 импульса. Для расчета тактовой частоты необходимо рабочую частоту умножить 1024 импульса:

Эталонные сигналы отвечают требованиям согласования. При фазовом сдвиге сигналов на 360 угл.град. формируется временной интервал равный 8,192 мс, который заполняется 1023 импульсами эталонной частоты 125 кГц [11].

Для индикации результатов измерений в миллиметрах и долях, необходимо определить длину периода оптической маски. Для индикации 0,1 мм, при 1023 импульсах с весом 100 мкм, маска должна иметь период 102,3 мм.

Далее прямоугольный сигнал попадает на полосовой фильтр, на выходе которого формируется синусоидальный сигнал. Высшие гармоники, присутствующие в сигнале, приводят к погрешности измерения фазы, поэтому для эффективного их подавления использован полосовой фильтр с добротностью 10.

Схема полосового фильтра с мостом Вина, выполненная в программе Micro-Cap, представлена на рисунке 21 [10].



Рис. 21. Полосовой фильтр с мостом Вина

Расчет полосового фильтра [10]:

1. Выберем частоты среза для рабочей частоты

Пусть

2. Добротность фильтра.

.

3. Выберем емкость конденсатора .

4. Зададим коэффициент усиления в полосе пропускания .

5. Найдем по формулам:

На выходе фильтра получен синусоидальный сигнал (Рис. 22)

Рис. 22. Анализ переходных процессов полосового фильтра

Рис. 23. Частотный анализ полосового фильтра

На выходе фильтра получено напряжение 10 В. Однако, это слишком высокое напряжение для последующей работы, поэтому его необходимо уменьшить в 2 раза. Для этого на выход фильтра необходимо добавить 2 сопротивления в 4,7 кОм (Рис. 24).



Рис. 24. Полосовой фильтр с делителем.

Таким образом, получен синусоидальный сигнал, напряжение которого в 2 раза меньше исходного, то есть величина первой гармоники 5 В (Рис. 25, 26). Величина второй гармоники составляет 325,749 мВ, что составляет 6,5 % от первой, а третьей - 183,521 мВ, что составляет 3,6 % от первой.

Рис. 25. Анализ переходных процессов полосового фильтра с делителем напряжения



Рис. 26. Частотный анализ полосового фильтра с делителем

2.6.2 Измерительный канал

Рис. 27. Временные диаграммы преобразователя фаза-код

Преобразователь фаза-код представляет собой устройство, которое выделяет временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу двух гармонических сигналов: опорного и выходного. Оно включает в себя компараторы, которые формируют фронты импульсных сигналов в моменты переходов гармонических сигналов через нулевое значение. Затем логическая схема формирует последовательность импульсов, число которых в каждом периоде пропорционально измеряемому фазовому сдвигу.

Сигнал с приемных фотодиодов подается на дифференциальный усилитель, на выходе из которого сигнал косинусного канала необходимо сместить фазу на четверть периода (/2). Схема фазовращателя была смоделирована в программе Micro-Cap (рис. 28).

Рис. 28. Схема фазовращателя

На выходе фазовращателя получен сдвинутый на /2 сигнал (Рис. 29).

Каскад питания светодиодов предназначен для питания светоизлучающих диодов пульсирующим постоянным током для освещения оптической маски. Целью является обеспечение освещенности маски, изменяющееся по гармоническому закону. Требуется постоянное смещение сигнала питания, так как освещенность не может быть отрицательной, при этом сигнал смещения должен превышать амплитуду гармонической составляющей, равную 5.



Рис. 29. Анализ переходных процессов фазовращателя

Поскольку это прямая ветвь вольт-амперной характеристики у светоизлучающих диодов, требуется ограничить ток во внешней цепи. Это обеспечивается последовательным с диодами подключением резисторов. Ограничивающее сопротивление может быть рассчитано из следующего соотношения:

Смещение освещенности и питания в выходном сигнале проявляется идентично с внешней засветкой. В приемных узлах схемы может быть скомпенсировано одними и теми же средствами.



Рис. 30. Схема каскада питания светодиодов

2.7 Разработка конструкции оптической системы макетного образца

Целью разработки конструкции оптической системы является изготовление макетного образца оптического датчика с компенсацией внешней засветки.

Назначением является размещение светодиодов и фотодиодов в оптических диафрагмах для получения равномерной освещенности оптической маски в зоне диафрагмы и передачу освещенности на рабочие поверхности светодиодов.

Конструктивные требования:

- диапазон перемещения оптического блока 0…120 мм;

- длина оптических диафрагм 50 мм;

- ширина оптических диафрагм 4 мм;

- расстояние от рабочих поверхностей светодиодов и фотодиодов до оптической маски 15 мм.

- дополнительные требования: статическое усилие перемещения оптического блока не более 0,1 Н.

Конструкция оптического блока.

Оптический блок устанавливается на направляющий профиль коробчатой формы и имеет возможность перемещения по одной координате. Корпус оптического блока имеет два продольных фаза, над которыми установлены светодиоды и фотодиоды (Рис. 31). Выводы светодиодов и фотодиодов соединены пайкой для подачи питания и снятия выходного сигнала. В оптической щели установлены пять светодиодов и четыре фотодиода, которые чередуются. Такое расположение вызвано требованием равномерности освещения рабочей поверхности оптической маски и необходимостью приема отраженного излучения также со всей рабочей поверхности оптической маски. Расчет оптической системы и результаты моделирования выполнены в разделе 2.2.

Рисунок 31. Конструкция оптического блока

Передача движения на оптический блок в результате работы оптического датчика осуществляется либо зубчатой гибкой передачей, либо тросовой передачей. В конструкции не показаны. Для уменьшения отражения светового потока от боковых поверхностей щелевых диафрагм, они покрыты светопоглощающей краской.

2.8 Разработка программного модуля обработки результатов измерений для микроконтроллера

2.8.1 Описание отладочной платы

Отладочная плата микроконтроллера К1986BE92QI, выпускаемая компанией «Миландр», предназначена для отладки программного обеспечения для данного микроконтроллера и ознакомления с его возможностями. Основным назначением является использование платы в проектируемой аппаратуре.

Рис. 32. Отладочная плата микроконтроллера К1986BE92QI

На плату также установлены такие компоненты как: USB-UART загрузчик для программирования flash-памяти, интерфейс CAN, интерфейс RS-232, жидкокристаллический индикатор.

Питание отладочной платы осуществляется от идущего в комплекте с платой внешнего блока питания через соответствующий разъем. Блок питания подключается к сети переменного тока 220 В с частотой тока 50 Гц и выдает постоянное напряжение равное 5 В при токе, не превышающем 0,5 А. Также поддерживается возможность питания платы от USB-интерфейса.

Для загрузки программ во flash-память микроконтроллера и их отладки был использован программатор-отладчик MT-Link, произведенный отечественной фирмой MT-SYSTEM, который является аналогом программатора J-Link фирмы IAR-Systems. Интерфейсы для внутрисхемной отладки SWD или JTAG используются программатором при подключении к компьютеру с помощью USB-кабеля. Для подключения программатора на плате предусмотрены разъемы JTAG-A и JTAG-B.

Отображение графической и символьной информации возможно с помощью монохромного жидкокристаллического модуля. В этом модуле содержатся жидкокристаллическая панель и собственный контроллер управления. Для хранения данных, выводимых на экран, модуль жидкокристаллического индикатора содержит оперативное запоминающее устройство размером 64х64х2 бит. Каждой подсвеченной точке на экране дисплея соответствует логическая единица в запоминающем устройстве модуля.

Все доступные линии ввода-вывода микроконтроллера выведены на разъемы X13 и X14 для подключения к ним внешних устройств. Также на эти разъемы выведены цепи питания и земли, от которых возможно запитать подключенные к отладочной плате внешние устройства.

2.8.2 Описание микроконтроллера

Микроконтроллер К1986ВЕ92QI построен на базе высокопроизводительного процессорного RISC-ядра ARM Cortex-M3. Данное семейство процессоров выполнено по стандартной архитектуре и отвечает различным технологическим требованиям. В отличие от других микропроцессоров ARM, семейство Cortex является завершенным изделием, которое объединяет стандартное микропроцессорное ядро и системную архитектуру. Ближайший зарубежный аналог микроконтроллера К1986ВЕ92QI STM32F103x [13].

Основные характеристики микроконтроллера:

32-разрядная шина данных;

128 Кбайт памяти программ flash-типа;

32 Кбайта ОЗУ;

тактовая частота - до 80 МГц;

напряжение питания микроконтроллера от 2,2 до 3,6 В;

встроенный домен с батарейным питанием;

В состав микроконтроллера входят следующие периферийные устройства: 43 пользовательские линии ввода-вывода, объединенные в 6 портов, контроллер прямого доступа к памяти, два контроллера CAN интерфейса, контроллер USB интерфейса, контроллеры интерфейсов UART, SPI, I2C, три 16-разрядных таймер-счетчика с функциями ШИМ и регистрации событий, а также два восьмиканальных двенадцатиразрядных аналого-цифровых преобразователя, один двенадцатиразрядный цифро-аналоговый преобразователь.

Большая часть выводов микросхемы K1986ВЕ92QI представляет собой цифровые линии ввода-вывода. Все эти линии можно настроить как цифровой выход, либо как цифровой вход, и использовать для взаимодействия с внешними устройствами.



Рис. 33. Выводы микроконтроллера K1986ВЕ92QI

Остальные выводы микроконтроллера используются следующим образом:

1, 12, 38, 48 - основное питание 2,2...3,6 В;

9 - шина USB D+;

10 - шина USB D-;

11, 39, 49, 64, 23, 27 - общий вывод;

13 - питание батарейного домена 1.8...3,6 В;

14 - флаг режима пониженного энергопотребления;

17 - сигнал внешнего выхода из режима пониженного энергопотребления;

18 - сигнал внешнего сброса;

19 -вход генератора HSE;

20 -выход генератора HSE;

24 - питание схем умножения тактовой частоты PLL 2,2...3,6 В;

28 - питание АЦП, ЦАП и компаратора 2,4...3,6 В;

37 -не используется [14].

2.8.3 Порты ввода-вывода микроконтроллера

Микроконтроллер К1986ВЕ92QI имеет 6 портов ввода/вывода: A, B, C, D, E, F. Все порты являются 16-разрядными и их линии могут использоваться различными периферийными блоками. Для этого необходимо задать выполняемую функцию и настройки для необходимых линий. Не все разряды портов связаны с выводами, поскольку микроконтроллер К1986ВЕ92QI размещен в корпусе, имеющем только 64 вывода.

Таблица 1

Линии портов микроконтроллера К1986ВЕ92QI

Название порта	Количество линий	Название линий
PORTA	8	PA0..PA7
PORTB	11	PB0..PB11
PORTC	3	PC0..PC2
PORTD	8	PD0..PD7
PORTE	6	PE0..PE3, PE6, PE7
PORTF	7	PF0..PF6

2.8.4 Среда программирования микроконтроллера

С помощью интегрированной среды программирования Keil мVision MDK-ARM возможно писать и отлаживать программы, на которых работают микроконтроллеры семейства ARM32 с использованием языков ассемблера, C и С++. В используемую среду включены все нужные для работы средства: компилятор, ассемблер, текстовый редактор со смысловой подсветкой кода, компоновщик, отладчик и другие элементы. Среда программирования может поддерживать большинство микроконтроллеров с архитектурой ARM32. С помощью драйверов Keil мVision работает с разными внутрисхемными программаторами-отладчиками, а также и с MT-Link.

...