基于高速单片机控制的位移测量系统设计

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摘要：设计了基于高速单片机智能消抖算法的位移测量系统，给出了该系统的流程图和部分关键程序。
该系统解决了一般控制系统中存在抖动误差的问题，实现了无抖动误差的控制，具有很高的测量精度，适用
* o' V7 \" A0 ~- p1 T4 g于测井仪和数控机床等要求精度比较高的场合。
+ T9 ^5 z, h9 j0 \( c7 h0引言
2 n# t! K4 @$ w! @. X, ^% ~+ ^数控测井地面仪是一个由计算机实时控制的数
$ }! ~4 S9 T/ Q5 c; U* t据采集系统。在数控测井地面系统中设置了深度子
系统，用以产生深度中断信号控制测井数据采集，以
8 Z' }- P$ t  {使测井数据曲线的显示、记录和深度一一对应起来。
- K) g: n) a! f  p2 O除了提供深度同步控制以外，深度子系统对下井仪
& `2 d+ X) o; J  _  X  u3 r器提供仪器升降运动的方向、速度、下井深度等信
息。该仪器主要由电缆运动测量头、信号的检测处
理和显示等设备组成。
# i- k2 M8 [, @, s# p6 Q8 E一般位移子系统采用数字逻辑电路进行仪器升
降运动的方向判别、抖动消除、速度、下井深度的运
0 F# v9 p4 B1 }# m算，结构复杂，适应性差(深度采样间隔变化或测量
轮磨损需要校深时)，尤其对抖动消除的效果不佳。
& f; ^& C. Y  C5 w) g" G本仪器采用软件的方法进行仪器运动方向判别、抖
' J, q2 @( Z$ H7 U$ z) H1 }" c动消除、速度、下井深度的运算及深度校正等，取得
3 f" o7 s) y* {2 d# @# d了较好的效果。
1设计方案的实现
9 D7 k+ F4 h: x, W! ?1．1 高速单片机简介
7 V2 o9 M+ u6 Q6 a- D9 ?2 q本仪器选用W77E58高速单片机作为位移测
量控制核。高速单片机W77E58是WINBOND公
司生产的与MCS一51／52引脚和指令兼容的高速
单片机，主要有以下特性：
- ]: j' c! U! k6 L  J' F(1)内部集成了高速结构，将12周期／指令缩减为
4周期／指令，使CPU的响应速度提升了1．5～3倍；
6 A+ K4 u- M, `" _(2)最高工作时钟频率为40 MHz；
(3)集成了256 B可直接读取的RAM和1 KB
用MoVx读取的内置SRAM；
1 p9 c" S3 |2 z$ P. {(4)内部有32 K的FI。ASH程序存储器；
+ R4 h) V9 x, s2 s9 u(5)有2个全双工串行通信口，支持UART(通
用异步通信接收和发送器)和同步移位寄存器，不仅
如此，该芯片的串口还增加了帧结构错误探测
(FED)和地址自动识别(AAR)功能；
9 K! H1 u( y, q, S* k(6)内部集成了看门狗复位电路。
2 c! j" i6 W# A7 C1 v1．2 位移测量原理
; m# H  G3 X4 ~$ C9 L当下井仪器在测井电缆的带动下沿井筒上(下)
( d+ q. k  D  s$ y4 r. S7 ]8 G2 b, h运动时，电缆带动测量头上的测量轮顺(逆)时针转
动，安装在测量轮上的光栅编码器也随之转动，光栅
编码器输出A、B两相正交的方波信号，如图1所
+ O8 k! i  M# B2 O2 F# ~示。当编码器顺时针转动时，A相信号前沿超前
0 i8 H5 ~$ g! }" j4 Z0 tB相信号1／4周期；编码器逆时针转动时，A相信号
滞后B相信号1／4周期。要正确计测深度位置，必
须根据2路脉冲相位关系进行方向判别。
0 }, u2 z0 P. f6 m7 d) j' H根据A相和B相信号的正交特性，可判别仪
器的运动方向，根据信号的频率计算出仪器的运动
% `, m1 z1 D! O0 }速度和仪器下井深度。
需要注意的是光栅编码器的抖动问题，光栅编
7 W7 }* o/ h& m7 G9 y) {码器的抖动会引起深度测量误差。在一般逻辑电路
的消抖电路中，无法真正地消除误差。
+ `7 J' F& k! X1．3硬件设计
位移测量子系统要完成下井仪器运动方向判
别、抖动消除、速度、下井位移的运算及位移校正，因
此，该系统由信号整形电路、控制器、显示电路、通信
. h( t5 U( {& b& d接口电路等组成，如图2所示。
6 w/ z2 j. `/ k  p( F8 ]0 ^
# J: D1 ~: X4 W. b* L9 j9 W4 k由测量头监测到信号后传递给光栅编码器，输
9 F3 l2 m) o8 M! H* \9 R出信号的幅度为5～12 V，来自编码器的信号首先
  Y+ T4 ~  B9 L; g$ ~& N经过整形电路处理，变成与控制器兼容的电平信号，
% k2 B& C2 v0 Z5 r! _" B$ V整形后的信号APP和BPP送控制器进行深度、速
度测量及方向鉴别。单片机将测量到的当前深度、
8 m2 v6 g. p( Z" _0 f2 c+ ^速度及运动方向锁存到显示电路显示。
采用快速处理器高速单片机W77E58后，深度
: i- k3 }1 G! V( q) u# C4 O# u4 Y% T$ i% f处理电路非常简洁，提高了系统的可靠性。
1．4软件部分设计
程序主要有主程序和中断处理程序。主程序完
) c& w; M9 F) v& @9 r0 _成实时性不高的任务，如速度计算、与主机的通信、
深度、速度及状态显示等。中断处理程序完成实时
  C; m! k, {% G6 f性高的任务，如方向判别、深度脉冲计数、消除抖动
7 e( }, s' M, v+ E* o1 a等。TO和INTl中断优先级设为最高优先级，确保
不会丢失深度脉冲信号。
5 c" s$ l- M2 n2 A+ r5 M4 P主程序流程图如图3所示，TO中断处理程序流
3 T8 o$ m3 f4 a, F# }0 b8 A5 V程图如图4所示，INTl中断处理程序流程图如图5
5 T. J  ^- {2 G$ n& u; F所示。
7 _# \+ m" G% ]+ |为了进行深度、速度的计算，需要浮点运算，采用
$ y+ F1 v6 y. _# G+ tC51编程。由于W77E58的高速处理能力以及优化
9 ~  B) z( j, _/ r& v算法，用C语言编程也能满足深度系统的实时性。
  {# ~( o7 N! \APP信号一路直接送W77E58的TO，同时将
$ l( n$ [0 Z9 @APP反相后送W77E58的INTl。这样做的目的是
让单片机能够感知APP的上升沿和下降沿。在
0 ^5 ]2 y9 ~( a, L4 X3 y6 p+ Y1个周期的上升沿对BPP信号检测，进行运动方向
鉴别，而在下降沿则根据BPP信号的状态决定是否
" Q- n+ U2 p/ f3 q/ K3 U进行深度计数(下井仪器向上运动，减计数；下井仪
器向下运动，加计数)，若为抖动，则不计数，从而消
0 z# J2 y) A8 f& p- Z7 f除了抖动对深度测量的影响。当深度到达预定间隔
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