多路壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中多路壓電陶瓷高壓驅(qū)動(dòng)器輸出電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示的需要，提出了基于高速單片機(jī)C8051F120的電壓測(cè)量、顯示和通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。利用20路電壓測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)電壓采集，通過ModBus RTU通訊協(xié)議對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和LCD液晶顯示。詳細(xì)介紹了液晶顯示接口的硬件設(shè)計(jì)方案，電壓測(cè)量模塊與單片機(jī)的通信以及軟件設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此液晶模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)的良好效果。
關(guān)鍵詞：LCD；單片機(jī)；壓電陶瓷；電壓采集；ModBus協(xié)議；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，波前校正器作為光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分發(fā)展起來，它與波前傳感器和波前控制部分相結(jié)合，使光學(xué)系統(tǒng)具有克服外界動(dòng)態(tài)干擾的能力，這是傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)難以做到的。在眾多類型的波前校正器中，分立壓電式連續(xù)鏡面變形鏡以其變形量大、表面變形沒有間斷點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的采用。變形鏡的結(jié)構(gòu)有基板、驅(qū)動(dòng)器和薄鏡面組成，在基板上固定若干個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器前在固定一個(gè)薄的光學(xué)鏡面，施加電壓給驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷即可產(chǎn)生正的或負(fù)的變形，從而推動(dòng)薄反射鏡表面產(chǎn)生變形，起到改變光學(xué)波前并校正波前誤差的作用。為了防止壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓出現(xiàn)異常，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要及時(shí)了解各路壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓情況，并且工程中要求監(jiān)測(cè)上千路壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，所以設(shè)計(jì)壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)成為一個(gè)亟需解決的課題。
本設(shè)計(jì)的主要工作是利用20路電壓測(cè)量模塊采集到壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，通過ModBus RTU通訊協(xié)議，經(jīng)RS485接口將電壓數(shù)據(jù)傳送到高速單片機(jī)，并在LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示各路壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓值，20路電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 20路電壓測(cè)量模塊介紹
1．1 20路電壓測(cè)量模塊功能與特點(diǎn)
20路電壓測(cè)量模塊是一智能型的數(shù)據(jù)采集模塊，可以測(cè)量20路電壓號(hào)，輸入信號(hào)為直流。其輸出為RS485，通訊協(xié)議符合ModBus RTU協(xié)議。此模塊可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。其主要的功能特點(diǎn)如下：
采用最新電子技術(shù)，以高速信號(hào)處理器、微處理器為核心的數(shù)字式智能型數(shù)據(jù)采集模塊；可測(cè)量20路0～500 V直流電壓信號(hào)；并且量程可以根據(jù)需要選擇；配有光電隔離的RS-485通訊接口，ModBus RTU通訊規(guī)約，可以與具有ModBus兼容協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的有效傳送。
20路電壓測(cè)量模塊的技術(shù)指標(biāo)如下：
測(cè)量精度能夠達(dá)到0．2級(jí)，在利用模塊進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，地址范圍是0～255，并且波特率可選，默認(rèn)值為9 600b／s。
工作條件：溫度范圍是-30～70℃，濕度范圍是10％～90％RH；存儲(chǔ)條件：溫度范圍是-40～80℃，濕度范圍是10％～90％RH。
1．2 ModBus通訊規(guī)約
在各種不同的系統(tǒng)通信中，Modbus協(xié)議是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的、真正開放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過該協(xié)議控制器之間、控制器與其它設(shè)備之間都可以實(shí)現(xiàn)通信。由于設(shè)計(jì)所用的20路電壓測(cè)量模塊采用ModBus通訊協(xié)議，作為主機(jī)的單片機(jī)也應(yīng)該采用此協(xié)議，才能實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的通信。在編程實(shí)現(xiàn)主機(jī)功能之前，需要理解協(xié)議的規(guī)約。
主機(jī)查詢信息包括從設(shè)備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤校驗(yàn)。從機(jī)回應(yīng)信息包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤校驗(yàn)。
主機(jī)和從機(jī)的通信方式符合查詢-回應(yīng)的方式，主機(jī)發(fā)送的查詢消息中的功能代碼告訴從機(jī)要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段中包含了從機(jī)要執(zhí)行功能的附加信息以及寄存器的起始地址和數(shù)量，錯(cuò)誤校驗(yàn)為從機(jī)提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。從機(jī)產(chǎn)生回應(yīng)是建立在讀取指令未發(fā)生錯(cuò)誤的前提下，在回應(yīng)消息中的功能代碼是查詢消息的回應(yīng)，數(shù)據(jù)段包含了從機(jī)收集的數(shù)據(jù)。如果中間過程發(fā)生錯(cuò)誤，功能代碼將被修改，并且數(shù)據(jù)段包含描述錯(cuò)誤信息的代碼，錯(cuò)誤校驗(yàn)允許主機(jī)確認(rèn)消息是否可用。
1．3 20路電壓測(cè)量模塊組網(wǎng)
因?yàn)?0路電壓測(cè)量模塊的輸出為標(biāo)準(zhǔn)RS485，所以以RS485為接口的20路電壓測(cè)量模塊可以進(jìn)行組網(wǎng)。通常RS485網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為32個(gè)，通過中繼器可以提高RS485接口的帶負(fù)載能力，最多可達(dá)到驅(qū)動(dòng)256個(gè)模塊的能力，從而可以將多個(gè)20路電壓測(cè)量模塊組成網(wǎng)絡(luò)，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)幾百路甚至上千路電壓的需要，最終達(dá)到監(jiān)測(cè)顯示多路壓電驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的要求。

2 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計(jì)
2．1 RS485通信接口
由于20路電壓測(cè)量模塊支持RS485串行通信，為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電壓測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)通信，必須設(shè)計(jì)RS485通信接口。主機(jī)可以通過RS485接口將查詢信息傳送給從機(jī)，同時(shí)從機(jī)可以將采集的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)回應(yīng)給主機(jī)。采用RS485信號(hào)收發(fā)專用芯片MAX485實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要充分考慮MAX485芯片同相端、反相端的電平對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于從機(jī)回應(yīng)數(shù)據(jù)幀的初始位-低電平使主機(jī)產(chǎn)生接受中斷，所以只有MAX485芯片同相端A的初始電平大于反相端B的初始電平時(shí)，才能保證主控制器單片機(jī)打開接收中斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤中斷，而造成接到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀，RS485接口電路原理圖如圖2所示。