基于S3C2440的超硬磨具静不平衡点测量仪的设计.docx
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基于S3C2440的超硬磨具静不平衡点测量仪的设计
郑州轻工业学院
本科毕业设计(论文)
题目基于S3C2440的超硬磨具
静不平衡点测量仪的设计
学生姓名
专业班级
学号
院(系)电气信息工程学院
指导教师(职称)
完成时间2013年5月日
基于S3C2440的超硬磨具静不平衡点测量仪的设计
摘要
超硬磨具是采用超硬磨料(金刚石或立方氮化硼)作为切削材料的磨具。
超硬磨具有着无可比拟的优越性,随着新材料、新技术的不断涌现,其应用范围不断扩大,用量不断增长。
但由于超硬磨具有其本身的独特性能,使用不平衡的磨具会造成机械器件的损坏甚至是人身的安全。
针对超硬磨具的特点及应用场合,笔者提出了一种基于嵌入式系统的高性能、高精度的智能检测仪。
本文将当前主流的嵌入式系统技术引入到智能仪器仪表设计中,通过对超硬磨具材料特点,工作原理以及以S3C2440(ARM920T)为处理核心的嵌入式系统进行研究,实现了对静平衡测量系统结构的设计以及静平衡测量仪的硬件结构的设计。
移植了Linux嵌入式操作系统,并利用基于QT技术的系统显示界面,更智能化的显示测量数据。
进一步又编写了24位数模转换器ADS1252的驱动程序,7寸LCD触摸屏的驱动程序以及实时数据处理程序等。
通过硬件系统的设计、实验以及软件编程、驱动的编写调试,最终实现了超硬磨具的静平衡点测量的性能要求,达到了检测装置的各项设计指标。
关键词嵌入式系统S3C2440ADS1252
ThedesignofapparatusbaseonS3C2440static
centersurveyofultra-hardabrasivetools
Abstract
Grindingwheelscutmaterialsbyextra-hardabrasivessuchasdiamondorcubicboronnitrideandcontainincomparablesuperiority.Theirapplicationrangeandamountcontinuallyincreasewiththedevelopmentofnewtechnologiesandtheappearanceofnewmaterials.Butgrindingcuttershavetheirownparticularpropertiesandmayproduceimbalance,damagingmechanicaldevicesoreventhreateningphysicalsecurity.Consideringtheircharacteristicsaswellasapplicationoccasions,theauthoroffersakindofintelligentdetectorbasedonembeddedsystemwithhighperformanceandprecision.
Withintroducingpopularembeddedsystemtechnologiesatpresentintothedesignofintelligentinstrumentandapparatus,researchingthematerialcharacteristicsandoperatingprincipleofultra-hardabrasivetoolsaswellasS3C2440(ARM920T)embeddedsystem,thispaperimplementsthestructuraldesignofstaticbalancemeasuringsystemandhardwaresofstaticbalancesurveymeter.Besides,throughtransplantingembeddedLinuxoperatingsystemandusingdisplayinterfacebasedonQT,measurementdatacanbedisplayedmoreintelligently.Furthermore,theauthorstillwritesdevicedriversof24DigitalanalogconverterADS1252and7-inchLCDtouchscreenaswellasrealtimedataprocessingprogramandsoon.throughthedesignandtestofhardwaresystem,writinganddebuggingofsoftwareprogramminganddriver,finallytheperformancerequirementsofstaticcentersurveyofultra-hardabrasivetoolsareachievedandthedesignindicatorsofdetectorsarereached.
Keywords:
EmbeddedsystemS3C2440 ADS1252
1绪论
1.1课题的来源及意义
1.1.1静平衡研究的意义
超硬磨具是现代工业发展中的必备品,超硬磨具主要用于对各种金属、非金属材料的切割、开槽、抛光等。
广泛应用于航天航空、船舶制造、电子信息、地质冶金、建筑装修、石材加工、机床工具、军工等机械加工的各个领域。
在工艺器件在机械加工过程中,精密磨削加工往往是加工过程中最重要的阶段。
磨削加工过程决定了被加工器件的最终形状和尺寸精度,并影响着器件的性能。
在机械加工过程中引起器件表面产生波纹、圆度误差的最主要因素是砂轮和被加工器件之间的相对跳动。
引起这种跳动的主要原因之一是磨具本身的不平衡引起的。
即使磨具自身只有很小的不平衡量,也会产生非常大的不平衡离心力。
严重影响着器件的合格率、加工装置的轴承磨损甚至威胁到操作人员的安全。
因此超硬磨具的平衡性越来越被人们重视,对其平衡精度的要求也越来越高。
本文采用三点测量式静平衡,它是完全不同于以往使用的检测平衡方法,它在同一平面同一圆周间隔角度为120度的地方设定三个压力测量装置,分别对三个点的压力进行测量。
然后对三个点测得的数据求矢量和,从而可以测出被测物件的矢量不平衡点。
测量系统采用24位高精度AD转换器测量数据,并采用S3C2440作为核心处理器。
极大的提高了测量精度,以及运算效率,并采用Linux系统使得仪器的使用操作更为简便。
因此超硬磨具静平衡测量仪在生产中有着广泛的应用前景。
1.1.2传统静平衡存在的问题
为消除磨具不平衡对加工质量的影响,早期的方法是将砂轮安装于特制芯轴上,再将其放在水平放置的平行导轨上,若砂轮在任何位置均能静止,则认为砂轮已经达到平衡状态。
否则调整砂轮法兰上的平衡块的位置,直至砂轮达到平衡为止,这种方法称为人工静平衡法。
人工静平衡方法是将磨具从磨床上卸下,支撑在平衡架上,通过在质心相反方向加橡皮泥或铁夹的办法,可确定出不平衡重径积的大小。
调整砂轮法兰盘上的平衡块,使砂轮在平衡架上的任何位置都能停转为止。
这种脱机的平衡方法很不方便,而且受平衡导轨精度、平衡芯轴圆度、摩擦力以及操作人员的技术水平的影响,平衡精度受到一定限制,并且测量时间长,使用也不方便。
传统的静平衡测量方法主要是人工做静平衡时,由于磨具直径较大、自重较大。
导致静惯性较大,所以当静平衡做到一定程度时就无法继续下去,此时砂轮仍留有一定的残余不平衡。
总之,要想让砂轮磨削出尺寸精确,表面光滑的物件,必须防止磨削过程中的振动。
引起振动最主要的原因又恰恰是砂轮本身的不平衡性。
本系统采用的“三点矢量”检测法。
它比传统静平衡的方法精度高,效率高,而且装置易于操作。
1.2超硬磨具静平衡测量系统简单介绍
电子技术的发展推动了砂轮静平衡技术的的发展,超硬磨具静平衡测量系统是根据“三支点称重式”的方法来测量物体的平衡性。
测量位于同一圆心相隔120度的三点的质量,根据理论力学中平面力系合成法计算得出加重或去重的重量和位置。
本文是基于ARM核的底层硬件的设计,制作一个基于嵌入式的不平衡测量系统,并且扩展一些必需的接口,方便后续的研究开发。
本系统在核心板块采用了三星公司的S3C2440芯片作为处理器,主频高达400MHz;NANDFlash是用64MB的K9F1208,用来存放嵌入式系统映像及根文件系统;SDRAM是采用两片三星公司的K4S561632,相当于电脑的内存,是系统运行的重要组成部分;1个调试串口,用于跟PC机的串口通讯;一个JTAG接口,可以进行简单的仿真调试并且可以将交叉编译好的程序烧写进Flash中;两路的电源转换电路,复位电路;10/100M自适应网卡DM9000A,用于跟PC机的网络通讯。
在该系统中测量模块采用5Kg称重传感以及高精度24位AD转换器,理论测得质量精度在0.1g。
另外又采用Linux嵌入式系统,使得整个测量系统更为智能化。
1.3本课题研究的内容
本文结合当前成熟的嵌入式技术和传感器技术的发展,对磨具静平衡的测量方法进行改进,本文的研究包括以下这几个方面:
不平衡测量点信号的采集与处理;处理器对检测信号的分析处理,并对测得的数据进行保存等;处理器指挥电机装置的运动,对超硬磨具进行自动测量。
具体的工作体现在以下几方面:
(1)分析超硬磨具的特性,深入理解静平衡测量原理,制定本系统的整体设计方案。
(2)对设计的ARM平台的硬件分析,平台中用到的主要器件进行深入分析和研究。
(3)描述底层的启动代码的编写,因为嵌入式是要和Linux操作系统配合的,因此启动代码是所有应用程序的所必须的。
(4)简单描述Linux内核与系统文件的移植于编译。
(5)主要器件的驱动代码的编写
2.系统整体方案
2.1超硬磨具平衡理论概述
2.1.1基本概念
砂轮作为高效磨削工具被广泛应用在玻璃、石材、陶瓷、半导体等材料加工业。
作为一种高速旋转件,其不平衡量值直接影响着金刚石砂轮工作时的振动大小以及机床的工作寿命和被加工对象的磨削精度。
根据牛顿运动定律,任何物体在匀速旋转时,体内的各质点都将产生离心力。
如果转子的质量分布相对于转轴是均匀的,那么这些离心力相对转轴也是对称分布的,可以相互抵消、相对平衡,不会对转子的支承产生动压力,系统不会产生振动,此时的转子称为平衡转子,于是转子处于平衡状态。
反之,若转子质量分布不均,则转子在旋转时就会有不平衡的离心力作用于转子的支承上,此时,转子处于不平衡状态,称为不平衡转子。
因此一个转子的平衡与否,主要是由转子的质量相对于旋转轴的分布状态决定的。
由于生产工程中材料组织分布不均匀,机械加工误差以及装配误差等原因,使得通过砂轮重心的主惯性轴与旋转中心不重合,因而砂轮是不平衡转子。
2.1.2超硬磨具不平衡的表示方法
砂轮的不平衡是由于砂轮质量分布不均匀,旋转时候产生的惯性离心力的分布相对于转轴不对称而无法完全消除造成的。
离心力的大小可由下式计算:
(2-1)
式中
为砂轮质量,n为砂轮的工作转速,r为砂轮重心与旋转轴线的偏移量
为金刚石砂轮的工作角速度。
由上式可知,离心力与砂轮转子的转速有关,当转速发生变化时,其离心力随之发生变化,所以离心力并非转子本身所固有的量。
除与转速有关以外,离心力还与
有关,当转速一定时,离心力完全由
确定。
因此,在平衡技术中,用
来表示转子的不平衡量,并以符号U表示,即:
(2-2)
单位:
克·厘米(g·cm)或克·毫米(g·mm),不平衡量U为一矢量,其方向与半径矢量r相同,如果用系统的质量彪去除转子的不平衡量u,即得到转子的单位质量的不平衡量,叫做转子的比不平衡量,也称为不平衡率,一般以符号e来表示:
(2-3)
e的常用单位为微米,e所表示的是转子的不平衡程度。
由式(2-3)可知,对于静不平衡转子丽言,也就是按单面平衡的薄圆盘转子,转子的比不平衡等于转子的偏心距。
由于金刚石砂轮的工作转速一般都非常高,即便有很小的不平衡量,也会产生非常大的不平衡离心力。
离心力是造成轴承磨损、机器振动的主要原因之一,严重影响着磨削时的加工精度和机床的使用寿命,因此砂轮在制造中必须进行动平衡校正。
2.2静平衡测量系统原理
本文设计的静平衡测量系统采用“三点测量求矢量和”的方式对砂轮进行静平衡的测量。
其原理是将被测工件中心放置在由三组传感器组成的支面内,并和分布在同一圆周上的三传感器中心同心根据理论力学中平面力系合成法,利用3个传感器传出电压信号,经模数转换成被测工件重量,再通过计算得出加重或去重的重量和位置采用该平衡方式不仅可以计算出转轮的不平衡重心位置,而且还可以测出转轮的实际重量。
图1-1测量系统示意图
3个压力传感器A,B和C布置位置见图1-l所示,均匀分布在同一圆周上。
三点两两之间到圆心直线的夹角为120度。
可以论证,如果砂轮均匀,则三传感器的示数分别乘以他们到x轴的距离的矢量和为0,同理其示数乘以他们到y轴的距离的矢量和亦为0。
如果砂轮不均匀(或平衡),则三传感器示数有偏差。
同样可以算出x轴上和y轴上的偏移量(这里指传感器示数乘以矢量),x轴方向偏移量和y轴方向偏移量矢量再一次矢量求和即可算出其重心偏移的坐标和需要的补偿量。
不妨规定x轴正方向为正,y轴正方向为正,反之为负。
A示数m1,B示数m2,C示数m3,砂轮半径为R,r为补偿点离圆心的距离,
为补偿点逆时针旋转的角度。
由几何知识可知:
x轴偏移量为:
(2-4)
y轴偏移量为:
(2-5)
补偿点半径为:
(2-6)
补偿点角度为:
(2-7)
由公式以上可求出补偿点极坐标为(
,r)。
所以当给定补偿半径后可以确定所需补偿的质量。
为减少系统误差,测量时做3次,同时将传感器转换180°后再按上述要求做3次测量,最终对得到的值求平均即可计算出转轮最终的不平衡重和角度,并生成数据存储起来。
2.3控制系统结构
超硬磨具静平衡测量仪系统包括对砂轮不平衡点位置、质量的测量,辅助电机的驱动,超限报警等基本功能和与远程电脑通讯功能。
处理器核心如果选用8位或者16位的51、PIC单片机,这些单片机功能简单,虽然能满足时下的需要但是难以满足嵌入式设备的需要,而且对人机交互功能也相对较弱,故而超硬磨具静平衡测量仪系统就必须选用更高级的处理器。
所以本文选择32位的ARM9微处理器,主芯片为S3C2440。
外围模块包括信号采集与处理电路、键盘接口电路、LCD显示电路、打印机接口电路、电机驱动电路、串口通讯电路等。
超硬磨具测量系统通过3只在同一平面上的精准称重传感器及控制系统系统便可测得工件的不平衡量及偏移位置。
并采用7寸液晶屏显示,使得测量仪器更加智能化。
其系统结构框图如下图所示。
图2-1测量系统结构图
3静平衡测量仪硬件平台的原理分析
对于嵌入式系统来说,硬件是其存在并发挥作用的基础。
因此,硬件设计直接关系到系统的性能的优劣。
硬件电路的设计需要紧紧围绕着所要开发系统的功能要求,这样可以在性能与成本的综合考虑中取得最大的性能价格比。
在硬件电路设计的过程中,还需对静平衡测量仪使用的各个芯片进行研究,分析各个引脚的功能与作用。
在电路布线的时候,还需考虑整个开发板的数字地与模拟地的隔离,并且要做好信号干扰的屏蔽。
3.1处理器平台及外设模块
3.1.1处理器平台核心板
静平衡测量系统采用的处理器模块,是广州天嵌计算机有限公司开发的TQ2440开发板,该开发板由插拔式核心板TQ2440和底板TQ2440SDK组成,核心板与底板采用排针插拔方式,较为有利于二次开发与调试。
TQ2440核心板其实是一个最小系统板,采用6层板工艺制作,其中3层电源层设计,使其具有最佳的电气性能和抗干扰性能。
它具有最基本的系统配置:
(1)CPU:
三星的S3C2440嵌入式微处理器,主频400MHz,最高可达533MHz,即每秒数据处理能力533MIPS;;
(2)FLASH:
64MNandFlash,掉电非易失,作为存放启动程序、内核以及根文件系统;
(3)内存:
共64MB,由2片4Banksx4Mxl6bits,PCIOO/PCI33兼容的SDRAM(HynixH1f57V561620)组成;
(4)时钟:
12MHz系统外部时钟源和内部实时时钟(带后备锂电池);
(5)1个电源指示等和4个用户指示灯;
(6)两排U型排针插拔式接口:
引出CPU的其他资源接口。
由于TQ2440核心板是U型双排针插拔式器件,非常有利于产品的量产,有利于二次开发,使开发者能大大缩短开发周期,不必担心画高速核心板PCB给开发带来的各种硬件问题。
并且核心板上集成了复位模块及用于芯片内部测试的边界扫描模块JTAG.1(JointTestActionGroup),从而避开了开发者依赖底板硬件的开发,避免二次开发中因这些模块而带来的各种麻烦。
大大提高了项目开发效率。
3.1.2处理器平台外围底板
在底层板设计的过程中,没有采用天嵌科技生产的底层板。
因为底层板根据自己的需求设计出相应模块,这样可以节省资源、方便后续的维修调试、提高测量仪器的性能等。
基本器件有:
(1)电源模块,在嵌入式测量系统中电源的设计虽然不是重点但是却有着无比重要的作用。
由于在数据采集过程中要为基准芯片REF02提供12V电压,因此本文设计中输入电源采用电源适配器提供的12V,接入输入电源后先经过7805进行电压的转换为5V,5V电源可以为触摸屏、模数转换芯片提供电源,但是本文采用的S3C2440需要采用3.3V的电源,因此由5V直流经AS1117AR-3.3后稳压输出3.3V电源为处理器供电。
在设计电源模块时候,不仅仅要考虑安全因素,更要考虑电源的稳定性,避免因电压波动,引起的侧利郎不精确,所以需采用电容来稳压。
经电源模块整理后分为5V、12V以及为CPU等供电的3.3V三种,原理图如下:
图3-1电源模块原理图
(2)标准JTAG接口的标准调试模块,该模块可以使用JLINK等硬件仿真器通过JTAG接口对其进行在线实时仿真调试,也可对其外扩的Flash存储器进行编程。
(3)串口模块,通用异步收发器简称UART,用来传输串行数据:
发送数据时,CPU将并行数据写入UART,UART按照一定的格式放在一根线上串行发出;接受数据时,UART检测另一根线上的信号,将串行数据收集放在缓冲区中,CPU即可读取UART获得这些数据。
UART之间以全双工方式传输数据,最精简的连线方法只有三根电线:
TXD用于发送数据,RXD用于接受数据,GND用于给双方提供参考电平。
UART使用标准的TTL/CMOS逻辑电平来表示数据,高电平表示1,低电平表示0,为了加强数据的抗干扰能力,提高传输长度,通常将TTL/CMOS逻辑电平转换为RS232电平,3V表示0,12V表示1。
S3C2440的UART的每个通道支持的停止位有1位、2位,数据位有5、6、7或8位,支持校验功能。
可以提高数据的真实性。
S3C2440的UART的FIFO深度为64,发送数据时,CPU先将数据写入发送FIFO中,然后UART会自动将FIFO中的数据复制到“发送移位器”中,发送移位器将数据一位一位地发送到TXD数据线上(根据设定的格式,插入的开始位,校验位和停止位。
接收数据时,“接收移位器”将RXD数据线上的数据一位一位的接收进来,然后复制到接收FIFO中,CPU即可从中读取数据。
由于S3C2440是3.3V系统,所以可以使用工作电源范围在3.0—5.5V的MAX3232进行RS232电平转换。
原理图如下图所示:
图3-2串口通讯模块
(4)USB接口模块,在底层板中设计了两个USB接口:
一个是USB_HOST接口主要用U盘的接入,方便后续的数据管理;另一个是USB_Deive接口使用标准的USB延长线连接PC用于数据的传输。
(5)用户键盘模块,测量系统除了可以通过控制触摸屏来完成系统启动方案,调节某一具体参数或者数据保存、发送外还可以通过按键手动设置设计的功能按键分别定义为:
上移、下移、左移、右移。
原理图如下:
图3-3按键驱动电路
(6)GPIO接口分别是:
两排U型排针插拔式接口用来与核心板对接;7寸触摸屏接口,用来控制显示器;外围补充接口,方便对系统的调试。
3.2数据采集模块
在测控系统中,需要对系统中被控制对象物理量变量进行采集,传输给处理器,处理器才能对各控制量进行处理。
而被测控对象的相关物理量信号,主要通过各种传感器采集后,经调制、采样、量化、编码等处理为合适量值大小,而后送至控制器进行数据处理或存储记录。
对测控系统进行数据采集,是取得测控系统原始数据的主要手段。
对测控系统进行数据采集,一般所面临的主要问题是数据采集的速度和精度。
而采集速度主要与设定的采样频率、A/D转换器的转换速率等因素有关,采集精度主要取决于A/D转换器的位数。
3.2.1称重传感器
称重传感器是根据压电效应的原理来工作的。
所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应。
重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。
由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化成电压输出。
本课题的不平衡测量仪需要通过重力传感器分别测得3支点相应的压力转换城的模拟信号:
Ua、Ub、Uc、并分别将其连到模数转换器的八个输入端进行AD转换。
3.2.2A/D转换器芯片选择
A/D转换器是模拟量输入通道中最重要的一个环节,处理器通过A/D转换器把输入模拟量变成数字量再处理。
随着大规模集成电路的发展,目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器,以满足不同应用场合的需要。
由于这次设计中要测量要求精度比较高,所以本次设计采用24位高精度△-∑模数转换器ADS1252,ADS1252可以实现23位转换,理论可检测电压为0.000001V,完全可以实现测量仪表的设计。
ADS1252是美国德州仪器公司推出的一款高精度、宽动态范围、采用单+5V电源供电、具有24位分辨率的单通道A/D转换器。
它采用差分输入方式,对于低电平电压信号接入非常有利;它采用4阶∑-△结构的调制器,可以得到宽动态范围和24位无差错编码;它内部有三阶数字滤波器,可以滤除电源波纹和其他干扰;它的数据输出率可随系统时钟的改变而改变,当数据输出速率达到最大40kHz时,仍具有19位的分辨率;它提供一个2线同步串行接口,可以方便的与微处理器连接。
所有这些特点使得ADS1252非常适合用做高精度数据采集模块的A/D转换器。
ADS1252主要包括四阶△-∑调制器、可编程数字滤波器、串行SPI接口和逻辑控制器四个功能结构。
外部引脚也非常简单,主要包括模拟输入、数字时钟等。
ADS1252是一个高精度、宽动态范围的A/D转换器,在高数据速率的情况下也可获得很高的分辨率。
模拟信号经微分调节器输入后按系统时钟速率被采样,然后进入四阶△-∑调制器进行调制,紧接着是数字
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