关节臂式坐标测量机数据采集系统的研究

论文摘要

本文的研究对象是以单片机和CPLD为核心的关节臂式柔性三坐标测量机数据采集系统。测量机采用高精度的角度传感器测量各个关节的旋转角度,再根据杆件长度,通过系统模型方程得出测头的中心坐标,具有结构简单、量程大、体积小、价格低廉、安装方便、易于操作、可在线使用、便于携带等优点。数据采集系统主要对硬件和软件进行了分析和设计,并在最后经过实验验证了设计的正确性。在充分分析了传统关节臂数据采集系统的缺点后,提出了精度更高、成本更低的数据采集系统;可编程逻辑器件(CPLD)与单片机的结合,使得系统更具柔性化;C语言与Verilog HDL语言的结合使得系统调试灵活,方便整个系统的功能扩展。实验证明,本系统能够准确完成测量机的数据采集任务。本论文研究的课题是国家自然科学基金项目,项目编号是50475116,主要工作包括以下几个方面:1、参照了国内外的设计,根据测量机整体要求,确定了数据采集系统的整体方案;2、为了满足系统的速度、精度及可靠性要求,选取AVR单片机和CPLD作为硬件核心,对整个数据采集系统的硬件进行了设计;3、绘制数据采集系统PCB板,并对焊接后的电路进行了调试,经过两次改版,顺利完成了系统要求的调试任务;4、在Quartus环境下,采用Verilog HDL语言对CPLD编程,实现了信号的差分处理、4细分、辨向、可逆计数、锁存等功能;5、在ICC AVR环境下,对AVR单片机编程,实现了各电路板间的多机通信、读取并发送CPLD数据、实时显示等功能;6、在实验室仿真条件下,利用CPLD模拟的A、B、Z信号,对计数的准确性、同步锁存性、辨向可逆计数进行了验证,实验证明,系统可以达到设计的要求;7、在现场环境下对底部关节进行了实验,验证了系统计数的准确性、同步锁存性和辨向可逆计数,并对对径读数的必要性进行了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 关节臂式坐标测量机国外发展概述
• 1.1.2 关节臂式坐标测量机国内发展概述
• 1.2 课题的提出及研究意义
• 1.3 课题的主要工作
• 第二章 数据采集系统的基本原理
• 2.1 关节臂式测量机测量的基本原理及结构
• 2.2 一般测量机的数据采集原理
• 2.3 本关节臂式测量机的数据采集原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 数据采集系统的硬件设计
• 3.1 芯片选型
• 3.1.1 单片机选型
• 3.1.2 复杂可编程逻辑器件选型
• 3.1.3 总线选型
• 3.2 电源模块设计
• 3.3 信号源模块设计
• 3.4 信号采集及处理电路的设计
• 3.4.1 底座电路板设计
• 3.4.2 中间电路板设计
• 3.4.3 测头电路板设计
• 3.5 多轴数据同步锁存设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 数据采集系统的软件设计
• 4.1 开发环境简介
• 4.1.1 单片机调试软件
• 4.1.2 可编程逻辑器件调试软件
• 4.2 开发语言简介
• 4.2.1 单片机C语言简介
• 4.2.2 CPLD的Verilog HDL语言简介
• 4.3 底座板程序设计
• 4.3.1 底座板CPLD程序设计
• 4.3.2 底座板单片机程序设计
• 4.4 中间板程序设计
• 4.4.1 中间板CPLD程序设计
• 4.4.2 中间板单片机程序设计
• 4.5 测头板程序设计
• 4.6 上位机软件设计
• 4.7 辅助程序设计
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统实验
• 5.1 电路板的设计与制作
• 5.2 仿真实验
• 5.2.1 计数准确性验证
• 5.2.2 同步锁存验证
• 5.2.3 辨向计数验证
• 5.3 现场实验
• 5.3.1 角度准确性验证
• 5.3.2 同步锁存和辨向计数验证
• 5.3.3 单读数头与双读数头计数精度比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢