基于DSP的傳感器制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于光機(jī)電技術(shù)和控制理論,以TMS320LF2407A 數(shù)字信號(hào)處理器為核心,建立了一種數(shù)字式的傳感器制備系統(tǒng)。根據(jù)傳感器制備系統(tǒng)的機(jī)械原理、總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)組成部分的實(shí)現(xiàn)方式,提出了基于TMS320LF2407A 的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

在分析血糖時(shí),配置相關(guān)的一系列溶液,通過(guò)給金針或銀針按照特定的流程與方法鍍上溶液膜,一段反應(yīng)時(shí)間后形成傳感器特性。為了達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的目的,需要考慮相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)方式、精確度、速度和位置要求等;由于生產(chǎn)過(guò)程中4 個(gè)溶液槽裝有不同的配置溶液,需要根據(jù)臨時(shí)的狀況人為地調(diào)整、控制每種溶液的鍍膜次數(shù),所以,把整套系統(tǒng)分為4 個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng),它們的機(jī)械動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)要求完全一樣。

系統(tǒng)的動(dòng)作主要分為上下和前后位移,由于鍍膜過(guò)程中要求傳感器進(jìn)出膜孔板的長(zhǎng)度與時(shí)間都有相關(guān)的要求,考慮到生產(chǎn)時(shí)間的高效性,所以,采用變速的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。機(jī)械部分通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠和導(dǎo)軌完成, 電子部分則采用TMS320LF2407A 實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

機(jī)械設(shè)計(jì)原理

脈沖當(dāng)量的確定
　　
采用的脈沖當(dāng)量為0.005 mm/ 步,若步進(jìn)電機(jī)以1kHz 頻率工作,則1ms走一步,工作臺(tái)1s移動(dòng)的距離為5mm.
　
確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)并驗(yàn)算
　　
系統(tǒng)選擇的是混合式步進(jìn)電機(jī),根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)可計(jì)算出等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為了使步進(jìn)電機(jī)獲得良好的啟動(dòng)能力和較快的響應(yīng)速度,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩匹配條件分析為
J el/ Jm ≤4 , Tel/ Tmax ≤0.5
式中: J el為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2 ; Jm 為步進(jìn)電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2 ; Tmax為步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩,Nm; Tel為負(fù)載等效力矩,Nm.

　
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架見(jiàn)圖1。每個(gè)子系統(tǒng)都有4 鍵的鍵盤(pán)控制,功能分別為啟動(dòng)、換板- 上升、換板- 下降、復(fù)位。

用LF2407 控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī),其事件管理器共可以產(chǎn)生16 路PWM 脈沖,而每個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要2 路PWM,一路用于轉(zhuǎn)向控制,一路用于步進(jìn)控制。

通過(guò)LF2407 的SPI 口與E2PROM 通信,可以保證電機(jī)在掉電過(guò)程中不丟失信息,具體方法為每次中斷時(shí)通過(guò)SPI 向E2PROM 中寫(xiě)入相應(yīng)的電機(jī)控制參數(shù),上電時(shí)bootlader 即可,而且電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有相位記憶功能,這樣就可以保證電機(jī)在掉電后的正常運(yùn)行。

考慮系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的一些突發(fā)事故, 利用PDPINTA/ B 引腳,連接一個(gè)光電隔離TPL521 ,就能實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)等故障保護(hù)功能。

由于系統(tǒng)中對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度控制有一定要求,故需細(xì)分以保證平穩(wěn),采用SVPWM方法實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序由6 大功能模塊組成,分別為初始化模塊、PWM設(shè)置模塊、鍵盤(pán)掃描塊、鍵盤(pán)服務(wù)模塊、電機(jī)控制模塊、SPI 收發(fā)模塊。電機(jī)控制模塊如圖2 所示,由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率低于最高啟動(dòng)頻率,所以,不必考慮加減速控制;中斷為定時(shí)器周期中斷。這樣,每次周期中斷調(diào)用一次電機(jī)控制模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度、啟動(dòng)與停止的控制。

　
結(jié)論

系統(tǒng)采用單片TMS320LF2407A ,充分利用了DSP豐富的片內(nèi)資源和高速運(yùn)算能力,保證了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性,有效地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。