多路壓電陶瓷驅(qū)動器電壓實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：為了滿足自適應光學系統(tǒng)中多路壓電陶瓷高壓驅(qū)動器輸出電壓實時監(jiān)測、顯示的需要，提出了基于高速單片機C8051F120的電壓測量、顯示和通訊系統(tǒng)設計方案。利用20路電壓測量模塊實現(xiàn)電壓采集，通過ModBus RTU通訊協(xié)議對采集到的電壓數(shù)據(jù)進行接收、處理和LCD液晶顯示。詳細介紹了液晶顯示接口的硬件設計方案，電壓測量模塊與單片機的通信以及軟件設計方法，通過實驗驗證了此液晶模塊實時監(jiān)測顯示系統(tǒng)的良好效果。
關鍵詞：LCD；單片機；壓電陶瓷；電壓采集；ModBus協(xié)議；實時監(jiān)測

在自適應光學系統(tǒng)設計中，波前校正器作為光學系統(tǒng)的一個重要組成部分發(fā)展起來，它與波前傳感器和波前控制部分相結合，使光學系統(tǒng)具有克服外界動態(tài)干擾的能力，這是傳統(tǒng)光學技術難以做到的。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等優(yōu)點而被廣泛的采用。變形鏡的結構有基板、驅(qū)動器和薄鏡面組成，在基板上固定若干個壓電驅(qū)動器，驅(qū)動器前在固定一個薄的光學鏡面，施加電壓給驅(qū)動器，壓電陶瓷即可產(chǎn)生正的或負的變形，從而推動薄反射鏡表面產(chǎn)生變形，起到改變光學波前并校正波前誤差的作用。為了防止壓電驅(qū)動器輸出電壓出現(xiàn)異常，導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要及時了解各路壓電驅(qū)動器輸出電壓情況，并且工程中要求監(jiān)測上千路壓電驅(qū)動器的輸出電壓，所以設計壓電驅(qū)動器輸出電壓監(jiān)測顯示系統(tǒng)成為一個亟需解決的課題。
本設計的主要工作是利用20路電壓測量模塊采集到壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出電壓，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，并在LCD液晶屏上實時顯示各路壓電驅(qū)動器的輸出電壓值，20路電壓監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 20路電壓測量模塊介紹
1．1 20路電壓測量模塊功能與特點
20路電壓測量模塊是一智能型的數(shù)據(jù)采集模塊，可以測量20路電壓號，輸入信號為直流。其輸出為RS485，通訊協(xié)議符合ModBus RTU協(xié)議。此模塊可以廣泛應用于各種工業(yè)測控系統(tǒng)。其主要的功能特點如下：
采用最新電子技術，以高速信號處理器、微處理器為核心的數(shù)字式智能型數(shù)據(jù)采集模塊；可測量20路0～500 V直流電壓信號；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)進行信息數(shù)據(jù)的有效傳送。
20路電壓測量模塊的技術指標如下：
測量精度能夠達到0．2級，在利用模塊進行組網(wǎng)時，地址范圍是0～255，并且波特率可選，默認值為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)領域被廣泛應用的、真正開放的、標準的網(wǎng)絡通信協(xié)議，通過該協(xié)議控制器之間、控制器與其它設備之間都可以實現(xiàn)通信。由于設計所用的20路電壓測量模塊采用ModBus通訊協(xié)議，作為主機的單片機也應該采用此協(xié)議，才能實現(xiàn)主機與從機的通信。在編程實現(xiàn)主機功能之前，需要理解協(xié)議的規(guī)約。
主機查詢信息包括從設備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤校驗。從機回應信息包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、錯誤校驗。
主機和從機的通信方式符合查詢-回應的方式，主機發(fā)送的查詢消息中的功能代碼告訴從機要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段中包含了從機要執(zhí)行功能的附加信息以及寄存器的起始地址和數(shù)量，錯誤校驗為從機提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。從機產(chǎn)生回應是建立在讀取指令未發(fā)生錯誤的前提下，在回應消息中的功能代碼是查詢消息的回應，數(shù)據(jù)段包含了從機收集的數(shù)據(jù)。如果中間過程發(fā)生錯誤，功能代碼將被修改，并且數(shù)據(jù)段包含描述錯誤信息的代碼，錯誤校驗允許主機確認消息是否可用。
1．3 20路電壓測量模塊組網(wǎng)
因為20路電壓測量模塊的輸出為標準RS485，所以以RS485為接口的20路電壓測量模塊可以進行組網(wǎng)。通常RS485網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)最多為32個，通過中繼器可以提高RS485接口的帶負載能力，最多可達到驅(qū)動256個模塊的能力，從而可以將多個20路電壓測量模塊組成網(wǎng)絡，滿足實時監(jiān)測幾百路甚至上千路電壓的需要，最終達到監(jiān)測顯示多路壓電驅(qū)動器輸出電壓的要求。

2 系統(tǒng)部分硬件設計
2．1 RS485通信接口
由于20路電壓測量模塊支持RS485串行通信，為了實現(xiàn)單片機與電壓測量模塊的數(shù)據(jù)通信，必須設計RS485通信接口。主機可以通過RS485接口將查詢信息傳送給從機，同時從機可以將采集的實時電壓數(shù)據(jù)回應給主機。采用RS485信號收發(fā)專用芯片MAX485實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，在設計電路時要充分考慮MAX485芯片同相端、反相端的電平對應關系。由于從機回應數(shù)據(jù)幀的初始位-低電平使主機產(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，才能保證主控制器單片機打開接收中斷時不會產(chǎn)生誤中斷，而造成接到錯誤的數(shù)據(jù)幀，RS485接口電路原理圖如圖2所示。