基于串行通信的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

壓電陶瓷由于其奇妙的壓電效應(yīng)被科學(xué)家們應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)等功能。壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一。利用這微小的變化可以制作精確控制機(jī)構(gòu)——壓電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于精密儀器和機(jī)械的控制等領(lǐng)域作用巨大。壓電驅(qū)動(dòng)器具有很高的位移分辨率以及抗干擾能力，并且控制方法簡(jiǎn)單，非常適用于微位移驅(qū)動(dòng)，目前已被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)、光電子等諸多領(lǐng)域[1-2]。調(diào)節(jié)壓電陶瓷上的電壓可以采用手動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制的方式，隨著高性能D/A芯片的應(yīng)用，使得計(jì)算機(jī)控制更加精確。計(jì)算機(jī)和外部電路(含單片機(jī))的通信可以通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于串行通信[3]具有高效可靠、價(jià)格便宜、遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，使得串口通信在系統(tǒng)控制[4-5]的范疇中一直占據(jù)著極其重要的地位。Visual Basic 6.0提供了串行通信控件，可以輕松實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的交換。本文介紹通過(guò)PC和單片機(jī)之間的串行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，其中計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)。

1 硬件基礎(chǔ)

圖1所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。由于上下位機(jī)串行口工作電平不一致，它們之間通過(guò)MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。單片機(jī)選擇了ATMEL公司的精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)ATmega16，該款單片機(jī)功耗低，在正常模式下只有1.1 mA，最高工作頻率可達(dá)16 MHz，具有可擦寫的16 KB的可編程Flash，其內(nèi)部的USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，使用起來(lái)非常方便。D/A芯片采用ANALOG公司的12 bit分辨率的AD5344，AD5344具有并行輸入接口，需要的控制線也不多，并且具有雙緩沖輸入邏輯，一片AD5344有4路輸出。計(jì)算機(jī)通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)放在內(nèi)部的SRAM中，接收完畢后，再將數(shù)據(jù)取出，通過(guò)數(shù)據(jù)端口輸出到D/A，D/A的模擬輸出信號(hào)(電壓)用來(lái)控制壓電陶瓷。

2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
　上位機(jī)程序的編寫采用Visual Basic 6.0的編程環(huán)境，使用Visual Basic6.0的MSComm通信控件，非常容易就能實(shí)現(xiàn)串口通信，使用時(shí)要對(duì)串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。每個(gè)通信控件對(duì)應(yīng)一個(gè)串口，如果要訪問(wèn)多個(gè)通信口，則要設(shè)計(jì)多個(gè)通信控件。
2.1 程序流程及界面設(shè)計(jì)
　計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信采用查詢的工作方法，計(jì)算機(jī)為上位機(jī)(主機(jī))，單片機(jī)為下位機(jī)(從機(jī))。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令，以及數(shù)據(jù)的發(fā)送接收、處理、計(jì)算、數(shù)據(jù)的顯示等功能。上位機(jī)程序分為四個(gè)部分：界面設(shè)計(jì)、程序初始化、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理。程序流程如圖2所示。

　主程序界面主要分為數(shù)據(jù)的輸入框和命令控件按鈕，輸入框用于輸入提供給壓電陶瓷電壓的數(shù)值，命令控件按鈕用于實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，界面還放置一個(gè)顯示通信狀態(tài)的文本框。程序界面如圖3所示。
　圖3中的“設(shè)置”按鈕用于將文本框中的電壓值(CH1~CH4)通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)再把數(shù)據(jù)傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換器?！扒辶恪卑粹o用于將輸出數(shù)據(jù)都設(shè)置為零。

2.2 程序代碼
　具體的程序代碼包括串口的初始化及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。串口的初始化代碼如下：
MSComm1.CommPort=1；使用COM1串口
MSComm1.Settings="9600，n，8，1"；數(shù)據(jù)格式：波特率9 600 b/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1位停止位
MSComm1.OutBufferCount=0；清空發(fā)送緩沖區(qū)
MSComm1.InBufferCount=0；清空接收緩沖區(qū)
MSComm1.PortOpen=Tr ue；打開串口
MSComm1.InputMode=1；以二進(jìn)制形式取回?cái)?shù)據(jù)
MSComm1.InputLen=0；一次讀取緩沖區(qū)內(nèi)全部數(shù)據(jù)
　由于篇幅的限制，關(guān)于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收部分的代碼不再給出了。
3 下位機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)
　下位機(jī)程序包括初始化部分、數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)輸出部分等。
Atmega16內(nèi)部的USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，使用起來(lái)非常方便，單片機(jī)串行通信的波特率發(fā)生器可由其片內(nèi)時(shí)鐘產(chǎn)生，波特率寄存器UBRR用于設(shè)置所需要的波特率， 對(duì)于異步正常模式波特率的計(jì)算公式為BAUD=fosc/16(UBRR+1)，對(duì)于9 600 b/s的波特率(和上位機(jī)一致)，在fosc=8 MHz的情況下，UBRR的值為51。數(shù)據(jù)的傳送格式為：1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。程序流程如圖4所示。

　初始化部分程序代碼如下：
ldi r16，0x20
out UCSRA，r16；設(shè)置串口通信模式
ldi r17，0x00
out UBRRH，r17
ldi r16，0x33
out UBRRL，r16；設(shè)置串口通信的波特率
ldi r16，0x86
out UCSRC，r16；設(shè)置串口通信的數(shù)據(jù)格式
ldi r16，0x18
out UCSRB，r16；使能串口通信
　其他部分的代碼由于比較長(zhǎng)，在這里就不列出了。
基于串行通信設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，使用Visual Basic 6.0提供的串行通信控件可以輕松實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)的開發(fā)周期短、效率高，并且串行通信程序的調(diào)試可以借助很多的工具軟件(如串口調(diào)試助手)，因此使用串行通信好處很多。雖然現(xiàn)在有的計(jì)算機(jī)的主板并不帶串行接口(如筆記本電腦)，而由USB接口替代，但同樣可以使用串行通信。方法是采用USB轉(zhuǎn)串口的方法，硬件上需要一根轉(zhuǎn)接線，使用的時(shí)候要安裝驅(qū)動(dòng)，其串口號(hào)由Windows自動(dòng)分配，即系統(tǒng)虛擬了一個(gè)串行端口，這個(gè)端口和真實(shí)的串行端口使用方法完全一樣。
參考文獻(xiàn)
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