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論文摘要：以ARM微處理器和嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)提出了具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠的圓度、圓柱度誤差測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹系統(tǒng)的硬件平臺(tái)核心器件LPC2294和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的主要特點(diǎn)，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架圖，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題，最后給出了該系統(tǒng)在μC/OS-Ⅱ的軟件實(shí)現(xiàn)。
論文關(guān)鍵詞：圓度誤差,誤差分離技術(shù)
　　0引言
　　在精密檢測(cè)領(lǐng)域中，圓度測(cè)量?jī)x是測(cè)量零件的圓度、圓柱度、同軸度或者直線度誤差的關(guān)鍵設(shè)備。國(guó)內(nèi)目前所使用的圓度儀，有很大一部分測(cè)量?jī)x器是以機(jī)電或光電為測(cè)量手段，雖然測(cè)量主體部分精度較高，但其測(cè)量結(jié)果往往與實(shí)際測(cè)量值存在較大偏差；不能存儲(chǔ)所得數(shù)據(jù)；測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，誤差分辨率較低。目前圓度測(cè)量系統(tǒng)都屬于離線開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)，這意味著便攜性差，檢測(cè)實(shí)時(shí)性不夠，其接觸式的測(cè)量方式也易使工件和測(cè)頭磨損，造成設(shè)備損壞。而國(guó)外制造的圓度儀，圓柱度儀，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，但其往往體積較大，很難適應(yīng)各種復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境，且造價(jià)較高。
　　本文提出的圓度、圓柱度測(cè)量系統(tǒng)，正式給予解決上述幾個(gè)方面的問(wèn)題而提出的。該系統(tǒng)基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能針對(duì)性強(qiáng)，以LPC2294微處理器為核心，可擴(kuò)展性方面獲得了顯著的提高，其成本也大為降低。
　　1圓度、圓柱度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
　　1.1系統(tǒng)功能分析
　　圓度、圓柱度測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由電渦流位移傳感器，前置放大器及外圍電路組成，通過(guò)固定傳感器使被測(cè)工件自轉(zhuǎn)并以非接觸被測(cè)工件的方式采集電壓信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)通過(guò)LPC2294執(zhí)行誤差分離（EST）算法分離出主軸回轉(zhuǎn)誤差和圓度誤差，經(jīng)數(shù)據(jù)換算后可以得到所需的圓度、圓柱度誤差。
　　1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　為實(shí)現(xiàn)上述功能，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的等方面具體要求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。
　　
　　圖1整體結(jié)構(gòu)框圖
　　Fig1Thewholestructurediagram
　　參數(shù)輸入：接收傳感器的電壓信號(hào)，被測(cè)工件的直徑和高度。
　　輸出信息：被測(cè)工件的圓度、圓柱度誤差值。
　　1.3測(cè)量原理
　　對(duì)傳感器的選擇不同可分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。本系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量原理如圖2所示，該圖為對(duì)圓柱形工件所在截面被放大了的輪廓線。該系統(tǒng)使用了非接觸式的電渦流位移傳感器，該傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體與測(cè)量表面的距離，它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具，測(cè)量結(jié)果不受被測(cè)工件表面的灰塵、油漆、銹跡等影響。測(cè)量時(shí)將傳感器測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)軸心o且與輪廓線存在一定間隙，當(dāng)工件以o為軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器輸出的電平信號(hào)即可隨著間隙的變化而變化。因此，一旦確定了間隙與電平信號(hào)之間的關(guān)系，即可測(cè)出該截面下工件在圓周方向上的半徑變化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算可以得到工件的圓度、圓柱度。
　　
　　圖2工件軸向截面
　　Fig2Sectionworkpieceaxis
　　2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　2.1LPC2294模塊
　　LPC2294核心模塊包括LPC2294微處理器、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、系統(tǒng)復(fù)位電路和系統(tǒng)時(shí)鐘電路。LPC2294含有16K字節(jié)的靜態(tài)RAM和256K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us。
　　2.2系統(tǒng)時(shí)鐘電路
　　本系統(tǒng)采用10MHz的晶振作為外部時(shí)鐘輸入源。處理器的時(shí)鐘頻率cclk=M×，M為PLLCFG寄存器中MSEL位的倍增器值。PLL電流控制振蕩器的頻率=cclk×2×P,P為PLLCFG寄存器中PSEL為的分頻器值。本設(shè)計(jì)中，M取值為6，P取值為2，系統(tǒng)時(shí)鐘cclk為60MHz，分配給外設(shè)的頻率為30MHz。
　　2.3系統(tǒng)復(fù)位電路
　　微控制器在上電時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路雖然成本低廉，但不能保證任何情況下都產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號(hào)，所以一般需要使用專門的復(fù)位芯片。本設(shè)計(jì)選用可以進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位的SP708復(fù)位芯片，它屬于比較器型復(fù)位器件，可有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性及工作效率。
　　2.4電源模塊
　　合理的電源設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)安全、可靠、正常運(yùn)行的基本保證。電源不僅要器件提供各種高性能的功率輸出，還包括選擇合適的旁路、去耦電容，以濾除各種干擾信號(hào)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。由于LPC2294的I/O電壓為3.3V，CPU工作電壓為1.8V，本設(shè)計(jì)是以5V直流電源作為輸入，經(jīng)過(guò)整流二極管和簡(jiǎn)單的濾波電路后，作為低壓差（LDO）穩(wěn)壓器的輸入端。
　　2.5存儲(chǔ)模塊
　　在以LPC2294為核心的模塊中，外擴(kuò)了2M字節(jié)NORFLASH（芯片型號(hào)為SST39VF160）、8M字節(jié)PSRAM（MT45W4MW16），由于SST39VF160和MT45W4MW16都是15位總線接口，所以使用LPC2294的地址總線A1~A23與其直接相連。另外，系統(tǒng)還外擴(kuò)了16M字節(jié)的NANDFLASH（K9F2808U0C）并使用了74LV245芯片進(jìn)行總線驅(qū)動(dòng)。
　　2.6數(shù)據(jù)采集模塊
　　電渦流位移傳感器是由探頭（傳感器），延伸電纜和變換器（前置器）組成，具有頻響寬，線性測(cè)量范圍寬、體積小、，抗干擾能力強(qiáng)，給旋轉(zhuǎn)軸等轉(zhuǎn)動(dòng)體的動(dòng)態(tài)測(cè)量帶來(lái)方便。
　　本文所采用型號(hào)為CWY-DO-502的電渦流位移傳感器，線性量程2.0mm，靈敏度為4.02Mv/μm，具體參數(shù)如下表：
　　

間隙（mm）	0	0.25	0.50	0.75	1.00	1.25	1.50	1.75	2.00
電壓（mm）	1.044	1.926	2.911	3.930	4.999	6.030	7.063	8.022	8.948

表1傳感器參數(shù)
　　Form1Sensorparameters
　　2.6JTAG調(diào)試模塊
　　JTAG接口的設(shè)計(jì)使得ARM的調(diào)試與仿真變得相對(duì)簡(jiǎn)單。 LPC2294支持通過(guò)JTAG端口進(jìn)行仿真與調(diào)試，其跟蹤和調(diào)試端口不與任何端口復(fù)用。根據(jù)LPC2294手冊(cè)的說(shuō)明，JTAG接口既可以用作邊界掃描，也可以用作調(diào)試。
　　2.7RS-232串口通信模塊
　　RS-232為一種低速率串行通訊中增加通訊距離的單端通訊。它是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊而設(shè)計(jì)的，傳送距離最大約為15米，所以適合本地設(shè)備之間的通信。LPC2294的UART控制器收發(fā)電平為TTL，所以須將其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才可與控制板實(shí)現(xiàn)正常通信。為實(shí)現(xiàn)RS232電平的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)選用MAX3232芯片。含有兩個(gè)發(fā)送器和接收器的MAX3232具有低功耗、高數(shù)據(jù)率、增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。
　　3控制部分軟件設(shè)計(jì)
　　核心模塊LPC2294采用μCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)小巧、執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良、可擴(kuò)展能力強(qiáng)，較好的滿足了本系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和可靠性的要求。其可移植、可固化、可裁剪的基于優(yōu)先級(jí)搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)包含實(shí)時(shí)內(nèi)核、，任務(wù)管理、，時(shí)間管理、任務(wù)同步通訊和內(nèi)存管理等功能。
　　3.1軟件總體設(shè)計(jì)及軟件任務(wù)劃分
　　
　　圖3系統(tǒng)運(yùn)行流程圖
　　Fig3Operatingsystemflowcharts
　　系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，電機(jī)控制，誤差分離任務(wù)，數(shù)據(jù)顯示根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，共創(chuàng)建了六個(gè)任務(wù),鍵盤任務(wù)有鍵盤任務(wù)，電機(jī)傳動(dòng)任務(wù)，數(shù)據(jù)采集任務(wù)，誤差分離任務(wù)，顯示任務(wù)。在機(jī)械傳動(dòng)模塊中，需要一個(gè)精確的脈沖作為測(cè)量基準(zhǔn)，而且為了系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需要和靈活性的考慮，采用了CPLD芯片A3P030作為主軸、X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖源，通過(guò)RS-232接口的連接，實(shí)現(xiàn)與主控制芯片的通信。
　　3.2誤差分離任務(wù)
　　誤差算法任務(wù)即從寄存器中提取經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，濾除無(wú)用諧波分量后，通過(guò)IFFT傅里葉逆變得的數(shù)據(jù)V經(jīng)公式換算后誤差分離后的形位誤差值0。由于該算法模塊是本系統(tǒng)的核心，同時(shí)還要保證與輸出同步，所以誤差分離任務(wù)在本系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級(jí)。其函數(shù)示意為：
　　voidErrorSeparation()
　　{
　　//定義復(fù)數(shù)結(jié)構(gòu)體用于存儲(chǔ)分誤差分離后的形位誤差
　　0SSemPend(NewSigSem,0,&err);//
　　TwiddleFactor();//初始化旋轉(zhuǎn)因子
　　……
　　FFT()//快速傅里葉變換
　　ErrorFilter()//形狀誤差與運(yùn)動(dòng)誤差的分離
　　IFFT()
　　……
　　}
　　3.3μCOS-Ⅱ的中斷處理過(guò)程
　　μCOS-Ⅱ的中斷處理是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，它的功能是使硬件中斷和操作系統(tǒng)進(jìn)行連接。系統(tǒng)接收到中斷請(qǐng)求后，如果CPU處于開(kāi)中斷狀態(tài)，系統(tǒng)就會(huì)中止正在進(jìn)行的當(dāng)前任務(wù)，而按中斷向量的指示去運(yùn)行中斷服務(wù)子程序，當(dāng)中斷服務(wù)子程序運(yùn)行完成后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)情況返回到被中止的任務(wù)繼續(xù)進(jìn)行，或轉(zhuǎn)向另一個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)別更高的就緒態(tài)任務(wù)。
　　在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，由于系統(tǒng)對(duì)工件截面進(jìn)行128點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣，即360°進(jìn)行128次數(shù)據(jù)采樣。每次采樣通過(guò)系統(tǒng)中斷進(jìn)行，當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，CPU根據(jù)中斷向量表，獲得中斷服務(wù)子程序入口地址。將CPU寄存器的內(nèi)容壓入當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中。通知操作系統(tǒng)將進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。調(diào)用
　　OSIntEnter(),
　　if(OSIntNesting==1)
　　{OSTCBCur->OSTCBStrPtr=SP;}；
　　清除中斷源，否則考中斷后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
　　執(zhí)行用戶ISR，中斷服務(wù)完成后，調(diào)用OSIntExit（）
　　恢復(fù)CPU寄存器的值，執(zhí)行中斷返回指令。此外，任務(wù)間的通訊通過(guò)操作系統(tǒng)的消息管理模塊來(lái)進(jìn)行，保證了任務(wù)之間的耦合性最小，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，為系統(tǒng)協(xié)作提供了方便。
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　本文從硬件系統(tǒng)的搭建及軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面介紹了以LPC2294處理器構(gòu)建基于μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)下的圓度、圓柱度測(cè)量方法，對(duì)數(shù)據(jù)采集原理及硬件平臺(tái)的搭建進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以非接觸式的對(duì)工件圓度、圓柱度測(cè)量的自動(dòng)控制，并且該系統(tǒng)以嵌入式為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為功能的擴(kuò)展提供的很大的空間。
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