CN112731830A

CN112731830A - 基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统

Info

Publication number: CN112731830A
Application number: CN202011482391.7A
Authority: CN
Inventors: 张淑芳; 刘江; 吴健俊; 张涛
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本发明公开了一种基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统，由脉冲生成模块(10)、定时器模块(20)、压力传感器(30)、主控板(40)、步进电机(50)及其对应的步进电机驱动器(60)、升降台(70)组成。与现有技术相比，本发明极大地提升了控制精度和系统稳定性；能够解决传统的人工调节光路位置存在的精度低等问题，并设计了良好的人机交互功能，更加便捷地控制光路位置。

Description

基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统

技术领域

本发明涉及自动化控制和光学，特别涉及一种激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统。

背景技术

随着计算机技术的进步，自动化控制的相关研究得到了空前发展。自动化技术推动了生产关系的变革，解放发展了生产力。传统的拉曼光谱仪光路控制系统需要光栅进行分段式转动控制，操作复杂精度不好控制，且无法实现激光波长的连续在线可调。

步进电机凭借其成本较低、控制方法简单等优点，被广泛应用在自动化控制领域中。通过给定不同频率的脉冲以及不同数量的脉冲数，可以改变电机运转速度和电机旋转角度。结合步进电机驱动器，也可以更改电机旋转角度。对于电机控制的研究中，由于其稳定又简易，大多数研究均采用开环系统。但是，电机的开环设计对于控制升降台的移动是有局限性的。首先，升降台上升与下降是有固定量程的，如果升降台偏移位置超出量程范围，则会发生电机堵转现象；其次，当电机高速运转时，会发生“丢步”现象，导致脉冲数与电机旋转角度不符，长此以往下去，会造成控制系统的不稳定，形成累计误差。

发明内容

为了实现激光拉曼光谱仪光路控制的自动化，本发明提出了一种基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统，建立了基于MC9S12XEP100核心控制器的多光路自动化控制系统，并针对开环电机控制出现的精度低、易“丢步”、“堵转”等问题，设计了一种基于压力传感器的闭环控制算法。

本发明的一种基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统，该系统由脉冲生成模块10、定时器模块20、压力传感器30、主控板40、步进电机50及其对应的步进电机驱动器60、升降台70组成；所述上位机实现顶层应用对底层硬件的控制；其中：

所述脉冲生成模块10输出脉冲波至所述主控板；

所述定时器模块20，对所述脉冲生成模块的输出进行计数，实现对电机转速和转角的精准控制；

所述主控板40通过脉冲信号、方向信号、使能信号控制所述步进电机驱动器60从而驱动电机运转；

所述压力传感器30产生一个模拟信号输出引脚VO和一个高低电平输出引脚DO；检测到压力时，DO引脚输出高电平；当主控板40检测到DO引脚出现高电平时，方向信号发生改变，通过改变运动方向向上滑动到预设好的位置，从而使得升降台70复位，实现闭环自检功能。

与现有技术相比，本发明能够达成以下积极的技术效果：

1)极大地提升了控制精度和系统稳定性，有效避免了电机堵转问题。

2)该系统能够解决传统的人工调节光路位置存在的精度低等问题，并设计了良好的人机交互功能，更加便捷地控制光路位置；

3)避免了由于实验人员人工调节引入的误差，具有应用广泛、稳定可靠、高精度、抗干扰能力强等特点。

附图说明

图1为本发明的基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统架构示意图；

图2为本发明的基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统主体算法框图；

图3为闭环自检算法框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示，为本发明的基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统架构示意图。该系统由脉冲生成模块10、定时器模块20、压力传感器30、主控板40、步进电机50及其对应的步进电机驱动器60、升降台70组成。MC9S12XEP100主控板作为核心控制器，负责整个系统调度。首先，主控板通过脉冲信号、方向信号(由主控板(40) 引脚PA2、PA3、PK4控制)、使能信号(由主控板(40)引脚PA4、PA5控制)等控制步进电机驱动器从而驱动电机运转；此外，压力传感器信号作为一种闭环反馈信息提供给主控器用于闭环自检功能；最后，上位机80部分通过SCI串口通信、蓝牙模块通信等实现顶层应用对底层硬件的控制，更加便捷地实现光路控制，并会通过手机app80和 /或电脑端90实现显示和数据的处理。本系统实现了闭环自检、光路接入、升降台复原、毫米级位移微调以及堵转预警功能。

其中：

当升降台下降时会和底部是否发生碰撞，压力传感器检测到底部撞击，将施加在传感器薄膜区域的压力转换为电阻值的变化，从而获得压力信息。压力传感器采用RFP 薄膜压力传感器。RFP薄膜压力传感器产生一个模拟信号输出引脚VO和一个高低电平输出引脚DO。检测到压力时，DO引脚会输出高电平、同时发光二极管导通发亮。当 MC9S12XEP100主控板检测到DO引脚出现高电平时，方向信号就发生改变，通过改变运动方向向上滑动到预设好的位置，从而使得升降台复位，实现闭环自检功能。

当升降台撞击薄膜片时，由于薄膜区域厚度很薄，且不会产生形变，因而不会产生行程差，这样更加有利于高精度升降台的位置偏移。

根据实际工程需求，本发明的基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统可设计为多光路自动化控制系统。每条光路(例如光路1、光路2、光路3...)实现相同的功能，通过算法来实现多光路自动化控制。脉冲生成模块采用PWM模块，由于脉冲 PWM模块存在8个独立的通道输出脉冲波，所以额外初始化两个脉冲波作为光路2、光路3的脉冲信号源。采用同一定时器为不同脉冲波计数，脉冲波的输出频率由内部相关寄存器控制。脉冲波输出频率f_PWM的计算公式如下所示：

PLLCLK＝2×OSCCLK×(SYNR+1)/(REFDV+1) (3)

其中，OSCCLK表示晶振频率，PLLCLK表示锁相环倍频后的时钟频率，SYNR和 REFDV表示主控板片内寄存器，负责控制晶振频率分频系数，f_SA表示通过对 PWMSCLA寄存器的设置来对A时钟源频率f_A进行分频，通过锁相环倍频后得到系统总线频率为32MHz，通过一系列寄存器如PWMSCLA、PWMPERx等参数的设定，最终 PWM波的输出频率控制在50Hz。其中，PWMSCLA寄存器设定为100，经过此分频后得到5kHzf_SA，PWMPERx寄存器设定为100，经过此分频后得到50Hzf_PWM。

定时器采用ECT定时器，它对脉冲生成模块的输出进行计数，实现对电机转速和转角的精准控制。在ECT定时器的设定中，首先设定定时器周期，TSCR2寄存器设为 0x07，表示对系统时钟进行128分频，如下式所示

此时，定时器计数一次会耗时4μs，设定TC0初始值为TCNT+62500，此时，当定时器溢出时，时钟计时0.25s。当程序控制ECT定时器循环4次，即可计时1s。此时可有如下对应关系：定时器计时1s，主控器产生50个脉冲，电机旋转90度，升降台上升2.5mm。

如图2所示，为多光路控制系统主体算法流程框图。该算法的实现步骤如下：

步骤1：初始化引脚和相关寄存器，包括锁相环初始化、PWM寄存器初始化(禁能PWM)、ECT模块初始化、SCI串口通信初始化；

步骤2：控制引脚初始化，包括串口通信指示端PB1、PB2、PB3，步进电机驱动器方向端PK4、PA6、PA7和压力传感器输出端PB7、PE2、PE4等；

步骤3：系统等待串口接收指令或者按键按下，从而进入中断。当按键按下进入中断时，程序进行步骤5；当串口通信进入中断时，则程序进入步骤4，否则循环执行步骤3；

步骤4：等待串口通信指令，做出功能选择，如果接受到相关指令，则进入步骤5，否则循环执行步骤4，直到串口通信接收到指令为止；

步骤5：选择对应光路，做出相关的相应，例如：闭环自检、上升、下降、微调等。执行完毕后，跳转执行步骤3，程序往复执行步骤3。

正如上面的基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统架构描述：采用压力传感器作为闭环自检的核心部件，通过压力传感器检测压力信号从而检测升降台是否触底。由于传感器薄膜仅仅存在可忽略不计的微小形变，所以不会造成行程误差。在自检模式下，主控板会实时监测压力传感器DO端的电平变化，当检测到高电平时，主控板会控制升降台向相反方向移动，由于底部到平衡位置的行程固定不变，通过公式计算，即可求出需要的PWM脉冲的数量。如图3所示，为闭环自检算法框图。该算法实现步骤如下：

步骤1：选择光路，使能对应PWM脉冲源，分频对应PWM脉冲源，通过设定对应的使能位PWMEx、分频系数位PWMCLK寄存器实现；

步骤2：主控器实时检测压力传感器输出端引脚D0，当引脚电平为低电平时，执行步骤3，否则，执行步骤4；

步骤3：控制方向端DIRx＝0，控制升降台向下移动，并执行步骤2，实时检测压力传感器输出端D0状态；

步骤4：此时控制电机方向端DIRx＝1，使电机向上运动。通过提前标定好平衡位置与压力传感器的距离，从而计算ECT定时器需定时的脉冲数，完成闭环自检功能，计算公式如下所示：

其中，d_x表示平衡位置相对于压力传感器的纵向距离，d_T表示电机运转一周期升降台的位移变化，N_pulse表示电机运转一周所需的脉冲数；T_pulse表示电机运转一周所需要的时间；通过上述公式可以计算出升降台复位所需的定时器时间t_x以及脉冲数N_x，通过设定定时器寄存器中TC0初值，即可实现闭环自检功能。首先需要清除定时器标志位，并对定时器赋初值，判断定时器是否溢出，若溢出，则执行步骤5，否则循环计时；

步骤5：判断是否达到步骤4中的预设值d_x，达到预设值之后则闭环自检功能结束，否则执行步骤4。

此外，由于升降台的量程在±35mm范围内，所以需要设计堵转预警功能，以防电机发生堵转问题。通过设定全局变量count来计数向上、向下运行时的脉冲数量，由于脉冲数量与升降台位移存在数学对应关系，通过设定全局变量count与预设阈值的大小关系即可。

本发明的多光路控制系统能够准确实现闭环自检功能，从而确保每次接入光路时起始位置一致；精准的光路接入与升降台复原从而解决了传统手工调节精度低的问题；毫米级位移微调操作使得光路控制更加便利；堵转预警部分，当升降台偏移超出量程位置时，升降台会自动停止，该部分可以有效避免电机堵转现象的发生，同时也对电机、升降台起到了一定的保护作用。在应用端部分，该控制系统不仅可以通过功能按键控制，也可以通过基于LabView设计的电脑终端等进行控制，进一步拓宽了该光路控制系统的应用场景。

由于多光路控制系统涉及到三路光的自动化控制，所以引脚连线略显复杂，主要涉及到步进电机、步进电机驱动器、压力传感器、PWM输出端与主控板引脚的连接。表 1记录主控制器各引脚功能及连线。

表1

实验设定通过改变升降台初始位置，来观察闭环自检功能的稳定性，为了全面验证闭环自检功能的性能，实验设定了10组不同的起始位置数据，其中5组数据位于平衡位置之上，5组数据位于平衡位置之下，如表2所示为闭环自检测量结果，记录自检完成后升降台的最终位置。

表2(单位：mm)

该实验验证方向端信号、细分系数、脉冲数与升降台的位移关系，从而验证本文中数学建模的准确性。如表3所示为实验测量结果，其中+/-表示相对于平衡位置上升/下降的位移。

表3(单位：mm)

人机交互部分，本文设计了平板、电脑端上位机，手机端APP与底层硬件进行通信，实现了与底层硬件的通信。使得激光拉曼光谱仪的调控更加智能化。

实验结果表明：该控制系统可以实现多路光的任意调节、光路的接入与复位，闭环自检，上位机通信等功能。该系统所控制的位移误差精度在0.1mm范围内，基本满足光路控制系统中稳定可靠、高精度、抗干扰能力强等要求。

Claims

1.一种基于闭环控制的激光拉曼光谱仪光路自动化控制系统，其特征在于，该系统由脉冲生成模块(10)、定时器模块(20)、压力传感器(30)、主控板(40)、步进电机(50)及其对应的步进电机驱动器(60)、升降台(70)组成；所述上位机实现顶层应用对底层硬件的控制；其中：

所述脉冲生成模块(10)输出脉冲波至所述主控板；

所述定时器模块(20)，对所述脉冲生成模块的输出进行计数，实现对电机转速和转角的精准控制；

所述主控板(40)通过脉冲信号、方向信号、使能信号控制所述步进电机驱动器(60)从而驱动电机运转；

所述压力传感器(30)产生一个模拟信号输出引脚VO和一个高低电平输出引脚DO；检测到压力时，DO引脚输出高电平；当主控板(40)检测到DO引脚出现高电平时，方向信号发生改变，通过改变运动方向向上滑动到预设好的位置，从而使得升降台(70)复位，实现闭环自检功能。