多路壓電陶瓷驅動器電壓實時監測系統設計

摘要：為了滿足自適應光學系統中多路壓電陶瓷高壓驅動器輸出電壓實時監測、顯示的需要，提出了基于高速單片機C8051F120的電壓測量、顯示和通訊系統設計方案。利用20路電壓測量模塊實現電壓采集，通過ModBus RTU通訊協議對采集到的電壓數據進行接收、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測顯示系統的良好效果。
關鍵詞：LCD；單片機；壓電陶瓷；電壓采集；ModBus協議；實時監測

在自適應光學系統設計中，波前校正器作為光學系統的一個重要組成部分發展起來，它與波前傳感器和波前控制部分相結合，使光學系統具有克服外界動態干擾的能力，這是傳統光學技術難以做到的。在眾多類型的波前校正器中，分立壓電式連續鏡面變形鏡以其變形量大、表面變形沒有間斷點等優點而被廣泛的采用。變形鏡的結構有基板、驅動器和薄鏡面組成，在基板上固定若干個壓電驅動器，驅動器前在固定一個薄的光學鏡面，施加電壓給驅動器，壓電陶瓷即可產生正的或負的變形，從而推動薄反射鏡表面產生變形，起到改變光學波前并校正波前誤差的作用。為了防止壓電驅動器輸出電壓出現異常，導致系統出現故障，需要及時了解各路壓電驅動器輸出電壓情況，并且工程中要求監測上千路壓電驅動器的輸出電壓，所以設計壓電驅動器輸出電壓監測顯示系統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動器的輸出電壓，通過ModBus RTU通訊協議，經RS485接口將電壓數據傳送到高速單片機，并在LCD液晶屏上實時顯示各路壓電驅動器的輸出電壓值，20路電壓監測系統框圖如圖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據采集模塊，可以測量20路電壓號，輸入信號為直流。其輸出為RS485，通訊協議符合ModBus RTU協議。此模塊可以廣泛應用于各種工業測控系統。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字式智能型數據采集模塊；可測量20路0～500 V直流電壓信號；并且量程可以根據需要選擇；配有光電隔離的RS-485通訊接口，ModBus RTU通訊規約，可以與具有ModBus兼容協議的監控系統進行信息數據的有效傳送。
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通訊規約
在各種不同的系統通信中，Modbus協議是一種在工業領域被廣泛應用的、真正開放的、標準的網絡通信協議，通過該協議控制器之間、控制器與其它設備之間都可以實現通信。由于設計所用的20路電壓測量模塊采用ModBus通訊協議，作為主機的單片機也應該采用此協議，才能實現主機與從機的通信。在編程實現主機功能之前，需要理解協議的規約。
主機查詢信息包括從設備地址、功能代碼、所有要發送的數據、錯誤校驗。從機回應信息包括確認要行動的域、任何要返回的數據、錯誤校驗。
主機和從機的通信方式符合查詢-回應的方式，主機發送的查詢消息中的功能代碼告訴從機要執行何種功能，數據段中包含了從機要執行功能的附加信息以及寄存器的起始地址和數量，錯誤校驗為從機提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。從機產生回應是建立在讀取指令未發生錯誤的前提下，在回應消息中的功能代碼是查詢消息的回應，數據段包含了從機收集的數據。如果中間過程發生錯誤，功能代碼將被修改，并且數據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
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。通常RS485網絡節點數最多為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絡，滿足實時監測幾百路甚至上千路電壓的需要，最終達到監測顯示多路壓電驅動器輸出電壓的要求。

2 系統部分硬件設計
2．1 RS485通信接口
由于20路電壓測量模塊支持RS485串行通信，為了實現單片機與電壓測量模塊的數據通信，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據回應給主機。采用RS485信號收發專用芯片MAX485實現信號的轉換，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。由于從機回應數據幀的初始位-低電平使主機產生接受中斷，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生誤中斷，而造成接到錯誤的數據幀，RS485接口電路原理圖如圖2所示。