一種基于單片機(jī)的速度測(cè)量系統(tǒng)

時(shí)間：2010-03-31 14:00:15

關(guān)鍵字：測(cè)量系統(tǒng) 基于單片機(jī) BSP 組態(tài)王

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[導(dǎo)讀]介紹一種基于單片機(jī)中低速物體速度測(cè)量方法，并介紹了基于DDE利用VB和組態(tài)王實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)與單片機(jī)的串口通訊方式。

1. 引言
在我室研制的某型測(cè)控系統(tǒng)中，遇到一彈丸狀物體的初速測(cè)量要求，速度范圍在0～150m/s,要求測(cè)速模塊實(shí)現(xiàn)成本低、可靠性高，測(cè)速數(shù)據(jù)送上位機(jī)顯示。
目前科研生產(chǎn)中采用的速度測(cè)量方法可分為兩類(lèi)；直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩大類(lèi)。直接測(cè)量法是通過(guò)某種測(cè)量原理或效應(yīng)直接獲得速度量, 如多普勒測(cè)速儀、空間濾波測(cè)速等。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快、可測(cè)量瞬時(shí)速度，但設(shè)備成本高，且受到大氣物理環(huán)境的限制。間接測(cè)量法是測(cè)量目標(biāo)的移動(dòng)距離和時(shí)間, 通過(guò)計(jì)算得到速度量, 如光電測(cè)速、光柵測(cè)速、磁柵測(cè)速和圖像測(cè)速等，用于測(cè)量小型彈丸的天幕法和光幕法測(cè)速系統(tǒng)、用于車(chē)輛測(cè)速的激光測(cè)速儀，以及用于生產(chǎn)流水線上的光電脈沖測(cè)速方法等等。
根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，我室采用了基于光電脈沖的間接測(cè)量方法，構(gòu)建了基于AT89C51單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)，并采用DDE技術(shù)、VB和組態(tài)王實(shí)現(xiàn)速度信息的上位機(jī)顯示，滿(mǎn)足了成本低、可靠性好的測(cè)速要求；此外本文提出的單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信方法為多種工控軟件和非通用性設(shè)備的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題提供了思路。
2. 單片機(jī)測(cè)速模塊的實(shí)現(xiàn)
a) 測(cè)速原理
在本系統(tǒng)中，兩對(duì)光電對(duì)射管布置在彈丸的通過(guò)路徑上，光電對(duì)射管間距為S，當(dāng)彈丸經(jīng)過(guò)遮蔽光電管1,2時(shí)，光電管1,2產(chǎn)生一個(gè)上升沿或下降沿，以光電管1的上升沿或下降沿作為單片機(jī)計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)脈沖，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始記時(shí)，光電管2的上升沿或下降沿作為單片機(jī)計(jì)數(shù)器的停止脈沖，計(jì)數(shù)器停止記時(shí)。此時(shí)，得到計(jì)數(shù)器的記時(shí)值n。將值n傳送至上位機(jī)，已知單片機(jī)的機(jī)器周期為T(mén)，則，可在上位機(jī)內(nèi)計(jì)算出彈丸在定距s內(nèi)的平均速度V,為V=S/nT。見(jiàn)如下圖1。

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b) 測(cè)速部分硬件實(shí)現(xiàn)
如下圖2硬件原理示意圖，光電對(duì)射管Q1和Q2分別接入AT89C51的外部中斷0和1引腳相聯(lián)，Q1和Q2均為遮斷式對(duì)射管（無(wú)遮斷時(shí)導(dǎo)通，遮斷時(shí)截止）。INT0和INT1均設(shè)置為下降沿觸發(fā)。在INT0中斷處理程序中，啟動(dòng)AT89C51內(nèi)計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始計(jì)數(shù)，在INT1中斷處理程序中，計(jì)數(shù)器T0停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值暫存于單片機(jī)寄存器內(nèi)。當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)出的取數(shù)指令時(shí)，單片機(jī)通過(guò)串口將寄存器內(nèi)計(jì)數(shù)值發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。
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3. 單片機(jī)與上位機(jī)通信
本例上位機(jī)控制程序采用組態(tài)王組態(tài)軟件（Kingview 6.5版）編寫(xiě)，但其為數(shù)據(jù)采集和控制提供的底層硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)僅是針對(duì)知名廠商的板卡和模塊。因此，針對(duì)自行開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊，需要編寫(xiě)組態(tài)王與單片機(jī)串口通信驅(qū)動(dòng)程序。在本例中，應(yīng)用DDE方式實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和VB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)編寫(xiě)串口通信程序?qū)崿F(xiàn)VB和單片機(jī)的通信，完成整個(gè)通信流程。
a) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程
動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(dynamic data exchange ,簡(jiǎn)稱(chēng)DDE)，它是Windows 提供的一種基于消息的進(jìn)程間通信技術(shù)協(xié)議[2]。其實(shí)質(zhì)是在兩個(gè)應(yīng)用程序之間建立一個(gè)數(shù)據(jù)通道(channel)，通過(guò)特定的會(huì)話過(guò)程，由windows作中介,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。DDE應(yīng)用程序以對(duì)話(conversations)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，會(huì)話采用客戶(hù)/ 服務(wù)器模式，啟動(dòng)會(huì)話并要求接收數(shù)據(jù)的進(jìn)程是客戶(hù)進(jìn)程(client)，而響應(yīng)客戶(hù)請(qǐng)求提供數(shù)據(jù)的進(jìn)程是服務(wù)器進(jìn)程( server)。組態(tài)王采用DDE方式和VB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)編寫(xiě)串口通信程序?qū)崿F(xiàn)VB和單片機(jī)的通信。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換流程如圖3所示。
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b) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)部分：VB與組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換以及單片機(jī)與VB的數(shù)據(jù)交換。
i. VB與組態(tài)王通過(guò)DDE鏈接的數(shù)據(jù)交換
DDE對(duì)話的內(nèi)容是通過(guò)應(yīng)用程序名(application)、主題( topic)和項(xiàng)目(item) 3 個(gè)標(biāo)示名來(lái)約定的。其中，應(yīng)用程序名是進(jìn)行DDE對(duì)話的雙方的名稱(chēng)，組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)的程序名是“VIEW”，VB程序使用的是可執(zhí)行文件的名稱(chēng)。主題是指被討論的數(shù)據(jù)域(domain)。對(duì)于組態(tài)王來(lái)說(shuō)，主題規(guī)定為“tagname”，VB程序的主題由窗體的LinkTopic屬性值指定。項(xiàng)目是指被討論的特定數(shù)據(jù)對(duì)象，在組態(tài)王的數(shù)據(jù)辭典中定義I/O變量的同時(shí)，也定義項(xiàng)目名稱(chēng)。對(duì)VB程序而言，項(xiàng)目是具有文本屬性控件的名稱(chēng)[3]。
VB作為客戶(hù)端程序從組態(tài)王中得到數(shù)據(jù)時(shí),首先需要在組態(tài)王中定義DDE設(shè)備,然后在組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)辭典)中按照預(yù)先需要通訊的變量點(diǎn)數(shù)和變量類(lèi)型建立I/O變量,定義變量的初始值、最大值、連接設(shè)備和項(xiàng)目名，還需要在VB中定義控件的屬性和方法。一般的設(shè)置如下:
Control.LinkTopic=服務(wù)器程序名|主題名
Control.LinkItem=項(xiàng)目名
Control.LinkMode=0,1,2,3 (其中0=關(guān)閉DDE,1=熱鏈接,2=冷鏈接,3=通告鏈接)
Control為VB應(yīng)用程序中特定的文本框、標(biāo)簽框或圖片框的名稱(chēng)。
VB作為服務(wù)器程序向組態(tài)王提供數(shù)據(jù)時(shí),首先要在組態(tài)王中設(shè)置服務(wù)器程序的3個(gè)標(biāo)志名,然后把VB 應(yīng)用程序中提供數(shù)據(jù)的窗體的LinkMode屬性設(shè)置為1。例如，將VB中的txt to Speed 文本框控件中的數(shù)據(jù)傳給組態(tài)王中的I/O變量Speed ,其實(shí)現(xiàn)方法如下：
在組態(tài)王中建立一個(gè)名為VBDDE的DDE設(shè)備，服務(wù)程序名為vbdde，話題名為FormTopic，數(shù)據(jù)交換方式為標(biāo)準(zhǔn)Windows DDE交換。新建一個(gè)I/O變量Speed，將其連接設(shè)備名定義為VBDDE，項(xiàng)目名設(shè)為txt to Speed。在VB中,將窗體VBDDE的LinkMode屬性設(shè)置為1(source)，LinkTopic屬性設(shè)置為FormTopic，然后編譯為可執(zhí)行文件vbdde.exe，即可實(shí)現(xiàn)與組態(tài)王的通信。
ii. VB與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換
本例采用MSComm控件實(shí)現(xiàn)VB與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，具有程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)便、程序模塊化、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，并能滿(mǎn)足多數(shù)情況下的工控要求。使用MSComm控件主要是通過(guò)事件來(lái)處理串行口的交互?？丶腛nComm事件負(fù)責(zé)捕獲或處理這些通訊事件和通訊錯(cuò)誤。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)MSComm控件和一個(gè)串行口一一對(duì)應(yīng)，所以如果要處理多個(gè)串行口的話，必須有相應(yīng)數(shù)量的控件與之對(duì)應(yīng)。
利用MSComm控件進(jìn)行串口通信的具體操作和具體的程序代碼已經(jīng)有很多論述，在這里強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：
1. 無(wú)論發(fā)送或者接收，都需要用一個(gè)Variant變量作中介；
2. 使用MSComm控件的Input及Output屬性來(lái)接收或者傳輸文本數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)的方法不同：如果發(fā)送一個(gè)ANSI字符串到串口,可以以文本數(shù)據(jù)的形式發(fā)送；當(dāng)要傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，由于Output屬性支持的變量類(lèi)型為Variant類(lèi)型,所以發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)必須傳遞一個(gè)包含字節(jié)數(shù)組的Variant到Output屬性。使用MSComm控件的Input屬性讀取數(shù)據(jù)時(shí)，如果接收的數(shù)據(jù)類(lèi)型為文本數(shù)據(jù)，Input屬性通過(guò)一個(gè)Variant返回文本數(shù)據(jù)；如果接收的數(shù)據(jù)模式采用二進(jìn)制形式，用Input屬性讀取數(shù)據(jù)時(shí)，不能直接賦值給Byte類(lèi)型變量，只能通過(guò)先賦值給一個(gè)Variant類(lèi)型變量，返回一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)組，再轉(zhuǎn)換保存到Byte類(lèi)型數(shù)組變量中。
4. 結(jié)束語(yǔ)
本文論述的基于單片機(jī)的速度測(cè)量方法已在工程測(cè)控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，適用于中低速物體的測(cè)量，具有良好的使用效果，具有實(shí)現(xiàn)成本低、可靠性好、精度良好的優(yōu)點(diǎn)。此外，本文提出的單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信方法為多種工控軟件和非通用性設(shè)備的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題提供了思路。還需注意的一點(diǎn)是：通過(guò)控件MSCOMM控件的input和out2put屬性可以很方便地接受和發(fā)送串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，但要編制比較完善的通訊應(yīng)用程序,還需要進(jìn)行更深入的研究,比如通過(guò)使用“握手”的機(jī)制來(lái)增強(qiáng)通訊的安全性和穩(wěn)定性,另外通過(guò)數(shù)據(jù)的重復(fù)發(fā)送達(dá)到收發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等等.