多路压电陶瓷驱动器电压实时监测系统设计

摘要：为了满足自适应光学系统中多路压电陶瓷高压驱动器输出电压实时监测、显示的需要，提出了基于高速单片机C8051F120的电压测量、显示和通讯系统设计方案。利用20路电压测量模块实现电压采集，通过ModBus RTU通讯协议对采集到的电压数据进行接收、处理和LCD液晶显示。详细介绍了液晶显示接口的硬件设计方案，电压测量模块与单片机的通信以及软件设计方法，通过实验验证了此液晶模块实时监测显示系统的良好效果。
关键词：LCD；单片机；压电陶瓷；电压采集；ModBus协议；实时监测

在自适应光学系统设计中，波前校正器作为光学系统的一个重要组成部分发展起来，它与波前传感器和波前控制部分相结合，使光学系统具有克服外界动态干扰的能力，这是传统光学技术难以做到的。在众多类型的波前校正器中，分立压电式连续镜面变形镜以其变形量大、表面变形没有间断点等优点而被广泛的采用。变形镜的结构有基板、驱动器和薄镜面组成，在基板上固定若干个压电驱动器，驱动器前在固定一个薄的光学镜面，施加电压给驱动器，压电陶瓷即可产生正的或负的变形，从而推动薄反射镜表面产生变形，起到改变光学波前并校正波前误差的作用。为了防止压电驱动器输出电压出现异常，导致系统出现故障，需要及时了解各路压电驱动器输出电压情况，并且工程中要求监测上千路压电驱动器的输出电压，所以设计压电驱动器输出电压监测显示系统成为一个亟需解决的课题。
本设计的主要工作是利用20路电压测量模块采集到压电陶瓷驱动器的输出电压，通过ModBus RTU通讯协议，经RS485接口将电压数据传送到高速单片机，并在LCD液晶屏上实时显示各路压电驱动器的输出电压值，20路电压监测系统框图如图1所示。

1 20路电压测量模块介绍
1．1 20路电压测量模块功能与特点
20路电压测量模块是一智能型的数据采集模块，可以测量20路电压号，输入信号为直流。其输出为RS485，通讯协议符合ModBus RTU协议。此模块可以广泛应用于各种工业测控系统。其主要的功能特点如下：
采用最新电子技术，以高速信号处理器、微处理器为核心的数字式智能型数据采集模块；可测量20路0～500 V直流电压信号；并且量程可以根据需要选择；配有光电隔离的RS-485通讯接口，ModBus RTU通讯规约，可以与具有ModBus兼容协议的监控系统进行信息数据的有效传送。
20路电压测量模块的技术指标如下：
测量精度能够达到0．2级，在利用模块进行组网时，地址范围是0～255，并且波特率可选，默认值为9 600b／s。
工作条件：温度范围是-30～70℃，湿度范围是10％～90％RH；存储条件：温度范围是-40～80℃，湿度范围是10％～90％RH。
1．2 ModBus通讯规约
在各种不同的系统通信中，Modbus协议是一种在工业领域被广泛应用的、真正开放的、标准的网络通信协议，通过该协议控制器之间、控制器与其它设备之间都可以实现通信。由于设计所用的20路电压测量模块采用ModBus通讯协议，作为主机的单片机也应该采用此协议，才能实现主机与从机的通信。在编程实现主机功能之前，需要理解协议的规约。
主机查询信息包括从设备地址、功能代码、所有要发送的数据、错误校验。从机回应信息包括确认要行动的域、任何要返回的数据、错误校验。
主机和从机的通信方式符合查询-回应的方式，主机发送的查询消息中的功能代码告诉从机要执行何种功能，数据段中包含了从机要执行功能的附加信息以及寄存器的起始地址和数量，错误校验为从机提供了一种验证消息内容是否正确的方法。从机产生回应是建立在读取指令未发生错误的前提下，在回应消息中的功能代码是查询消息的回应，数据段包含了从机收集的数据。如果中间过程发生错误，功能代码将被修改，并且数据段包含描述错误信息的代码，错误校验允许主机确认消息是否可用。
1．3 20路电压测量模块组网
因为20路电压测量模块的输出为标准RS485，所以以RS485为接口的20路电压测量模块可以进行组网。通常RS485网络节点数最多为32个，通过中继器可以提高RS485接口的带负载能力，最多可达到驱动256个模块的能力，从而可以将多个20路电压测量模块组成网络，满足实时监测几百路甚至上千路电压的需要，最终达到监测显示多路压电驱动器输出电压的要求。

2 系统部分硬件设计
2．1 RS485通信接口
由于20路电压测量模块支持RS485串行通信，为了实现单片机与电压测量模块的数据通信，必须设计RS485通信接口。主机可以通过RS485接口将查询信息传送给从机，同时从机可以将采集的实时电压数据回应给主机。采用RS485信号收发专用芯片MAX485实现信号的转换，在设计电路时要充分考虑MAX485芯片同相端、反相端的电平对应关系。由于从机回应数据帧的初始位-低电平使主机产生接受中断，所以只有MAX485芯片同相端A的初始电平大于反相端B的初始电平时，才能保证主控制器单片机打开接收中断时不会产生误中断，而造成接到错误的数据帧，RS485接口电路原理图如图2所示。