基于串行通信的壓電陶瓷驅動(dòng)器的設計

壓電陶瓷由于其奇妙的壓電效應被科學(xué)家們應用在與人們生活密切相關(guān)的領(lǐng)域，以實(shí)現能量轉換、傳感、驅動(dòng)等功能。壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一。利用這微小的變化可以制作精確控制機構——壓電驅動(dòng)器，對于精密儀器和機械的控制等領(lǐng)域作用巨大。壓電驅動(dòng)器具有很高的位移分辨率以及抗干擾能力，并且控制方法簡(jiǎn)單，非常適用于微位移驅動(dòng)，目前已被廣泛應用于國防、生物醫學(xué)、光電子等諸多領(lǐng)域[1-2]。調節壓電陶瓷上的電壓可以采用手動(dòng)和計算機控制的方式，隨著(zhù)高性能D/A芯片的應用，使得計算機控制更加精確。計算機和外部電路(含單片機)的通信可以通過(guò)串口來(lái)實(shí)現。由于串行通信[3]具有高效可靠、價(jià)格便宜、遵循統一的標準等特點(diǎn)，使得串口通信在系統控制[4-5]的范疇中一直占據著(zhù)極其重要的地位。Visual Basic 6.0提供了串行通信控件，可以輕松實(shí)現串口數據的交換。本文介紹通過(guò)PC和單片機之間的串行通信來(lái)實(shí)現壓電陶瓷驅動(dòng)器的設計，其中計算機作為上位機，單片機作為下位機。

1 硬件基礎

圖1所示為系統的結構框圖。由于上下位機串行口工作電平不一致，它們之間通過(guò)MAX232芯片將TTL電平轉換為RS232電平。單片機選擇了ATMEL公司的精簡(jiǎn)指令集單片機ATmega16，該款單片機功耗低，在正常模式下只有1.1 mA，最高工作頻率可達16 MHz，具有可擦寫(xiě)的16 KB的可編程Flash，其內部的USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設備，使用起來(lái)非常方便。D/A芯片采用ANALOG公司的12 bit分辨率的AD5344，AD5344具有并行輸入接口，需要的控制線(xiàn)也不多，并且具有雙緩沖輸入邏輯，一片AD5344有4路輸出。計算機通過(guò)串行口將數據發(fā)送給單片機，單片機將接收到的數據放在內部的SRAM中，接收完畢后，再將數據取出，通過(guò)數據端口輸出到D/A，D/A的模擬輸出信號(電壓)用來(lái)控制壓電陶瓷。

2 上位機程序設計
　上位機程序的編寫(xiě)采用Visual Basic 6.0的編程環(huán)境，使用Visual Basic6.0的MSComm通信控件，非常容易就能實(shí)現串口通信，使用時(shí)要對串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設置。每個(gè)通信控件對應一個(gè)串口，如果要訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)通信口，則要設計多個(gè)通信控件。
2.1 程序流程及界面設計
　計算機和單片機之間的通信采用查詢(xún)的工作方法，計算機為上位機(主機)，單片機為下位機(從機)。上位機主要負責發(fā)送控制命令，以及數據的發(fā)送接收、處理、計算、數據的顯示等功能。上位機程序分為四個(gè)部分：界面設計、程序初始化、數據通信、數據處理。程序流程如圖2所示。

　主程序界面主要分為數據的輸入框和命令控件按鈕，輸入框用于輸入提供給壓電陶瓷電壓的數值，命令控件按鈕用于實(shí)現命令和數據的發(fā)送和接收，界面還放置一個(gè)顯示通信狀態(tài)的文本框。程序界面如圖3所示。
　圖3中的“設置”按鈕用于將文本框中的電壓值(CH1~CH4)通過(guò)串口發(fā)送到單片機，單片機再把數據傳給模數轉換器?！扒辶恪卑粹o用于將輸出數據都設置為零。

2.2 程序代碼
　具體的程序代碼包括串口的初始化及數據的發(fā)送與接收。串口的初始化代碼如下：
MSComm1.CommPort=1；使用COM1串口
MSComm1.Settings="9600，n，8，1"；數據格式：波特率9 600 b/s，無(wú)奇偶校驗，8位數據，1位停止位
MSComm1.OutBufferCount=0；清空發(fā)送緩沖區
MSComm1.InBufferCount=0；清空接收緩沖區
MSComm1.PortOpen=Tr ue；打開(kāi)串口
MSComm1.InputMode=1；以二進(jìn)制形式取回數據
MSComm1.InputLen=0；一次讀取緩沖區內全部數據
　由于篇幅的限制，關(guān)于數據的發(fā)送和接收部分的代碼不再給出了。
3 下位機的通信程序設計
　下位機程序包括初始化部分、數據接收部分和數據輸出部分等。
Atmega16內部的USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設備，使用起來(lái)非常方便，單片機串行通信的波特率發(fā)生器可由其片內時(shí)鐘產(chǎn)生，波特率寄存器UBRR用于設置所需要的波特率， 對于異步正常模式波特率的計算公式為BAUD=fosc/16(UBRR+1)，對于9 600 b/s的波特率(和上位機一致)，在fosc=8 MHz的情況下，UBRR的值為51。數據的傳送格式為：1個(gè)起始位，8位數據位，1位停止位。程序流程如圖4所示。

　初始化部分程序代碼如下：
ldi r16，0x20
out UCSRA，r16；設置串口通信模式
ldi r17，0x00
out UBRRH，r17
ldi r16，0x33
out UBRRL，r16；設置串口通信的波特率
ldi r16，0x86
out UCSRC，r16；設置串口通信的數據格式
ldi r16，0x18
out UCSRB，r16；使能串口通信
　其他部分的代碼由于比較長(cháng)，在這里就不列出了。
基于串行通信設計了壓電陶瓷驅動(dòng)器，使用Visual Basic 6.0提供的串行通信控件可以輕松實(shí)現串口數據的交換。系統的開(kāi)發(fā)周期短、效率高，并且串行通信程序的調試可以借助很多的工具軟件(如串口調試助手)，因此使用串行通信好處很多。雖然現在有的計算機的主板并不帶串行接口(如筆記本電腦)，而由USB接口替代，但同樣可以使用串行通信。方法是采用USB轉串口的方法，硬件上需要一根轉接線(xiàn)，使用的時(shí)候要安裝驅動(dòng)，其串口號由Windows自動(dòng)分配，即系統虛擬了一個(gè)串行端口，這個(gè)端口和真實(shí)的串行端口使用方法完全一樣。
參考文獻
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