激光干涉儀無線測控的設計和實現

任少華,盧慶杰,韓　森

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上?！?00093;2.蘇州慧利儀器有限責任公司,江蘇 蘇州　215123)

?

激光干涉儀無線測控的設計和實現

任少華1,2,盧慶杰1,2,韓森1,2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093;2.蘇州慧利儀器有限責任公司,江蘇 蘇州215123)

摘要針對傳統激光干涉儀需要手動調節光學部件問題,設計并開發了一種激光干涉儀無線測控系統,該系統可以無線調節激光干涉儀光學部件的位置。系統采用nRF2401無線射頻技術,與傳統的nRF2401運用相比,該系統采用奇偶校驗和CRC校驗的雙重校驗,提高無線射頻傳輸數據的正確率。同時系統采用閉環控制,提高了激光干涉儀的精確度和穩定性,避免了光學部件的過量調節對激光干涉儀的損傷。

關鍵詞激光干涉儀;移相干涉;無線控制

基于傳統激光干涉儀采用移相干涉原理,廣泛運用在精密儀器的精度標定,其中的一些光學部件通常需要手動調整。然而,隨著儀器精密度要求的不斷提高,手動調整光學器件帶來的誤差和不穩定性成為了影響激光干涉儀精度的一個重要因素,同時有些光學部件在激光干涉儀機械結構內部,調節較為不易。針對這種情況,本文提出了一種新的方案,通過無線射頻測控系統來達到調節光學器件位置的目的。激光干涉儀的光學器件位置調節系統由無線測控系統,伺服電機驅動系統和電動操控機構3部分組成。該方案可有效減少人為調節所帶入的不穩定性,同時由高精密電機配合機械機構替代人手調節光學部件,能有效提高調節精度并簡化調節難度,最終達到提高激光干涉儀精度和穩定度的要求。

1原理和方法

激光干涉儀是一種高精度的測量儀器,本設計基于菲索型激光干涉儀。菲索型激光干涉儀的原理如圖1所示,激光器產生的單頻激光通過不同的光程在CCD上產生干涉。為提高干涉儀的精確度和穩定性,很多激光干涉儀采用移相干涉的方法。移相干涉法是一種通過多幅干涉圖的平均處理降低隨機噪聲,提高干涉條紋穩定性的方法,而移相干涉法往往需要調節參考面和被測面來校準相位[1]。傳統的激光干涉儀通常采用人工手動調節螺絲來調節被測面和參考面的位置,手動調節不僅調節時間長,操作不方便,還會帶入不穩定性影響干涉儀的精度,甚至不當的操作會影響干涉儀的正常使用。

圖1　菲索干涉儀示意圖

2無線測控系統設計

2.1nRF2401無線射頻模塊

系統比較了WiFi[2],藍牙[3]和無線射頻3種無線通信方案,綜合考慮了可行性、研發周期和研發成本,決定使用無線射頻方案來完成無線通信。無線測控系統中的無線射頻設計采用nRF2401無線模塊,內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊,工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段,芯片具有較低的功耗。nRF2401應用DuoCeiverTM技術,可使用同一天線同時接受兩個不同頻道的數據[4]。nRF2401內置地址解碼器,每個nRF2401擁有一個地址,在編程時可設置不同的地址,使得nRF2401按需要進行一對一或者一對多通信。在進行多對一的通信時,nRF2401有ShockBurstTm收發和直接收發兩種模式[4],模式的選擇由nRF2401芯片內部的寄存器決定,可通過讀寫寄存器來決定選擇哪種收發模式。nRF2401自動封裝發送數據,數據采用CRC檢驗[5]。

2.2電動操控系統

電動操控系統由伺服電機[6]、變速控制結構和光學器件位置傳感器組成。激光干涉儀無線測控系統通過電動操控機構對激光干涉儀光學器件位置進行調整,如圖2所示。同時,傳感器會對所調節大光學部件的位置進行一個反饋。當光學部件的位置超過預設位置范圍時,給無線測控發送一個中斷信號[7],避免光學部件被電動操作機構帶出正常范圍而對激光干涉儀造成一定的損傷。無線測控系統,伺服電機驅動系統,電動操控機構和光學器件位置傳感器形成了一個閉環的測控環境,提高了系統的安全性和穩定性。

圖2　電動操控機構工作流程

2.3硬件系統設計

無線測控系統設計由無線測控發射模塊和無線測控接受模塊兩個部分組成,無線發射模塊如圖3所示,由按鍵板、處理器、nRF2401無線射頻模塊和天線組成。當激光干涉儀的某個光學部件需要調整位置時,可選擇對應按鍵板上的按鍵對處理器發送請求,由于干涉儀所需要調整光學器件的位置較多,處理器先對相應的請求進行編碼,然后通過無線射頻模塊發射信號。

圖3　無線測控發射模塊

接收模塊如圖4所示,包括天線、無線射頻、處理器、傳感器和電機驅動電路。當nRF2401無線測控接收模塊接收到來自于無線測控發送模塊發送的信息時,會將信息傳送到處理器對信息進行解碼,然后根據解碼后的信息對高精度直流電機進行相應的操作。

圖4　激光干涉儀無線測控接收模塊

2.4軟件系統設計

無線測控軟件系統包括發送模塊和接收模塊兩部分。發送模塊的作用是實現人機的交互功能。為避免不同發射模塊和接受模塊互相干擾,設計方案采用發射模塊和接受模塊固定通信,即發射模塊只能與固定的相應接受模塊進行通信。在此系統中,nRF2401無線射頻模塊采用了ShockBrustTM模式。軟件系統流程如圖5和圖6所示。發射模塊和接受模塊,均處于不斷的循環中,同時判斷發射模塊循環的檢測鍵盤是否按下,而接受模塊則始終不斷地檢測是否接收到射頻信號[8]。

圖5　發射模塊流程

圖6　接受模塊流程

為提高實時通信的速度和通信成功率,按鍵信息采用8位2進制編碼的方式,如表1所示,其中第3位為電機選擇位,最多可提供8個電機的選擇,第4位為電機方向選擇位,方向位數值為1,電機正方向旋轉,數值為0則電機反方向旋轉。第5和第6位為電機的速度選擇位,最多可以提供4檔不同速率的選擇,以方便對光學儀器的位置實行粗調和精調,如表2所示,速度位的2進制數值對應電機的速度。

表1　按鍵信息編碼

第7位為電機校驗位,第8位為低6位校驗位,校驗位采用奇偶校驗,當校驗信息中1的個數為奇數時則此位為1,校驗信息中1的個數為偶數時則此位為0。雖然加入了校驗會降低系統的實時通信速度,但可較大地提高系統數據傳送的成功率。值得注意的是,當接收模塊接收到信息并解碼后,首先需通過傳感器確定光學器件的位置,若位置超出了預設值范圍,為保護激光干涉儀安全的使用,系統對將不操作此次發射的信號,且返回一個超出預設范圍的警告。只有光學器件在預設范圍內,系統才會操作相應的電機。

表2　速度位編碼和檔位對應表

3系統測試

在軟硬件調試成功后,分別對是否使用雙重檢驗進行了系統傳輸的正確性測試,在1 m,5 m,10 m的距離發送1 000個數據包,對接收端的數據進行對比,對比結果如表3所示,使用雙重校驗數據傳輸正確率有一定的提升。由于系統采用奇偶校驗和CRC校驗,雖降低了一些實時傳輸的速度,但大幅提高了系統的穩定性。應當指出的是,使用雙重校驗時系統的實時傳輸速度為120 kbit·s-1,完全能滿足激光干涉儀控制光學器件位置的要求。

表3　系統傳輸正確性測試

4結束語

通過系統測試可知,系統的傳輸速率滿足激光干涉儀無線測控的要求,同時系統采用奇偶校驗和CRC校驗的雙重校驗,大幅降低了無線通信過程中的誤碼率。系統采用的閉環模式也能避免過量調整對激光干涉儀造成損傷。系統測試表明,采用2.4 GHz的無線射頻技術,通過非接觸式的無線遙控完成激光干涉儀光學部件的位置調整是可行的。

考慮到該系統的實際應用,系統對干涉儀的精度和穩定性的影響有待進一步的深入研究。同時在未來的發展方向中,會考慮將激光干涉儀的控制和CCD采集的數據通過此系統傳輸到網絡,實現測量和信息處理相分離,達到激光干涉儀在靜室內操作的要求,這種功能在高精密工業中會有一定的需求。

參考文獻

[1]朱日宏,陳磊,王青,等.移相干涉測量術及其應用[J].應用光學,2006,27(2):85-88.

[2]李揚.WiFi技術原理及應用研究[J].科技信息,2010(6):241-242.

[3]徐金茍.藍牙4.0底層核心技術協議研究與實現[D].上海:上海交通大學,2012.

[4]張崇,于曉琳,劉建平.單片2.4GHz無線收發一體芯片nRF2401及其應用[J].國外電子元器件,2004(6):34-36.

[5]陳麗娟,常丹華.基于 nRF2401 芯片的無線數據通信[J].電子器件,2006,29(1):248-250.

[6]余翔翔,陳德傳,鄭忠杰.無線電遙控式直流電機控制系統[J].杭州電子科技大學學報,2013,33(5):191-194.

[7]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2009.

[8]張坤.基于FPGA的PicoBlaze嵌入式通信系統設計[J].電子科技,2013,26(5):53-56.

Design and Implementation of Wireless Monitoring and Control Based on Laser Interferometer

REN Shaohua1,2,LU Qingjie1,2,HAN Sen1,2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Suzhou Huili Instrument Co.,Ltd.,Suzhou 215123,China)

AbstractA wireless automatic control system designed and implemented according to save the need to manually adjust the optical components in traditional laser interferometers.The system can regulate the location of the laser interferometer optical components by wireless technology.The nRF2401 wireless radio frequency technology is used and the transmitted information is coded with odd-even check and CRC check,thus an obvious decreased error rate compared with that by the traditional nRF2401.Because of the use of the closed loop,the laser interferometer has an enormous improvement in precision and stability,avoiding the optical components of excessive regulation of laser interferometer.

Keywordslaser interferometer;phase-shifting interferometry;wireless control

中圖分類號TN249;TH744

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-009-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.003

作者簡介:任少華(1988—),男,碩士研究生。研究方向:激光干涉儀的無線測控。

基金項目:國家重大科學儀器設備專項基金資助項目(2013YQ15082902)

收稿日期:2015- 08- 21