网络概况及整体设计要求电源控制箱机械结构设计通讯物理层标准的选定电源控制箱中基本通讯协议框架设定电源控制箱实现多点控制功能分析本章小结第三章电源控制箱内部电路设计分析电源控制箱内部电路整体实现功能介绍电源控制箱内部电路分析及改进电源转换模块嵌入式最小系统通讯模块电子开关设计模块设计选型控制电路板设计电源控制箱内部电路各功能测试芯片上电测试晶振电路测试复位电路测试电子开关测试通讯模块测试本章小结第四章电源控制箱节点网络通讯软件设计网络通讯整体介绍上位机通讯模块设计上位机通讯流程简介上位机软件使用功能详细介绍电路板通讯模块设计控制电路板通讯流程简介控制电路板通讯协议设计无线模块通讯组网设计通讯协议可靠性分析校验设计通讯程序中断接收分析及自动流控制响应超时设计与通讯异常处理软件平台搭载操作系统实验设计系统简介与任务状态分析系统移植基本流程与问题分析系统任务调度实施方式本章小结第五章实验验证与分析电源控制箱与上位机无线通讯及功能测试实验上位机控制单发射站测试实验电源控制箱构建多站组网测试本章小结第六章总结与展望总结展望参考文献发表论文和参加科研情况说明致谢第章绪论第章绪论课题的背景和意义新世纪以来，现代工业快速发展壮大，制造类企业对工业产品的质量要求也越来越高，传统落后的测量检测方法已经不能满足现代化生产的需要，这就对工业领域中工业测量提出了新的任务与期望。工业测量是指在制造工业及其安装工业中，对部件及产品的形体进行精密的三维坐标测量。随着数学解算方法研究的深入以及计算机技术和网络技术的发展，工业测量系统有了新的发展方向多传感器的综合配套使用，综合新的坐标解算方法和网络搭建技术，逐步发展成分布式测量网络系统。新型的工业测量系统可以应对制造过程中目标测量区域扩大以及测量点需求数量增加等新问题，同时随着系统性能提高以及应用成本的降低，也具备了大规模应用于工业现场的条件，满足了现代化工业快速生产的需要。测量系统是种新型的分布式三维坐标测量系统，适用于对工业现场中的大尺寸工件进行测量，且测量效率和精度相对以前均有了很大提高。系统利用发射站转台上的激光器旋转发出扇形红外光平面，当位于测量坐标系内待测位置的接收器接收到红外光信号后，便能快速准确解析出待测点位置信息，有很高的自动化程度，极大的提高了工业测量效率。目前已经成功应用于沈阳飞机场等工业现场，实际测量效果优异，表现良好，在大尺寸测量领域发挥了重要作用。由天津大学叶声华院士领导的国家重点实验室课题研究小组多年前就开始针对测量系统在工业领域的应用展开了深入研究。研究团队对坐标系统内坐标点解算发射站的旋转稳定性等方面进行了研究并取得了优秀成果，成功从实验室设计研发阶段走入工业现场应用阶段，目前，这项成果已经被应用于沈阳飞机场等，测量精准，性发射站，进而达到上位机远程控制发射站的目的。在整个通讯过程中，命令信息发送成功后，接收端会返回相应识别指令，如果未成功发送，接收端会返回警告信息，发送端会进入重发机制，避免异常发生。本系统的通讯功能码如表所示。表系统所需时钟信号及选型命令代码含义电源控制箱上电启动发射站发射站断电式关机电源控制箱指令启动发射站发射站指令式关机第二章电源控制箱方案总体设计发射站指示灯亮发射站指示灯灭上位机通过电源控制箱读取发射站实时转速上位机通过电源控制箱读取发射站内参变量上位机通过电源控制箱向发射站写内参变量上位机通过电源控制箱令发射站改为转速校验码校验码是用来检验通讯数据的正确性和完整性，通常由特定算法对帧头地址信息命令信息等部分进行相关解算后得到。在本课题中，选用了的校验方式，应用校验的基本流程为在发送端发送消息时根据定规则生成校验序列，添加在信息数据后面发送给接收端在接收端收到带校验序列的数据后，根据相同的计算规则来解析校验码，如果解析正确，则表明在总线上通讯正常，可以按照命令信息进行操作如果解析错误，则表明命令信息在总线上传输时发生通讯错误，此时不能进行相关操作。电源控制箱实现多点控制功能分析本测量系统最终在现场应用时，电源控制箱为多点控制网络的核心部分，上位机对电源控制箱中电路板的控制采用手动模式，上位机通过无线成功连接到目标电路板散发的无线信号后，通过软件即可开始进行相关操作。些主要的控制功能指令已经在软件界面显示为按键形式，便于随时进行操作。当选择相应按键后，上位机即通过将待实施指令传输给电源控制箱，电源控制箱远程接收到指令后，识别无误，然后对通过控制发射站，进而达到上位机远程控制发射站的效果。上位机可以通过选择电源控制箱发出的带有标识信息的无线信号并进行连接，然后操控相应的发射站，随时根据测量需要改变测量参数，通过电源控制箱的存在，达到如图中所示的控多的多点控制网络测量形式。图多点控制网络示意图第二章电源控制箱方案总体设计本章小结本章首先对整个测量系统的整体布局结构和设计需要进行了分析，然后细化的对核心部分电源控制箱的机械改进部分通讯协议部分等关键需求进行了分析说明，明确了需求方向，确定了最终应用类型，最后对整个测量系统应用时的控制方式进行了分析和说明。第三章电源控制箱内部电路设计分析第三章电源控制箱内部电路设计分析电源控制箱内部电路整体实现功能介绍电源控制箱中内部电路通过自身实现的功能协助工业现场搭建多点控制网络。网络中以上位机为控制核心，分布在各处的配备电源控制箱的体化发射站围绕待测工件分散布局，使得发射站发出的扫描光能够覆盖整个工件。现场的体化发射站均被固定在稳定的三脚架上，每个发射站都有相应的电源控制箱进行单控制。每个测量发射站组成的测量节点均通过电控箱内部电路与上位机进行通讯连接，实时接收和发送控制信息。电源控制箱内电路板在工业现场有应用需求时，经由上位机发送相关指令，通过串口进行接收，芯片进行分析解算，然后将指令信息打包，经由透传模式通过通讯传递给发射站，达到改变发射站测量速度控制电子开关影响供电开断读取发射站内参量监测发射站运行等效果。上位机电路板和发射站之间整体功能流程如图所示。图整体功能流程图电源控制箱内部电路分析及改进设计电路控制板需要对应用时的环境和应用时的具体需求有充分了解，因此才能设计出合格的工业产品。首先对需求量化分析，电路硬件设计详细需求如下表所示表控制电路板硬件需求分析序号需求需求说明备注第三章电源控制箱内部电路设计分析电源输入，可变电压输出，可变输入输出无线模块供电芯片封装小，允许电流大，纹波小，纹波小，支持电流达到电子开关程序控制，取代继电器方式三极管搭配管速度快，稳定抗干扰，支持芯片稳定可靠，有保护等功能，带静电保护无线模块信号强，体积小，抗干扰能力强电源控制箱配有无线功能，作为无线可控节点分布在测量网络中，方面需要及时接收上位机的指令，另方面需要及时将收到的指令传输给发射站，使得上位机可以在远程准确控制发射站。电路板主要的功能结构图如图所示，主要包括电源系统芯片最小系统通讯模块和模块部分。图电路硬件功能图因为电源控制箱箱体内部体积的限制，同时为了牢固固定电路板，最终将电路板尺寸大小设计为，定位孔直径为，孔中心距离电路板固定边界为。控制电路板形状图如图所示图电路控制板布局图第三章电源控制箱内部电路设计分析从上图可以看出，电路板左侧有定位安装孔，可以在箱体内稳定固定，安全可靠，防止现场搬运电源控制箱时造成内部电路板晃动和损坏。在电源控制箱侧侧板上，有直径的自复位按动开关，开关在使用时经由按动后会自动弹起，同时此按下弹起的过程会传递给电路板个功能触发信号，电路板接收到信号后进行判断然后完成相应功能另侧板上，有连接头和镀金转连接头头接口，转连接头可以有效将电路控制板上无线模块散发的信号经由高保真低损耗的延长线传出箱体，供上位机稳定接收。电源控制箱箱体两侧实物安装情况如图所示。图箱体两侧示意图电源转换模块能够长期稳定工作的测量系统需要配备稳定的电源模块，在本文设计的电源控制箱整体结构中，主要包括两部分电源模块选型，部分为强电接入的独立工作电源模块，另部分为电路控制板上的电源芯片。下文将对这两部分进行分析说明。对强电接入的大功率电源模块进行分析，此部分电源模块作为工业现场对测量系统最直接的电源入口，电源模块的安全性稳定性和功率等参数都需要经过严格的需求判断。包括发射站和控制电路板上各主要器件在内的功耗分析如表所示。表控制电路板器件功耗分析序号器件功耗分析说明芯片时钟为时最大电流为，功耗计为无线模块峰值电流，功耗计为芯片工作电流，功耗计为第三章电源控制箱内部电路设计分析芯片工作电流，功耗约为电子开关功耗计为发射站工作电流，功耗计为根据上表数据，发射站和控制电路板整体功耗为，本文最终选用的输入为交流电输出为直流电电源模块，此模块提供功率最大可达，考虑电源效率为及使用裕量。同时电源模块开关电源纹波和噪声小于输出电压的，有过温保护过流保护高抗震性等性质，十分利于应用在条件恶劣的工业现场。对电路控制板上的电源芯片进行分析，此部分电源芯片基本需求需要有直流电接入多种参数电压可以选择性输出的功能。同时此芯片需要为后续多种电压转换电路提供功率支持，耐流值要高。电路板电源转换功能布局如图所示。图电路板电源转换功能布局图根据需求分析，最终选择了德州仪器生产的电源芯片，此芯片支持输入，输出电流最高支持到，大于正常工作时电流，同时作为开关电源芯片，开关频率为，效率高达，同时工作电阻仅为，正常工作时最大功率仅为。芯片应用图如图所示。第三章电源控制箱内部电路设计分析图应用电路图为了保证芯片工作时的稳定，需要加入去耦电容，去耦电容容值大小受输入电容影响。输入电容需要防止输入电压纹波超额，根据输入电压纹波公式为最大负载电流，开关频率为，为输入电容，为等效串联电阻，保持纹波在以内，代入计算后选择瓷介电容作为输入电容。输出滤波方面，为了保证滤波效果，设计电感器件电感值，根据公式其中表明纹波电流相对最大输出电流当量值，设计时主要考虑两个方面值影响峰值开关电流峰峰纹波电流影响输出纹波电压。为了保证此核心芯片输出高精度与低开断电流，选择值在。当时，代入相应与值，计算电感值在，本文选择。对进行输出电压设计，为了保证的准确输出，根据端电压与电阻配比公式当时，采用为推荐值后，计算为。