激光干涉儀無(wú)線測(cè)控的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

任少華,盧慶杰,韓　森

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海　200093;2.蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司,江蘇 蘇州　215123)

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激光干涉儀無(wú)線測(cè)控的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

任少華1,2,盧慶杰1,2,韓森1,2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司,江蘇 蘇州215123)

摘要針對(duì)傳統(tǒng)激光干涉儀需要手動(dòng)調(diào)節(jié)光學(xué)部件問(wèn)題,設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種激光干涉儀無(wú)線測(cè)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以無(wú)線調(diào)節(jié)激光干涉儀光學(xué)部件的位置。系統(tǒng)采用nRF2401無(wú)線射頻技術(shù),與傳統(tǒng)的nRF2401運(yùn)用相比,該系統(tǒng)采用奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)的雙重校驗(yàn),提高無(wú)線射頻傳輸數(shù)據(jù)的正確率。同時(shí)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,提高了激光干涉儀的精確度和穩(wěn)定性,避免了光學(xué)部件的過(guò)量調(diào)節(jié)對(duì)激光干涉儀的損傷。

關(guān)鍵詞激光干涉儀;移相干涉;無(wú)線控制

基于傳統(tǒng)激光干涉儀采用移相干涉原理,廣泛運(yùn)用在精密儀器的精度標(biāo)定,其中的一些光學(xué)部件通常需要手動(dòng)調(diào)整。然而,隨著儀器精密度要求的不斷提高,手動(dòng)調(diào)整光學(xué)器件帶來(lái)的誤差和不穩(wěn)定性成為了影響激光干涉儀精度的一個(gè)重要因素,同時(shí)有些光學(xué)部件在激光干涉儀機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部,調(diào)節(jié)較為不易。針對(duì)這種情況,本文提出了一種新的方案,通過(guò)無(wú)線射頻測(cè)控系統(tǒng)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)光學(xué)器件位置的目的。激光干涉儀的光學(xué)器件位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)由無(wú)線測(cè)控系統(tǒng),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)操控機(jī)構(gòu)3部分組成。該方案可有效減少人為調(diào)節(jié)所帶入的不穩(wěn)定性,同時(shí)由高精密電機(jī)配合機(jī)械機(jī)構(gòu)替代人手調(diào)節(jié)光學(xué)部件,能有效提高調(diào)節(jié)精度并簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)難度,最終達(dá)到提高激光干涉儀精度和穩(wěn)定度的要求。

1原理和方法

激光干涉儀是一種高精度的測(cè)量?jī)x器,本設(shè)計(jì)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(chǎn)生的單頻激光通過(guò)不同的光程在CCD上產(chǎn)生干涉。為提高干涉儀的精確度和穩(wěn)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(guò)多幅干涉圖的平均處理降低隨機(jī)噪聲,提高干涉條紋穩(wěn)定性的方法,而移相干涉法往往需要調(diào)節(jié)參考面和被測(cè)面來(lái)校準(zhǔn)相位[1]。傳統(tǒng)的激光干涉儀通常采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)螺絲來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)面和參考面的位置,手動(dòng)調(diào)節(jié)不僅調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng),操作不方便,還會(huì)帶入不穩(wěn)定性影響干涉儀的精度,甚至不當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)影響干涉儀的正常使用。

圖1　菲索干涉儀示意圖

2無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1nRF2401無(wú)線射頻模塊

系統(tǒng)比較了WiFi[2],藍(lán)牙[3]和無(wú)線射頻3種無(wú)線通信方案,綜合考慮了可行性、研發(fā)周期和研發(fā)成本,決定使用無(wú)線射頻方案來(lái)完成無(wú)線通信。無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)中的無(wú)線射頻設(shè)計(jì)采用nRF2401無(wú)線模塊,內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)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(yīng)用DuoCeiverTM技術(shù),可使用同一天線同時(shí)接受兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)[4]。nRF2401內(nèi)置地址解碼器,每個(gè)nRF2401擁有一個(gè)地址,在編程時(shí)可設(shè)置不同的地址,使得nRF2401按需要進(jìn)行一對(duì)一或者一對(duì)多通信。在進(jìn)行多對(duì)一的通信時(shí),nRF2401有ShockBurstTm收發(fā)和直接收發(fā)兩種模式[4],模式的選擇由nRF2401芯片內(nèi)部的寄存器決定,可通過(guò)讀寫寄存器來(lái)決定選擇哪種收發(fā)模式。nRF2401自動(dòng)封裝發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采用CRC檢驗(yàn)[5]。

2.2電動(dòng)操控系統(tǒng)

電動(dòng)操控系統(tǒng)由伺服電機(jī)[6]、變速控制結(jié)構(gòu)和光學(xué)器件位置傳感器組成。激光干涉儀無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)操控機(jī)構(gòu)對(duì)激光干涉儀光學(xué)器件位置進(jìn)行調(diào)整,如圖2所示。同時(shí),傳感器會(huì)對(duì)所調(diào)節(jié)大光學(xué)部件的位置進(jìn)行一個(gè)反饋。當(dāng)光學(xué)部件的位置超過(guò)預(yù)設(shè)位置范圍時(shí),給無(wú)線測(cè)控發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)[7],避免光學(xué)部件被電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)帶出正常范圍而對(duì)激光干涉儀造成一定的損傷。無(wú)線測(cè)控系統(tǒng),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),電動(dòng)操控機(jī)構(gòu)和光學(xué)器件位置傳感器形成了一個(gè)閉環(huán)的測(cè)控環(huán)境,提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

圖2　電動(dòng)操控機(jī)構(gòu)工作流程

2.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)由無(wú)線測(cè)控發(fā)射模塊和無(wú)線測(cè)控接受模塊兩個(gè)部分組成,無(wú)線發(fā)射模塊如圖3所示,由按鍵板、處理器、nRF2401無(wú)線射頻模塊和天線組成。當(dāng)激光干涉儀的某個(gè)光學(xué)部件需要調(diào)整位置時(shí),可選擇對(duì)應(yīng)按鍵板上的按鍵對(duì)處理器發(fā)送請(qǐng)求,由于干涉儀所需要調(diào)整光學(xué)器件的位置較多,處理器先對(duì)相應(yīng)的請(qǐng)求進(jìn)行編碼,然后通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)射信號(hào)。

圖3　無(wú)線測(cè)控發(fā)射模塊

接收模塊如圖4所示,包括天線、無(wú)線射頻、處理器、傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)nRF2401無(wú)線測(cè)控接收模塊接收到來(lái)自于無(wú)線測(cè)控發(fā)送模塊發(fā)送的信息時(shí),會(huì)將信息傳送到處理器對(duì)信息進(jìn)行解碼,然后根據(jù)解碼后的信息對(duì)高精度直流電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖4　激光干涉儀無(wú)線測(cè)控接收模塊

2.4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線測(cè)控軟件系統(tǒng)包括發(fā)送模塊和接收模塊兩部分。發(fā)送模塊的作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互功能。為避免不同發(fā)射模塊和接受模塊互相干擾,設(shè)計(jì)方案采用發(fā)射模塊和接受模塊固定通信,即發(fā)射模塊只能與固定的相應(yīng)接受模塊進(jìn)行通信。在此系統(tǒng)中,nRF2401無(wú)線射頻模塊采用了ShockBrustTM模式。軟件系統(tǒng)流程如圖5和圖6所示。發(fā)射模塊和接受模塊,均處于不斷的循環(huán)中,同時(shí)判斷發(fā)射模塊循環(huán)的檢測(cè)鍵盤是否按下,而接受模塊則始終不斷地檢測(cè)是否接收到射頻信號(hào)[8]。

圖5　發(fā)射模塊流程

圖6　接受模塊流程

為提高實(shí)時(shí)通信的速度和通信成功率,按鍵信息采用8位2進(jìn)制編碼的方式,如表1所示,其中第3位為電機(jī)選擇位,最多可提供8個(gè)電機(jī)的選擇,第4位為電機(jī)方向選擇位,方向位數(shù)值為1,電機(jī)正方向旋轉(zhuǎn),數(shù)值為0則電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)。第5和第6位為電機(jī)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(duì)光學(xué)儀器的位置實(shí)行粗調(diào)和精調(diào),如表2所示,速度位的2進(jìn)制數(shù)值對(duì)應(yīng)電機(jī)的速度。

表1　按鍵信息編碼

第7位為電機(jī)校驗(yàn)位,第8位為低6位校驗(yàn)位,校驗(yàn)位采用奇偶校驗(yàn),當(dāng)校驗(yàn)信息中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)則此位為1,校驗(yàn)信息中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)則此位為0。雖然加入了校驗(yàn)會(huì)降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信速度,但可較大地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的成功率。值得注意的是,當(dāng)接收模塊接收到信息并解碼后,首先需通過(guò)傳感器確定光學(xué)器件的位置,若位置超出了預(yù)設(shè)值范圍,為保護(hù)激光干涉儀安全的使用,系統(tǒng)對(duì)將不操作此次發(fā)射的信號(hào),且返回一個(gè)超出預(yù)設(shè)范圍的警告。只有光學(xué)器件在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),系統(tǒng)才會(huì)操作相應(yīng)的電機(jī)。

表2　速度位編碼和檔位對(duì)應(yīng)表

3系統(tǒng)測(cè)試

在軟硬件調(diào)試成功后,分別對(duì)是否使用雙重檢驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)傳輸?shù)恼_性測(cè)試,在1 m,5 m,10 m的距離發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包,對(duì)接收端的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如表3所示,使用雙重校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸正確率有一定的提升。由于系統(tǒng)采用奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn),雖降低了一些實(shí)時(shí)傳輸?shù)乃俣?但大幅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)指出的是,使用雙重校驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸速度為120 kbit·s-1,完全能滿足激光干涉儀控制光學(xué)器件位置的要求。

表3　系統(tǒng)傳輸正確性測(cè)試

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試可知,系統(tǒng)的傳輸速率滿足激光干涉儀無(wú)線測(cè)控的要求,同時(shí)系統(tǒng)采用奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)的雙重校驗(yàn),大幅降低了無(wú)線通信過(guò)程中的誤碼率。系統(tǒng)采用的閉環(huán)模式也能避免過(guò)量調(diào)整對(duì)激光干涉儀造成損傷。系統(tǒng)測(cè)試表明,采用2.4 GHz的無(wú)線射頻技術(shù),通過(guò)非接觸式的無(wú)線遙控完成激光干涉儀光學(xué)部件的位置調(diào)整是可行的。

考慮到該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用,系統(tǒng)對(duì)干涉儀的精度和穩(wěn)定性的影響有待進(jìn)一步的深入研究。同時(shí)在未來(lái)的發(fā)展方向中,會(huì)考慮將激光干涉儀的控制和CCD采集的數(shù)據(jù)通過(guò)此系統(tǒng)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)測(cè)量和信息處理相分離,達(dá)到激光干涉儀在靜室內(nèi)操作的要求,這種功能在高精密工業(yè)中會(huì)有一定的需求。

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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(hào)TN249;TH744

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-009-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.003

作者簡(jiǎn)介:任少華(1988—),男,碩士研究生。研究方向:激光干涉儀的無(wú)線測(cè)控。

基金項(xiàng)目:國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2013YQ15082902)

收稿日期:2015- 08- 21