Centrum digitální optiky

Transkript

1 Centrum digitální optiky Pracovní balí ek. 2 - Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita Software pro synchronní ízení systém pro p esné polohování optických komponent Interní i.. RC Rok vydání: 2013 Interní identika ní íslo: RC Auto i: Mgr. Radek ƒelechovský, Ph.D., RNDr. Josef Kapitán, Ph.D. Vlastník: Univerzita Palackého v Olomouci, P írodov decká fakulta

2 Spektrometr pro m ení Ramanovy optické aktivity e²ený v rámci projektu je komplexní za ízení obsahující mnoºství prvk pro polohování optických element, p i emº jsou kladeny vysoké nároky na p esnost a rychlost polohování jednotlivých komponent a jejich vzájemnou synchronnost. Zvlá²tní nároky jsou také kladeny na jejich dlouhodobou opakovatelnou p esnost, robustnost k jejich vzájemnému elektromagnetickému ru²ení, kompaktní rozm ry apod. V rámci e²ení projektu byly navrºeny a testovány systémy pro polohování samostatných optických komponent a pro synchronní ízení vázaných komponent v sestav. Pro ú ely ízení polohovacích komponent a testování jejich vlastností byl v prost edí C++ vyvinut p edkládaný program. 1 Hardwarové vybavení Aktuální verze systému není vázána na ºádné konkrétní optické experimentální uspo ádání, hardware a ídící software slouºí k ov ení schopnosti synchronního ízení dvou krokových motor a testování jejich parametr a limit. Pro synchronní rotaci motor s denovaným vzájemným posuvem byl vyvinut komplexní systém vyuºívající dva krokové motory Precistep RDM66200 s optickými závorami. Schema zapojení je uvedeno v p íloze 1. Motory jsou ízeny drivery Technosoft IDS640-8EI, p i emº jejich interní oscilátory jsou sp aºeny p es CAN sb rnici. Pomocí této funkce lze motory synchronn ídít v otev ené smy ce. Jeden z driver je p ímo p ipojen k po íta i p es rozhraní RS232, druhý driver je ízen zprost edkovan p es první driver prost ednictvím CAN sb rnice. Pro nastavení a kontrolu polohy kaºdého z motor jsou k motor m p ichyceny jednoduché sníma e polohy realizované optickými závorami a idnexovacím mechanickým prvkem. Signály z optických závor jsou p ivedeny jednak na vstupy driveru a jednak na vstupy programovatelného procesoru. Jedno ip v obvodu slouºí k nezávislému monitorování chování obou motor a jejich p ípadnému ovládání p es digitální vstupy driveru. Procesor je p ipojen p es USB k po íta i, komunikace probíhá na virtuálním COM portu. Jedno ip je napájen z USB po íta e a kv li elektromagnetickému ru²ení je kompletn galvanicky izolovaný od driver pomocí opto len a opticky izolovaných digitálních vstup driver. 2 Funkcionalita systému Motory jsou ízeny v otev ené smy ce pomocí PWM (pulse width modulation) signál generovaných drivery. Motor má 200 krok na jednu oto ku, p i emº drivery umoº ují pomocí PWM ízení rozd lit jeden krok na 256 mikrokrok. Ovládání jednotlivých motor je zaji²t no pomocí knihovny TLM LIB, p i emº samotná komunikace mezi drivery a po íta em probíhá p es RS232 rozhraní. Skute nou polohu kaºdého motoru od polohy nastavené lze kontrolovat pomocí optické brány, jejíº pulsy jsou p ivedeny jednak na vstup driveru a jednak na vstup programovatelného procesoru. Signál od optické závory p ivád ný do driveru slouºí k nastavení nulové polohy motoru (tzv. homing) a k periodické kontrole p esnosti polohování jednou za oto ku. Signál od optické závory p ivád ný do programovatelného jedno ipu slouºí k p esnému m ení periody kaºdého z motor a k m ení jejich vzájemného fázového posunutí. ƒasové údaje m ené mikroprocesorem jsou p ená²eny p es USB (virtuální seriový port) do po íta e, který slouºí jednak k monitorování stability otá ek motor a jednak lze na jejich základ kompenzovat vzájemnou fázi motor (panel Feedback). 3 Popis programu Dané zapojení spolu s vyvinutou aplikací v prost edí C++ umoºnilo testování systému v r zných konguracích. Uºivatelské rozhraní programu ukazuje obrázek 1. V t²ina funkcí programu je dublována pro samostatné nezávislé ízení jednotlivých motor, synchronní ízení je zaji²t no panely Feedback, M-S synchronized triggered mode a Slave mode. 3.1 Funkce pro samostatné ízení motor Tla ítko Init v panelu Initialization slouºí k inicializaci komunikace s drivery na pat i ném seriovém portu a nastaví obecné parametry systému. Je-li zatrºeno polí ko sync, jsou interní oscilátory jednotlivých

3 Obrázek 1: Uºivatelské rozhraní pro synchronní ízení motor driver sp aºeny p es CAN sb rnici. P íkazy pro nezávislé ízení jednotlivých motor jsou dublovány v panelech AXIS 1 a AXIS 2. Panel Mode of operation umoº uje zvolit typ pohybu pro celou aplikaci. Pomocí panelu Add microsteps lze oto it motorem v i aktuální poloze o daný po et mikrokrok s daným zrychlením, zpomalením, p ípadn zrychlením druhého ádu pro typ pohybu s-curve. Panel Manual control umoº uje rozto it motor na konstantní otá ky nebo pootá et motorem manuáln (motor se za ne otá- et stisknutím tla ítka cw, ccw a zastaví se s jeho uvoln ním). Panel Cycle testing slouºí pro cyklické dlouhodobé testování systému a panel Homing pro nastavení motoru do nulové polohy a ov ení p esnosti polohování. Panel Absolute actual position ukazuje aktuální absolutní polohu motoru a to v mikrokrocích a v celých otá kách a úhlových stupních. V panelu HW control lze nastavit ídící proud motor a v p ípad pot eby resetovat daný driver z poruchového módu (nap. krátkodobé nebo dlouhodobé p etíºení, p ekro ení teploty motory, apod.). 3.2 Funkce pro synchronní ízení motor Synchronn ovládat motor je moºné dv ma módy, které se nastavují pomocí dvou panel. Panel Slave mode vyuºívá funkcí knihovny TML LIB, které umoº ují p imknout pohyb jednoho motoru k druhému s daným pom rem. Jakmile je slave mód aktivován, druhý motor (AXIS 2) kopíruje v²echny pohyby prvního motoru v daném pom ru. Z vývojového hlediska je tato metoda velmi elegantní, ízení driver probíhá automaticky na úrovni rmwaru driver, komunikace mezi drivery je zaji²t na p es CAN sb rnici. Z hlediska aplikace tohoto módu pro ú ely p esného synchronního polohování optických prvk tento systém ízení selhává. Druhý motor se opoº uje za prvním motorem, ímº pádem dochází ke zm nám vzájemné fáze motor. Druhý zp sob synchronizovaného ízení motor je tzv. spou²t cí mód (panel Feedback spolu s panelem M-S synchronized triggered mode), který navíc nabízí dv moºnosti, jak synchronizace dosáhnout. První princip ízení (mód wait for trigger) je zaloºen na tom, ºe druhý motor je spou²t n p esn v okamºiku, kdy je první motor v dané, p esn denované poloze, p i emº zrychlení druhého motoru je spo ítáno tak, aby po dosaºení konstantních otá ek druhého motoru byly oba motory v poºadované pozici a to ily se poºadovanou rychlostí. Aby tato metoda fungovala, musí nutn být druhý motor p ed spu²t ním tohoto módu v dob e denované pozici, jeº se dá nastavit pomocí p íkaz v Homing panelu. Druhý zp sob synchronizovaného ízení spo ívá v tom, ºe motory jsou ihned rozto eny na poºadovanou rychlost bez

4 ohledu na jejich fázi a v pr b hu konstantních otá ek je jeden z motor ízen p ibrzd n/urychlen tak, aby se jejich vzájemný fázový posuv dostal na poºadovanou hodnotu. Frekvence a fáze motor je p esn m ena pomocí jedno ipu a zasílána p es virtuální COM port do po íta e, který spo ítá parametry "brzdného" pohybu a zadá je k vykonání driveru. Celý systém funguje velmi dob e. Po jednorázové kompenzaci sice rozdíl skute né fáze od poºadované není nulový, ale spu²t ním více kompenza ních cykl jde iterativn k nule. Samostatný panel Feedback slouºí jednak k vý²e popsané metod kompenzace vzájemné fáze motor tak íkajíc "za b hu" motor, jednak slouºí k monitorování p esnosti rychlostí jednotlivých motor a jejich vzájemné fázi. Pomocí tla ítka Open se inicializuje komunikace s jedno ipem m ícím jednotlivé asové zna ky. Na jejich základ se po stla ení tla ítka Compesate now spo ítá prol pohybu a zadá se k vykování driveru. Tla ítko Log to file slouºí ke kontinuálnímu sb ru dat do souboru na disku pro následné vyhodnocení stability systému. 3.3 Poznámka k programu v jedno ipu Program pro jedno ip je psán v AVR-GCC v prost edí AVR Studio 4.19, procesor je taktován externím krystalem s frekvencí Hz. M ení frekvencí motor a jejich vzájemného fázového zpoºd ní je realizováno 16-bitovým asova em, p i emº zdroj pro asova je odvozen od systémových hodin d li kou 1x. P esné m ení asových údaj je zaji²t no pomocí vstupního zachycovacího registru asova e (INPUT CAPTURE REGISTER) a podp rné funkce p eru²ení. Tímto zp sobem lze m it doby trvání s rozli²ením jednoho taktu procesoru, tj. v na²em p ípad s p esností cca 900ns. Komunikace s po íta em probíhá p es standardní UART s p enosovou rychlostí bps, k po íta i fyzicky p ipojený p es FTDI p evodník k USB rozhraní.

5 4 P íloha 1 - schema zapojení systému