（光学工程专业论文）基于dsp的数字球径仪系统研制.pdf

摘要数字球径仪是对传统球径仪的革命，本文主要介绍了一种莫尔条纹信号软硬件相结合的细分方法及其装置在数字球径仪的应用。根据曲率半径测量原理，构造了数字球径仪硬件系统，采用数字信号处理器d s p ，并与放大电路、滤波电路、辨向电路、鉴零电路、a d 转换电路、计数系统和显示电路等外部电路相结合，实现了莫尔条纹信号2 0 0 倍频的快速细分，系统分辨力可达5 0 h m 。系统通过差动放大器和滤波电路改善了莫尔条纹原始信号的质量，降低了高次谐波的干扰，采用内置的高速1 0 位a d 转换器提高了模拟数字量的转换精度，减少了系统元器件的数量并提高了系统的稳定性和可靠性，利用数字信号处理器d s p完成软件幅值相位法细分，数据处理时间小于1 2 n s ，有效地缩短了数据处理时间，提高了系统的响应频率。通过软、硬件技术的有机结合，将光栅测量技术应用于曲率半径测量中，给球径仪带来广阔的发展前景。关键词：数字球径仪，d s p ，莫尔条纹，细分a b s t r a c td i g i t a ls p h e r o m e t e ri sar e v o l u t i o nt ot r a d i t i o n a ls p h e r o m e t e r t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sak i n do fm e a n sa b o u ts u b d i v i s i o no fg r a t i n gm o i r ef r i n g ea n di t sd e v i c eu s e do nd i g i t a ls p h e r o m e t e rs y s t e m b a s e do i lp n c i p l eo fs u b d i v i s i o n ，t h i sd e v i c ec o u l dr e a l i z e2 0 0p a r t s u b d i v i s i o n sa n dt h er e s o l u t i o no fs y s t e mr e a c h e dt o5 0 n m ，d e p e n d e do nc o m m o ne f f e c t so fd i f f e r e n t i a la m p l i f i e r , f i l e r , c o m p a r a t o r , t r i g g e r , a n a l o g t o d i 西协lc o n v e r t e ra n dd s p d i f f e r e n t i a la m p l i f i e rc i r c u i ta n df i l e rc i r c u i ti m p r o v et h eq u a l i t yo fo r i g i n a lm o i r ef r i n g e sa n du l t r a f a s tc o m p a r a t o r si m p r o v et h eq u a l i t yo fp u l s e t h es e ta d a p t st h eh i g hs p e e d1 2 b i t sa dw h i c hh a se i g h t - c h a n n e lt r a c k h o l dc i r c u i t s ，s ot h ep a r t so ft h ea p p a r a t u sa r er e d u c e da n dt h es y s t e ms t a b i l i t yi si m p r o v e d t h ed s pc o m p l e t e ss o f t w a r e - s u b d i v i s i o no fg r a t i n gm o i r ef r i n g e s ，t h ed a t ap r o c e s st i m ei sl e s s1 2 n sa n dr e s p o n d i n g - f r e q u e n c yo ft h es y s t e mi si m p r o v e d t h es y s t e ma c q u i r e sa dv a l u eo fs h i f t p o i n tb ym e a n so fc o m b i n e de f f e c to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，w h i c hi si n n o v a t i o n a lc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n s c o m b i n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ea p p l i c a t i o no fs u b d i v i s i o nt od i g i t a ls p h e r o m e t e rw i l lb ed e v e l o p e dt o w a r dt h en i c ep r o s p e c t k e y w o r d ：d i g i t a ls p h e r o m e t e r , d s rm o i r ef r i n g e s ，s u b d i v i s i o n声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：缮吐窟乏7矿舞步旯笳学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：缮21 匿钟多月编硕十论文摹于d s p 的投宁球径仪系统研制绪论1 课题的研究背景在光学生产的加工制造过程中，大量存在着需要对具有球面形状的透镜( 如显微镜镜片、望远镜镜片、眼镜镜片等) 的曲率半径进行测量的情况“1 。可能遇到的透镜球面曲率半径的数值几乎是任意的，可以大到平面，可以小到几毫米。球面可以是凸的，也可以是凹的。现在还没有一种测量曲率半径的方法能在这样广的范围内保证测量的精度郡符合要求。一般都是根据被测球面曲率半径的大小选用适当的测量方法嘲。为了测量曲率球径，可以使用非接触式的测量方法，如激光干涉。“町或自准直，而考虑更为经济的解决方案，或是为了测试未经抛光的球体时，接触式的测量方法更为可行鲫。通常，对透镜制造用的模具所采用的测量工具是金属半径样板或简易型球径测微器。光学半径样板则用于透镜的测量。在实际生产中普遍使用的金属半径样板，由于其本身构造的原因，与球面模具接触如发现缝隙时，只能凭经验估计偏差值，因而人为测量误差大嘲。简易型球径测微器亦常用于测量球面模具，但精度较低，且不能直接读出曲率半径。常用于测量球面透镜的光学半径样板，则需依赖于在环形球径仪上测定后方可使用。环形球径仪由于其本身测环半径较小”1 ，但其一般测量范围较大，故当其侧杆位移产生微小误差时所引起的曲率半径误差更大，并需测出球面矢高值后代入理论球径公式经换算求出曲率半径，此外与简易型球径测微器一样，因其工作原理所致而不具有直接示出曲率半径值的读数功能，使用上很不方便为此，本文拟研制一种数字直显式球径仪。目前国内的数字化球径仪大多基于单片机技术嘲，只是对传统球径仪的简单改进，无论是在自动化程度，还是测量的精度上都有很大的局限性，很难满足光学加工生产过程中快速检测的需求o ”。国外比较成熟和先进的数字化球径仪是德国m o l l e r - w e d e lo p t i c a lg m b h 公司生产的接触式球径仪s p h e r o m a t i ch ，其显示精度可以达到0 1 啪，球径的测量范围达到+ 3 2m 1 3 至无限和6f l i r t 3 至无限，重复性精度达0 0 0 1 ，带有8 个三点支撑的校准环，球环直径8 ，1 5 ，2 5 ，3 5 ，5 0 ，6 5 ，8 0 ，1 2 0 m m ，并且为球径仪开发了配套的软件包，可以对测量数据进行各种数学处理。可以预见，智能化、小型化、高精度、宽范围将是球径仪的发展趋势“”。2 本论文的主要研究工作1 9 5 3 年，英国f e r r a n t i 公司的爱丁堡实验室建立了第一个利用莫尔条纹( m o i r $f r i n g e ) 系统测量位移的工作样机，并取得了专利“”。从此，陆续出现了许多种利用莫尔条纹来实现精密测量位移的方法“1 ，其中主要以各种光栅精密位移测量系统为主o ”“”“”。基于此，才有了把光栅位移测量运用到球径仪中的想法，论文主要对硕士论文摹于d s p 的数字球径仪系统研制数字球径仪系统进行整体软硬件构建，同时对光栅信号进行处理，解决下面几个问题：( 1 ) 系统构建，对数字球径仪进行系统级设计，对系统各部分提出关键的理论参数，实现测量套环、光栅探杆、处理电路及显示的衔接。( 2 ) 硬件电路设计，主要实现测量光栅信号处理及结果输出。实际输出的光栅莫尔信号包有各种干扰信号，包括直流电平漂移、莫尔信号的高频成分、光电转换元件性能的波动和随机干扰信号，因此要设计一个带通滤波器滤除低频的直流电平漂移和高频噪声，同时极大的降低白噪声，提高莫尔信号的质量”8 1 【1 9 1 。两路正交的条纹信号经过零触发器整形变为矩形波，以正弦波整形信号的上跳沿作为计数触发信号，可逆计数器根据该上跳沿所对应的余弦波整形信号的电平来决定移动方向，实现准确无误的大数计数。a d 转换电路保证了高倍数的条纹细分，显示部分则实现了系统的实时结果输出。( 3 ) 系统软件编制，具体实现莫尔条纹的高倍数细分。采用软硬件相结合的幅值相位细分法，通过查表和插值相结合减少了存贮查表数据所需的存贮单元，提高了细分速度和精度。主要通过四个中断程序实现系统的数据采集、信号处理和实时显示。( 4 ) 换向点查找。采用软硬件相结合的换向关键点查找方法，与传统换向点方法有很大的不同。( 5 ) 系统误差与精度分析。在对球径仪鉴定规程分析的基础上，对系统各部分进行误差分析，并计算了系统的精度。2硕士论文基于d s p 的数宁球径仪系统酽制1 球面曲率半径测量方法介绍球面器件的曲率半径测量，可以根据元件表面情况和测量精度的要求，采用不同的测量方法，现将目i i 较为常用的几种方法简单介绍。1 、1 球面曲率半径各种测量方法简介1 1 1 环形球径仪测量球面曲率半径啪1环形球径仪测量曲率半径的基本原理是：测量球面的一部分对应的矢高，利用已知的弦半径与测量所得的对应矢高值计算被测球面曲率半径。图1 1 是其测量原理图，c a d 是被测球面的一部分，0 点是球心，即是弦半径r ，a b = h 是矢高，则被测球面曲率半径可按下式计算：即r ：一r 2 + 一h( 1 1 )2 h2式中：r 一被测球面半径，单位为m m ；r 一球面一部分的弦半径( 是已知量) ，单位为m m ；h 一弦半径r 所对应的矢高，是带测量，单位为m m ；图1 2 是环形球径仪的构造示意图，图中1 一被测球面，2 一测量环，3 一测量环座，5 一测量杆，6 - - 玻璃分度尺，7 一空气阻尼器，8 - - 带测微目镜的读数显微镜，9 一侧帽。它主要是由测量环、测量杆、玻璃分度尺和读数显微镜所组成。空气阻尼器给测量杆一个向上的力，使它缓慢上升到测帽，并以一定的测量力始终与被测球面相接触。tr7图1 1 环形球径仪测量原理图图l 。2 环形球径仪的构造示意图用环形球径仪测量曲率半径的方法如图l - 3 所示，将平面平晶和被测球面依次放在测量环上，从读数显微镜可分别得到两读数，其差值就是待测量矢高h 。显然，礤士论文基于d s p 的数字球径仪系统研制测量凸球面时用测量环的内径2 r ；而测量凹球面时用测量环的外径2 r 井。其中测量环的内径2 r 和2 r ， 都是己加值，将测量得到的矢高h 、测量环的内径2 r 或外径2 r * 值代入式( 1 - 1 - 1 - 1 ) 即可计算得到被测球向曲率半径r 。i )”图1 3 环形球径仪测量曲率半径示意图为了减小测量环锋利边缘与被测球面接触而磨损的影响，有的球径仪配备了带有三个小钢球的测量环，如图1 4 所示。此时可以用下式计算被测球面曲率半径r ，即：r ：要+ 导千p( 1 2 )2 h2图1 4 带小钢球测量环的球径仪测量示意图式中：r 一被测球面半径，单位为哪：r 带小球测量环的半径，单位为n r l l ；h 一测量得到的矢高，单位为咖：p - d , 钢球的半径，单位为i l u l l ：4硕士论丈基于d s p 的数字球径仪系统酽制测量凸球面时使用公式中的负号；测量凹球面时使用公式中的正号。由于标准样板制作时都是成对加工的，且凹凸样板的曲率半径准确相等，所以常常采用图1 5 所示的测量方法，这样可以避免使用平品带来的测量误差。图1 5 标准样板成对铡量示意图这时，标准样板的曲率半径可用下式表示，即：r ：豆+ 旦( 1 3 )h4= r + 嗣p 2 r( 1 4 )针+ 砸c 刁n “式中：h - 球径仪上成对测量得到的矢高，单位为咖；p - 4 , 钢球的半径，单位为m 叫r - ；j l ：j 量环的半径，单位为m i l l ：r o - 中间量，单位为m i l l 。它可以先用被测标准样板的名义值由式1 4 计算出，然后以此r o 用式1 3 计算r 。必要时可由此r 再计算出r o ，然后再计算出r 这样迭代卜2 次，即可得到足够准确的曲率半径r 测量值。1 1 2 自准直显微镜测量球面曲率半径啪m “图1 5 是用自准直显微镜测量球面曲率半径的测量原理图，其中s 是显微镜的工作距离。被测零件和自准直显微镜设置在轴向位置可以相对调节的工作台上，由精密测长机构可以读出两者之间的相对位置。首先调节到使由显微物镜射出的会聚光束交点正好与被测球面的球心重合，如图1 6 a 所示，此时光线按原路返回，在自准直显微镜中可清晰地看到分划板的自准直像，记下该位置读数。改变被测件与自准直显微镜的相对位黄，直到会聚光束交点正好位于被测球表面顶点，如图1 6 b 所示，此时，在自准直显微镜中可再次清晰地看到自准直像记下该位置读数，显然，两次读数的差值就等于被测球面的硕士论文基于d s p 的数宁球径仪系统研制曲率半径。一b )图1 6 自准直显微镜测量曲率半径原理图a ) 与棱测球面的球心重合b ) 位于被铡球表面定点这种方法主要是由显微镜对被测球面的曲率小心和表面作两次调焦来进行测量的。为了能快速地对曲率中心调焦，可在显微镜物镜上套一接像屏，如图1 7 所示。接像屏是一个中央有个小孔的白色屏，并使小孔约位于显微镜工作距离上。调节时，当调焦到被测球面曲率小心附近，则在白色屏上见到自准直显微镜分划扳的自准直像使该像调节到清晰，然后倾斜调节被测球面到与小孔对准。取走接像屏，在自准直显微镜中就可见到自准直像，最后再进行精确调焦。图l 7 自准直显微镜对准球心的快速调焦该方法的测量准确度主要取决于测长机构的精度和人眼通道显微镜的调焦误差。测量标准偏差为2 5 i i m 左右。测量凹球面的测量范围由测长机构的测量范围决定；测量凸球面的测量范围由显微镜的工作距离决定1 1 3 自准直望远镜测量球面曲率半径”制图1 8 是用自准直望远镜测量球面曲率半径的测量原理图。自准直目镜可以沿物镜的光轴方向前后调节，移动量可在镜筒侧面附加的标尺上读出，被测球面放置硕士论文摹于d s p 的数宁球径仪系统研制在自准直望远镜的物镜前面。假设自准直目镜移动到使它的分划板离开物镜焦点f 的距离为x ，如图1 8 的下图所示，此时由物镜射出的光束交点正好与被测球面的曲率中心相重合，于是光束经球面反射后按原路返回，在自准直望远镜内可见到清晰的分划板自准直像。被测球面的曲率半径r 按下式计算，即r ：d 一盘! 盘：型( 1 5 )工式中：r 一被测球面半径，单价为m m ；d 一被测球面到物镜的距离，单位为m i l l ：f t 一自准直望远镜的物镜焦距，单位为哪：x 一当清晰且无视差地看到自准直像时分划板的离焦量，单位为唧。图1 8 自准直望远镜测量曲率半径原理示意图测量时，首先在自准直超远镜前设置一平面反射镜，如图1 8 的上图所示；调节自准直目镜，直到清晰且无视差地看到自准直像，此时分划板已准确位于物镜焦点f 处，从标尺上读得一读数；然后取走平面反射镜，放置被测球面，再次调节到清晰量无视差地看到自准直项又读的一示数。两读数之差值即为离焦量x 。注意到测量凹球面对，自准真目镜向靠近物镜方向调节，x 取负值：测量凸球面时，自准直目镜向远离物镜方向调节。x 取正值。这种方法的测量准确度取决于平面反射镜的面形偏差和人眼通过望远镜的调焦误差两部分。采用长焦距大倍率自准直望远镜，有利于保证较高的测量准确度。该方法通常用于测量几十米以上的长曲率半径，这时测量公式可用下列近似式，即r ：笠( 1 6 )工顽十论文基于o s p 的数字球径仪系统研制1 1 4 刀口阴影法测量球面曲率半径啪“2 2 胪1对于曲率半径较长的大口径凹球面常常用自准直刀口仪测量。图1 9 是其测量原理图，自准直刀口仪调置在被测球面曲率中心处，当光源s 的自准直像正好位于刀口处时，人眼可观察到随着刀口切割光束，被测球面上一瞬间全部变暗的阴影图。其他位置上都能看到一部分亮而另一部分暗的阴影图。据此能准确地确定被测还需而曲率中心的所在位置。曲率半径r 可用下式计算，即r ：l + 堕( 1 7 )4 l式中：d 被测球面的口径，单位为衄；6 一自准直刀口仪的光源小孔到刀口边缘的距离，单位为哪：卜刀口边缘到被测球面的边缘之间的距离，单位为哪。图1 9 阴影法测量曲率半径原理图阴影法的测量准确度主要取决于距离量l 的测量准确度。用钢尺测量时的标准偏差不难达到0 5 m m 。在这种情况下，测量曲率半径大于1m 时的球面，刀口阴影法的测量准确度要比用环形球径仪更高些。1 1 5 干涉法测量球面曲率半径汹“2 叮当被测球面几乎接近平面时，可以用一块标淮平面样板放在它上面，根据在平行单色光下产生的等厚干涉条纹( 即所谓牛顿环) 的数目计算出曲率半径。图1 1 0是其测量原理图，出于在标准平面和被测球面之间存在很小的空气间隙，所以从该两表面将反射回两束相干光，并形成定位在空气隙之间的干涉条纹。干涉条纹的数目与空气隙厚度的变化有关，也就是与被测球面的曲率半径有关，如图1 1 0 a 所示，计算公式为：r ：三+ 擘：姜+ 里( 1 8 )2 h 。2n 力48硕士论文基于d s p 的数字球径仪系统研制式中：r - 某一干涉圆环的半径，单位为m m ；h i - 某一干涉圆环位置对应的空气隙厚，单位为l l l l n ：n _ 中心到该干涉圆环之间所包含的干涉条纹数目； 一所用光源的单色光波长，单位为嘞。式( 1 8 ) 的后项总是要比前项小得多，一般情况下可以忽略，即可用下式计算曲率半径：r ：兰( 1 9 )n 兄考虑到标准平面样板和被测球面在中心位置处的接触变形，中心部位的干涉条纹会发生一定的变化，为了保证测量准确度，可以利用其他两个不同位置的干涉圆环，来测量和求出被测球面的曲率半径，如图1 1 0 所示，曲率半径r 用下式计算：r - - 州 - - 2 - 以- - ( d 2 一d ；)( ll o )式中：d ，、d r 分别为选定的两个位置处干涉圆环的直径，单位为i m ；n 一所选定的两个位置之间所包含的干涉条纹数目； 一所用光源的单色光波长，单位为唧。利用测量显微镜或者小型工具显微镜，附加一些零部件很容易构成实用的测量装置，如图1 1 1 所示。利用分束镜把来自准直物镜的单色光反射射向标准板和被测球面；对准显微镜用来观察和对准干涉条纹；工作台带动被测零件移动，并提供所在位置的读数。该方法的测量误差主要来自标准样板的平面误差和测长机构的误差，对于曲率半径为数十米的球面，相对测量标准偏差约为0 1 0 5 。牛顿环测量曲率半径是一种接触法测量，在平面干涉仪或者泰曼干涉仪上，可实现类似的非接触法测量。测量原理和计算公式是一样的。图1 1 0 牛顿环测量原理图1 1 1 干涉法测量装置示意图9顿十论文基于d s p 的数字球径仪系统研制1 2 球面曲率半径测量方法的比较与选择球面曲率半径的各种测量方法，适用于不同的被测表面，测量范围各不相同，各有优缺点。表1 1球面曲率半径测量方法的比较与选择测量仪器测量范围测量误差优点缺点千分表或 3 5 r i mr 1 m测量准确度高，被测接触法测量，易损面不要抛光，适用通伤表面比较仪用量具环形球径凸面：5 - 1 2 0 0 n3 7 5 m r 5 5 0 测量准确度高，被测接触法测量，易损r r 0 0 3 面不要抛光，操作简伤表面：要求仪器仪凹面：8 - 1 2 0 0 mr 5 5 0 m器r r 0 0 6 自准直显凸面：2 - 2 5 sr = 0 0 0 2 5 m测量准确度高，非接被测球面需抛光，触法测量，能测较小测量需仔细调节微镜凹面：2 - 1 0 0 0 r a m曲率半径的球面自准直望1 0 一1 0 4 mr r 非接触法测量，能测被测球面需抛光，( 0 2 9 6 一1 0 0 9 6 )大曲率半径，以期通测量准确度低远镜用自准刀口1 1 0 ma r r 0 0 5 非接触测量，能同时被测球面必须抛检验面形误差，测量光，只能侧凹球面，仪准确度较高测量房间要求稍暗，且振动要小干涉仪1 0 1 0 r r 4能同时检验表面面被测球面必须抛( o 1 一0 5 )形局部误差，非接触光，需要有较好质测量，可适用通用干量的标准平面样涉仪板只能测量特别长的曲率半径1 3 本章小结本章重点介绍了目前较为常用的几种曲率半径的测量方法，在实际工作中，可以根据不同测量要求和环境而选用不同的测量方法。环形球径仪在曲率半径接触法测量中有比较的优势，可以同时测量凹凸球面，测量范围比较大而误差相对较小，同时测量球面还不要抛光。但是，环形球径仪还停留在手工操作阶段，面对光学车间大批量生产的光学元件，在智能化、实时性方面尚需结合当今高速发展的电子技术获得革命性突破。可以预见，智能化、小型化、高精度、宽范围的数字球径仪将是环形球径仪的发展趋势。l o硕十论文基于d s p 的数字球径仪系统研制2 数字球径仪系统原理与实现方案根据曲率半径的测量原理，数字球径仪系统的关键就是用计量光概实现对矢高h 的测量系统主要有前端接触测量部分、信号处理部分和结果显示输出部分组成，各部分有数字信号处理芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 统一控制。2 1 数字球径仪系统测量原理2 1 1 测量原理曲率半径的测量可以通过测量球面的一部分所对应的矢高h 和相应的弦半径r 然后计算出曲率半径r - - r 2 2 h + h 2 。弦半径r 通常是己知的，因而球面曲率半径的测量关键就是矢高h 的测量，亦郎归结为位移的测量。论文采用计量光栅实现对矢高h 的测量。计量光栅是一种利用光栅莫尔条纹现象进行位移测量的传感器，通过光栅的相对移动，将直线位移量转化为莫尔条纹信号，该信号经过光电转换后变为周期性变化的电信号( 正弦波) ，以t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心的电路实现对此电信号放大、滤波、整形、辨向，从而完成大的整脉冲计数，对尚构不成一个完整的莫尔条纹周期进行d s p 高精度细分，然后由计数值和细分值共同得到精确的位移量，再按照公式( 1 1 ) ，在d s p 芯片内部进行快速运算得到曲率半径数值，最后在外部数显电路中实时显示。2 1 2 莫尔条纹产生原理及特点莫尔( m o i r e ) 是法语，意思是在水面产生的波纹，两块光栅迭合时，也产生类似花样，故由此得名。图2 1 ( a ) 所示即为一个黑白型光栅的一部分，光栅上平行等距的刻线称为栅线，其中透光的缝宽为b ，不透光的缝宽为a ，一般情况下，透光的缝宽等于不透光的缝宽，即a = b ，图中d = a + b 为光栅栅距( 亦称光栅常数或光栅节距) 。把两块黑白型光栅刻线面对面迭合，并使两块光栅的栅线形成很小的夹角e ，这时，在与线垂直的方向上就出现明暗相间的条纹啮1 。如图2 1 ( b ) 所示，i 为暗条纹，i i 为亮条纹，这种条纹被称为莫尔条纹。两条亮条纹( 或两条暗条纹) 之日j 的距离称为莫尔条纹间距，图2 1 ( b ) 中表示为w 。根据以上分析，可以看出莫尔条纹都具有以下特征啪1 ：( 1 ) 数量上的对应关系：最简单的情形是l ：l 的对应的关系，即两块光栅相对移动过一个栅距时，莫尔条纹恰恰移动了一个条纹自j 距。( 2 ) 有方向上的对应关系：两光栅的相对移动方向和条纹的移动方向是完全对应的。( 3 ) 位移放大作用：在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度w 和光栅栅距d ，栅线夹角e 之间有下列近似关系：w d - i 0( 2 1 )硕十论文摹于d s p 的数字球径仪系统研制当0 很小时，w 与d 之比很大。所以莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用。( 4 ) 误差平均效果：莫尔条纹是由两块光栅的大量栅线共同形成的宏观效果，通常包括几百条栅线，因此对栅线的某些误差( 主要是偶然误差和小周期误差) 有平均作用，能在很大程度上减小这些误差的影响。( 。蒜白光摄示意图( b ) 莫尔条纹示意凰图2 1 光栅与莫尔条纹光强度是衡量点光源发光能力大小的参数，现在我们把光栅平面，看作一个朝给定方向发的面光源，这个光源又是由无数个点光源组成，如图2 2 所示：艄艄脚黼- i 黼脚脚f嘲目螭| f | l i 嬲艄自镧栅燃ikl c pi m 柚i旷|i a人1 1i x 1 aiili图2 2 荚尔条纹光强沿y 方向分布所谓莫尔条纹的光强度分布，就是指沿着与莫尔条纹垂直的方向y 来看，点光源的发光变化的规律。假设光强度沿y 方向的分布是符合正弦变化规律的，w 表示莫尔条纹间距，i 。表示最大光强，i 。表示最小光强，i 。，表示平均光强，i 。表示光强变化的幅值，则光强分布函数i ( y7 ) 可以表示为：硕士论文基于d s p 的数字球径仪系统研制妙) - - w + l a c 。s ( ：万芳) = ，+ i i ac o s ( 幼芳 亿z ，为了讨论方便，令i 印：1 ，这时上式变成了妙) 卅l c o s ( 2 万芳亿s ，这表明光强是一个周期函数，我们可以利用光强的周期变化规律检测出莫尔条纹的运动规律。为了提高光栅分辨率，我们需要对计量光栅输出的光电信号进行细分处理，因此光电信号的波形就是极其重要的指标，我们所采用的幅值相位细分方法要求输出的光电信号为较理想的正弦形状，特别是细分数较大时，对波形的要求更严，因此消除光电信号谐波成分是至关重要的。一般的理论分析和试验都证明，选择幅值光栅的“黑一白”比是消除谐波的一种有效方法。我们消除光电信号谐波的另一种方法为对光源宽度的调节，缝宽为无限小的线光源产生的条纹亮度分布函数可用下式表示：b 口= 1 + b l c o s 2 冗p + b 2 c o s 4 z z ：p + + b o c o s 2 n 死p( 2 4 )式中p = l d ：d 为条纹间距：1 为所论点离某选定点距离：n 为谐波级次：b p 所论点的亮度：b n n 次谐波的幅值系数。设p 为积分区间，则光电信号正比于亮度函数的积分值为：r 叩= 印+ 扑。唑掣 c o s 嘶+ n 砷)像s ，设其中一般项的幅值为，该项由两部分构成，第一项b 。为原始条纹中1 3 级谐波的幅值；第二项是一个小于1 的系数，称为n 次谐波的幅值降低系数，以v 。来表示： f ，。= 判n # a p( 2 6 )幅值降低系数v 。与n ap 的关系见图2 3 所示：可以看出在乘积n p 为整数1 、2 、3 时，该级谐波被消除了，具有一定宽度的缝光源可以看作是由无硕土= 论文摹于d s p 的数字球径仪系统研制限小的线光源所组成的，产生各自本身的条纹系统。用增宽光源的方法可使子条纹错移的范围加大，使合成条纹逐渐模糊。图2 3 幅值降低系数v 。与n ap 的关系如果缝光源的角宽度为s ，s = x f ，其中x 为光源宽度，f 为准直透镜的焦距。这时若气隙为t ，由于入射光的分散，在光栅g l 上的一点到达g 2 的表面的宽度为成s t 。在s t = d 时子条纹的积分区间为2 的相位，基波消失：在s t - - = w n 时n 级谐波消失，故积分区间可以写成p = s t d ，则：rs t 、= 掣( 2 7 )n 万一d从中可以看出，可以用加宽光源的方法有效降低谐波幅值，实际调节中，最简单的就是转动光源使之不再与光栅栅线相平行，这时的等效宽度为光源的实际宽度加上它的长度乘转角。实际上我们可以通过观察示波器波形的方法来获取理想效果。2 2 系统的总体方案系统总体框图如2 4 所示，通过查表与插值相结合，对光栅进行高精度细分，完成矢高h 的高精度测量，从而实现曲率半径的测量。系统l令一加转换bd s p2r 。1处显-3 k一兰兰兰鲨卜_ +理_ -不 0 s 网器4一图2 4 系统总体框图1 4硕士论文基于d s p 的数字球径仪系统研制采用硬件对从光栅尺引出并进行了前期处理的光栅莫尔条纹进行而细分和辨向、采用高速并行a d 转换器进行数据采样、用数字信号处理器进行插值算法，实现高速、实时、高精度测量。2 3 本章小结本章对数字球径仪系统得测量原理和总体实现方案进行了概述，其中数字信号处理器( 即t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片) 的应用是核心。它的应用使得整个系统在速度和精度上得到了极大的提高，同时由于数字信号处理芯片所特有的硬件乘法器等结构，为插值算法和数据的进一步分析和处理都得到完善。硕士论文基于d s p 的敬字球径仪系统研制3 基于d s p 的数字球径仪系统硬件研制数字球径仪的硬件构建是整个系统设计的很重要环，它确定了系统的体积大小，系统的大部分功能都将在这一部分实现或与这一部分有很大的关联。3 1 硬件设计总体介绍根据硬件设计的要求，本文构建如下所示的系统硬件框图。覆马墼h 竺卜萨h t o翼耋i n t l杆器聋乎e 卜厂t m s 3 2 0u ：2 研m图3 1 系统硬件框图如图3 1 所示，与球径仪测量探杆结合在一起的光栅传感器输出四路相位相差9 0 。的光电信号u 。、u ：、u 。、u ，其中u 。和u ，组合经过差动放大器后变成一路输出信号，u ：和u 搏l 合后变成了另外一路输出信号，这两路信号在相位上相差9 0 。，经过滤波之后，送a d 转换器后，变成数字量送入d s p 中，与此同时，滤波之后的这两路信号还进行整形，变成两路相位相差9 0 。的方波分别送入触发电路、辨向电路、辅助控制电路中进行处理，最后送入d s p 中。按键实现系统的控制，最终结果将在显示部分直接显现。本章将对各部分电路分别进行详细介绍。3 2d s p 最小系统矧要实现对光栅莫尔条纹的2 0 0 倍频软件细分以及将处理后的信息及时传输出去，这对控制器的速度和运算能力要求较高，因此，我们采用了d s p 作为控制器。d s p 芯片也称数字信号处理器，是一种具特殊结构的微处理器，d s p 芯片的内部采用程序和数字分开的哈佛总线结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用于快速地实现各种算法及相关的控制，d s p 系统具有如下的主要特点”1 ：( 1 ) 接口方便：d s p 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多：( 2 ) 编程方便：d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级：( 3 ) 稳定性好：d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高：1 6硕t 论文基于d s p 的数字球径仪系统研制( 4 ) 精度高：1 6 位数字系统可以达到很好的精度；( 5 ) 可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产：( 6 ) 集成方便：d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成：( 7 ) 通信功能强：d s p 般具有d m a 、串行并行以及多c p u 之间的通讯方式；( 8 ) 低功耗设计：d s p 可以工作在省电状态，节省能源。3 2 1d s p 系统的设计过程”图3 2 是d s p 系统设计的一般过程。在设计d s p 系统之一前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标。接下来就可以设计实时i ) s p 系统，实时d s p 系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的d s p 芯片，然后设计d s p 芯片外围电路及其他电路1 。图3 2 d s p 设计流程软件设计主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应d s p 汇编程序，对于t i 的d s p 的软件开发步骤如下“：( 1 ) 编写c 语言原程序 c 文件或编写汇编语言原程序 a s m 文件：1 7硕一 论文摹于d s p 的数字球径仪系统研制( 2 ) c 语言原程序女c 编译成汇编语言木a s m ， a s m 文件可以输出为幸o b j 文件：( 3 ) 编写配置d s p 存储器资源的公共目标 c m d 文件：( 4 ) 连接木o b j 文件和木c i t e ) 文件生成木o u t 文件，此时可通过仿真器将o u t文件加载到目标板调试：( 5 ) 利用h e x 5 0 0 应用程序将$ o u t 文件转化成i n t e l 的h e x 或其它格式的文件，用芯片烧写器将此文件写入d s p 的外接r o m 中，此时脱离仿真器调试。d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等，调试d s p 程序时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输出应一致，硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试。系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然，d s p 系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致。3 2 21 1 俗3 2 0 l f 2 4 0 7 嘲删根据诸多因素的综合考虑，本论文选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 定点d s p 芯片。它具有低成本、低功耗、高性能的处理能力。它将几种外设集成到芯片内，形成了真正的单芯儿控制器，具有运算速度在3 0 】i l p i s 以上、外设集成度高、程序存储量大( 片内f l a s h ) 、a d c 模块的转换速度快等特点。同时，该类芯片具有强大的外部通信接口( s c i 、s p i ，c a n ) ，便于构成大的控制系统。在t m s 3 2 0 系列的基础之上，不同于其它d s p 控制器，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 还具有如下功能特性汹：( 1 ) 低于3 3 v 低电压供电，采用高性能静态c m o s 技术，大大减小芯片的功耗：( 2 ) 在典型3 0 m h z 的运行频率下，具有3 0 m i p s 的运行速度，从而有效地提高了控制器的实时运算能力；( 3 ) 除了1 5 k 字的程序数据r a m 、5 4 4 字的d a r a m 和2 k 字的s a r a m 以外，片内具有高达3 2 k 字的f l a s h ，从而在构成一般的控制系统时，无需在片外扩展程序和数据存储器，不但可以大大减小系统的体积，而且还可以提高系统的可靠性；( 4 ) 两个事件管理器e v a 和e v b ，每个均包含两个1 6 位的通用定时器，8 个1 6位的脉宽调制通道，可编程的死区控制器；( 5 ) 光电码盘接口电路：( 6 ) 1 6 通道的a d c ；( 7 ) 看门狗电路：，硕士论文摹于d s p 的数字球径仪系统研制( 8 ) 异步串行通信接口( s c i ) 模块；( 9 ) 同步串行外设接口( s p i ) 模块；( 1 0 ) 局域网( c a n ) 模块控制器。引脚及功能。”t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的p g e 封装如图3 3 所示，1 4 4 个引脚可分成七个部分，即事件管理器、模数转换器、c a n 模块串口通信和串行外设接口、外部中断与时钟、仿真与测试、地址数据与存储器控制信号、电源电压，各部分功能如图3 4 所示，下面作简要介绍；图3 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的p g e 封装( 1 ) 事件管理器：有两个e v a 和e v b ，在功能和寄存器映射位定义方面是完全一致的。主要实有通用定时器、比较单元、捕获单元和正交编码电路组成。( 2 ) 模数转换器：1 6 路1 0 位模数转换，内置采样与保持电路。( 3 ) c a n 模块串口通信和串行外设接口：c a n 接收发送数据，s c i 异步串行口发送接收数据，s p i 从动输入输出和主控输入输出。( 4 ) 外部中断与时钟：两个外部用户中断t 1 和t 2 ，晶振设置，锁相环和flash 。1 9( 5 ) 仿真与测试：j t a g 接口个引脚。( 6 ) 地址数据与存储器控制信号：1 6 位地址a 0 - a 1 5 ，1 6 位数据d o d 1 5 ，控制信号为d s 数据空间选通，i s i 0 空间选通，p s 程序空间选通，r w 读写选通，r d读使能，w e 写使能。( 7 ) 电源电压：内核及i o 缓冲电压都是3 3 v 。图3 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的功能结构框图中央处理器c p u 主要包括下列一些器件：一个3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) ，一个3 2 位的累加器( a c c ) ，c a l u 的输入数据定标移位器及输出数据定标移位器，一个1 6位1 6 位的乘法器，个乘积定标移位器。数据地址发生逻辑，程序地址发生逻辑，两个1 6 位的状态寄存器s t 0 、s t l 。c p u 的输入定标器、中央算术逻辑单元和乘法硕士论文摹于d s p 的数字球径仪系统研制单元的结构功能框图如图3 5 所示。数据q 总线( d w e b 致姑诶息纯 d r d b i、1程序读总线 p r d bj、1 、扣6 ，拍-1 6 一一、 1 6主6 ： 6i 一一i 一菘鼢lli 输入定标i l liii部分il塑芝兰l 。r r e g竺! ! 兰 1 6l 秉法器干1 63 i1 61 50ji ( 1 6 x 1 6 输入移化黼( 3 2 位) 1f 乘狈寄存器。- 一p k f g ( ：1 2 f i t ；- 3 2t 3 2l 乘引移位器( 3 2 佗)132,16一t、中央再术逻辅酗分、竺! 苎h ：拼l r 3 2耐一幸措吲彳3 21 6 1 输山移 茳器( 3 2 化)1图3 5c p u 的结构功能框图存储器卅t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有6 4 k b 的程序存储器、6 4 k b 的数据存储器以及6 4 k b 的i o 寻址空自】。用户在开发d s p 控制器系统时，对芯片存储器的映射图的清醒认识是必不可少的。原因在于芯片的内部，已经对这部分存储器空间进行了分配，各个部分均有指定的应用条件。图3 6 所示为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的程序存储器的映射图。其中，闪存( f l s a s h ) 是按照扇区划分的。在程序的分配和固化时也是按照扇区进行的，这一点一定要注意。程序存储器中的f l a s h 空日j 的使用还要注意另外一点，即它有内部和外部两种工作方式，它是受m p c p 的状态控制的：当d s p 芯片的外部引脚m p m c = o 时，使用片内程序存储器，此工作方式又称为微计算机模式，在此工作模式下，程序指针自2 1! 型垄翌l 一董王! ! ! 竺墼兰堡丝堡墨竺竺型动在片内程序存储器( f l a s h 扇区) 中执行指令，片内程序存储器的访问速度要比访问片外程序存储器的速度高，且功耗要小；当i i p m c = i 时，系统使用外部程序存储器，这种工作方式又称为微处理器模式，使用片外程序存储器的优点是可以访问更大的程序空间( 6 4 k 字) 。另外，如果所配置的片外程序存储器的速度比较低时，考虑到两者之间的时序匹配问题，必须插入等待状态以匹配两者的速度。一般有两种方法实现等待：其一是利用d s p 芯片内部的等持状态发生器在访问周期中自动插入一个等待状态：其二是利用外部电路产生等待逻辑并将其连接到d s p 的r e d a y 引脚上，利用r e d a y 信号的高低来产生一个以上的等持状态。l d3 胁4 o鲫7 0 0 07 f 珊s o凡 跻一匿o ( 4 陴j中断向量衰( 孙他)系统僵留空阃( 帕一_ 3 h )用户代码起靖( 0 0 4 , 4 h )片内s a r a m ( 2 k - 字- )内嚣( p c 枷1 ) 或扑謦( p o n - 0 )冉f i r j r , w 相系统僳置( o k 商, - z )或井鄙( c 醉o )片a d ，l m ( b o 央) ( a i f = 蛾外每o ，图3 6t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的程序存储器的映射图专用鲁存l 但葺匡慑i 苣t片冉蹦m 勘帅i a 删) 囊船r t f 嗍，s 删( j 莘)自* ( 砷州)井年( d o h )事崩mr 艟月存蕾幂硅菇膏春器畦射 d c 、哪，螂、瓠c 堪，岫u a 十竹li 蕾r 腿t图3 7t m s 3 2 0 l b 2 4 0 7 的数据存储器的映射图图3 7 所示为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的数据存储器的映射图。如图所示，其中0 0 0 0 一0 0 5