（机械制造及其自动化专业论文）基于usb接口的光栅信号处理系统研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文简要介绍了光栅位置检测系统在国内外的发展动态以及光栅 测距的基本原理，分析了通用串行总线( u s b ) 的特点与优势，将u s b 总线和光栅测距结合于一体，设计了一种基于u s b 接口的光栅信号处 理系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特 点。 单片机是光栅信号处理系统的核心部分，是系统的信息处理与控 制单元，实现光栅测量数据的采集与处理，键盘、显示及u s b 通讯的 控制。 系统由光栅数显和u s b 通讯两个相对独立的部分组成。文中详细 介绍了细分计数、键盘处理、液晶显示及掉电保护等硬件电路的组成 及其软件设计，完成了光栅测量数据的实时显示，并实现了长度角度、 单端差分、光栅分辨率转换等多种功能。 文中设计了u s b 接口设备端的硬件电路，完成了单片机对u s b 通 讯接口芯片p d i u s b d l 2 控制软件的开发。 关键词：光栅，单片枫，控制，信号处理，u s b 接口 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 a b s tr a c t i nt h is p a p e r ，m e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dd e v e i o p m e n ts t a t e o fg r a t i n g m e a s u r i n gd i s p l a c e m e n ts y s t e ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ec h a r a e t e ra n da d v a n t a g eo ft h eu n iv e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) a r e a n a l y z e d as y s t e mo fg r a t i n gs i g n a lp r o c e s s i n gb a s e do nu s bis d e s i g n e d ，w h i c hisc h a r a c t e r iz e dw i t hm o d u l a ra n dm u l t i p l eu s e b y m e a n so f c o m b i n i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e s i n g i e - c h i pm i c r o c o m p u t e r is t h ec e n t r a l p a r to ft h e g r a t i n gs i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h eu n i to fi n f o r m a t i0 n p r o c e s s i n ga n dc o n t r o l ，w h ie hc a r r i e so u tt h ed a t aa c o u is i t i o n a n d p r o c e s s i n g ，k e y b o a r dc o n t r 0 1 ，d a t ad is p l a ya n d u s b c o m m u n ic a t i o n t h es y s te mis c o m p o s e dw i t hg r a t i n gd a t ad is p l a ya n d u s b c o m m u n ic a t i o n t h e d e s i g no fs u b d i v is io na n d c 0 u n t k e y b o a r d p r o c e s s in g 。l e da n dp o w e rd o w n p r o t e c t i o b a r ei n t r o d u c e d i n d e t a i l t h er e a l t i m ed a t ad i s p l a ya n dm is e e l l a n e o u sf u n c t i o n i n c l u d i n gt h ec o n v e r s i o no fl e n g t h a n g l e ，s i n g l ee n d d i f f e r e n c e i n p u ta n dt h er e s o l u t i o ns e l e c t i o na r er e a l i z e d t h ec i r c u i to fu s bi n t e r f a c e is d e s i g n e d t h ep r o g r a mo f p d i u s b d l 2c o n t r o l l e db ys i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ri sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：g r a t i n g ，s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，c o n t r o l ，s i g n a l p r o c e s si n g ，u s bin t e r f a c e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：邋茑 e t 期：三翌之生至旦 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 光栅检测概述 第一章绪论 七十年代以来，世界各国都在致力于发展位置数字检测研究开发新型的 测量元件和信息处理技术。位置检测技术同样也是我国重点发展和推广的新技 术，多年来在航空航天、精密机械仪器、数显数控机床、长度角度测量、机器 人、自动机械、机电一体化等各个领域均得到广泛应用。位置检测主要是指长 度和角度的测量，随着近代工业和科学技术的发展，对测量提出了高精度、大 量程和数字化的新要求。光栅测量是位置检测的一种，是利用光栅作为位移传 感器，通过对莫尔条纹记数，来实现位置检测的技术悼j 。 到目前为止，人们所公认并得到广泛应用的位置检测技术是计量光栅、感 应同步器、磁栅、容栅、球栅和激光等，其中，感应同步器、光栅、磁栅、容 栅、球栅统称为栅式测量系统，这些测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式 测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光那样的光波波长， 而是通用的米制( 或英制) 标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都 得到了发展。光栅技术出现1 0 0 多年来，随着光栅的刻制技术、电子技术的发 展，光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，以及计算机技术的巨大进步，光栅技 术在近二、三十年间得到了迅猛的发展。利用光栅技术进行长度和角度的传感， 应用于计量和控制中，已经相当普遍。光栅测量系统以其性能稳定、可靠性好、 精度高、使用方便等特点，与其它几种测量系统相比具有明显优势，而且制造 费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高， 同时市场占有率也是最高的。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过8 0 ，光 栅长度测最系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量长度从l m 、 3 m 达到3 0 m 和l o o m 。 光栅式测量具有以下特点【9 】： l 、输出天然的数字量所谓天然的数字量，是指它的原始输出信号是脉 冲信号，很容易和数字电路相匹配，不必象模拟量的传感器，必须首先进行模 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 数转化，将模拟量变成数字量。 2 、高精度由于光栅刻制技术及电子细分技术的发展，以及莫尔条纹对 光栅栅距具有局部消差的作用，光栅式传感测量的精度可以达到很高。对于大 量程的长度测量来说，其精度仅次于激光式测量( 但激光式测长装置技术难度 大，成本高) 。对于角度测量来说，目前达到最高精度的还是光栅式测量装置。 3 、兼有高分辨率、大量程两个特性。 4 、可实现动态测量、自动测试和数字显示功能。 5 、具有较强的抗干扰能力因为是数字量的输出，信号幅度高，因此对于 弱信号的抗干扰能力很强。对环境的要求低于激光干涉测量，在环境较为恶劣 的工业现场，其稳定性优于电感式传感器。 6 、具有较高的测量速度。 1 2 光栅测量技术的发展 计量光栅技术的基础是莫尔条纹( m o i r ef r i n g e s ) ，1 8 7 4 年英国物理学家 l r a y l e i g h 首先提出了这种图案的工程价值，但直到2 0 世纪5 0 年代人们才开 始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1 9 5 0 年德国h e i d e n h a i n 首创d i a d u r 复 制工艺，也就是在玻璃基扳上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度且 价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1 9 5 3 年 英国f e r r a n t i 公司提出了一个4 相信号系统可以在一个莫尔条纹周期实现4 倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4 倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基 础，并一直广泛应用至今。 七十年代由于光刻、复制技术和微电子技术的发展，使光栅测量系统生产 成本大大降低，可靠性增强，测量长度和精度也得到迅速提高，因此国外在七 十年代光栅测量系统就用于数显和数控机床，从最初占机床测量系统的1 0 发 展到今天的8 0 。目前全世界能制造光栅测量系统的国家有德国、日本、英国、 美国、西班牙、中国、意大利、奥地利、俄国、韩国等，其技术已十分完善。 应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在6 0 万件左右其中封闭 式光栅尺约占8 5 ，开启式光栅尺约占1 5 。以德国h e i d e n h a i n 公司为例，该 公司在技术、品种、产量上皆领先于其他国家。h e i d e n h a i n 公司1 9 6 1 年开始 开发光栅尺和圆光栅编码器，并制造出栅距为4 麒( 2 5 0 线m m ) 的光栅尺和 南京航空航天大学硕士学位论文 i 0 0 0 0 线转的圆光栅测量系统，能实现l 微米和l 角秒的测量分辨率。1 9 6 6 年制造出了栅距为2 0 口m ( 5 0 线m m ) 的封闭式直线光栅编码器。8 0 年代推出 的a u r o d u r 工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅，并在光 栅一个参考标记( 零位) 的基础上增加了距离编码。1 9 8 7 年又提出一种新的理 论，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1 9 9 7 年推出用于 绝对编码器的e n d a t 双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样 很方便地应用于测量系统。该公司最新推出的产品n d t 0 0 系列，误差范围为 1 0 p 胛。分辨率为o 1 p j ，、1 研、1 0 彬，具有刀具长度补偿，收缩补偿，线 性和非线性补偿功能，并均具有可编程功能来帮助操作者达到位置检测和特殊 显示要求。 三十多年来，计量光栅主要应用于机床工业，但随着计量光栅精度的提高 和细分技术的发展，目前已使其应用领域迅速扩展到科学技术和工程的各个方 面。如：仪器仪表、位移变送器、齿轮测试和误差补偿、振动测量、压力测量、 星球照相、天文望远镜和射电望远镜的自动控制、x 射线衍射样品取向控制等 高科技领域中。同时，先进制造技术的迅猛发展对产品检测技术和检测手段提 出了更高的要求，在线、动态、数控、自动化、综合参数测量已不可避免，计 算机技术、新型传感器应用极大地推动了检测技术的发展和进步。 1 3u s b 概述 1 3 1u s b 技术背景 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。 它不是一种新的总线标准而是应用在p c 领域的新型接口技术，是由七家包括 c o m p a q 、d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ( 现在属于c o m p a q ) 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、 n e c 以及n o r t h e r nt e l e c o m 等主要的计算机与电子科技大厂所研发与规划出来 的，是一种快速双向、基于令牌可同步传输并可进行热插拔的串行接口“。 目前，由于p c 机在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经影响了p c 机 的进一步发展普及。从用户的角度来看，现有的并行串行接口，键盘鼠标 游戏杆并不具有即插即用的功能，与此同时人们对计算机的要求却越来越多， 各种用来扩充计算机功能的外设层出不穷，造成了计算机后面的端口越来越紧 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 张。在这种形势下，旧的接口已成为通讯的瓶颈，u s b 接口呼之欲出【3 】。 同传统的串行并行接口相比，i j s b 接口具有以下的特性与优势”3 ： l 、使用方便。连接外设不必再打开机箱，允许外设热插拔，而不必关闭 主机电源。 2 、速度快。全速u s b ( 1 i 标准) 接口的最高传输率可达1 2m b s ，比串 口快了整整i 0 0 倍，而执行u s b 2 0 标准的高速u s b 接口速率理论上更是达到了 4 8 0 m b s ，是传统串口的4 0 0 0 倍。 3 、连接灵活。一个u s b 接口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式 也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器h u b ，把多个设备连接 在一起，再同p c 机的u s b 接口相接。 4 、独立供电。u s b 接口提供了内置电源。 1 3 3 当前u s b 的应用 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革。目前在统一的u s b 接 口上实现了中低速外设的连接，例如键盘、鼠标、显示器、数字音响及调制解 调器等：同时，由于u s b 接口具有很快的传输速率，并可很好地满足视频图像 的实时传输要求，因此，更多的新型外设，如视频会议的c 0 1 ) 、移动硬盘、光 盘刻录机、扫描仪、卡片阅读机已成为u s b 接口非常流行的应用。u s b 采用差 分传输方式，具有很好的传输可靠性：设备的控制、管理和信息交换完全是由 系统软件按u s b 协议进行传输，因此不存在设备占用资源冲突而导致系统的紊 乱问题；u s b 技术具有开放性，是非赢利的规范，得到了广泛的工业支持，现 在，几乎所有的工业计算机都有了u s b 接口。对于工业应用来说，u s b 本身就 是一种工业级总线标准，其可靠性等级可以很好地满足工业现场测量控制系统 的要求。另外由于其所具有的外挂式特点，它可以很好地满足工业测量的环 境要求、很容易地实现完全的光电隔离，铡量系统的改变和扩展也都很容易和 方便。现在国际市场上已经有了u s b 接口的分布式数据采集卡，远程数据采集 卡。相信不久的将来，基于u s b 接口的各种工业控制设备就会象雨后春笋般出 现【2 引。 1 4 课题的应用前景和意义 4 南京航空航天大学硕士学位论文 过去，在工业计量中一般是提供保证生产质量的各种数据，通过被动的、 生产后的尺寸检测让符合标准的产品出厂。然而随着科学技术的飞速发展，人 们已经不再满足于被动的离线测量，而趋向于主动的在线测量。在生产过程中， 通过对设备、工具、环境的检测和控制预先决定产品质量。这就要求测量设备 也进入生产线，通过主动的和在线的测量来保证产品的质量，达到更高的精度 要求和可靠性。 我国在光栅检测系统方面的研究起步较晚，加之国外技术的封锁，进程比 较缓慢，因此在“七五”、“八五”期间都被国家列为重点发展项目。进入九 十年代，随着科学技术的高速发展，特别是高精度定位系统在数控机床、精密 仪器及冶金、石油、轻工、国防等部门得到了越来越广泛的应用，为光栅检测 系统的研制、开发、应用提供了一个良好的契机。 目前，国内研究和开发光栅检测系统的许多单位，如广州的信和光栅，北 京的贝塞德机电技术有限公司、源尚自动化技术有限公司等都在研制各种型号 的数显装置产品，一般分辨率为l z m 、5 z m 、l o g m ，精度为5 , u m 2 0 z m 。 但是，由于技术等原因，这些数显装置的价格相对比较昂贵，并且许多产品只 适合一种分辨率的光栅尺。更为重要的是一般的光栅数显装置要么不具有通 讯接口，要么多设计成r s 一2 3 2 串口。前面已经提到，u s b 设备的应用目前在国 外正处在高速发展阶段，在国内的应用也已经起步。但是，经查阅大量资料表 明，国内市场上尚未有带u s b 接口的光栅信号处理系统，这就使本课题的研究 显得十分必要。 从功能上来看，基于u s b 接口的光栅信号处理系统是由两个相对独立的部 分组成：一个是由细分计数模块、键盘处理模块、液晶显示模块组成的光栅数 显系统，可以实时地显示光栅的测量数据；另一个是u s b 通讯部分，它可以将 光栅的测量数据通过u s b 接口上传到p c 机进行显示和处理。 从技术上来看，本课题设计的基于u s b 接口的光栅信号处理系统具有以下 这些特点： 1 、使用方便灵活，若现场只要求实时显示光栅的测量数据，则只需启用 光栅数显系统即可完成；若需要将光栅的测量数据上传到p c 机进行处理，只要 将系统的u s b 接口与p c 机的u s b 接口相连郎可。 2 、实现光栅输入信号的单端差分兼容及长度角度转换功能。并适合多种 分辨率的光栅尺。本系统适用的长光栅分辨率为1 0 , u m 、5 9 m 、4 z m 、l , u m 、 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 0 4 9 m ，经四细分后分辨率分别为2 5 9 m 、1 2 5 , e m 、l , u m 、0 2 5 m 、0 19 m ， 圆光栅适用的最高分辨率为0 1 5 ”。 3 、由于u s b 接口的应用，可实现系统与p c 机之间即插即用的功能，安装 方便，维护简单。 4 、高可靠性，u s b 接口本身具有数据纠错功能，最大限度地减少误码率， 提高可靠性。 从社会的经济效益上分析，u s b 接口的光栅信号处理系统也有着广阔的应 用前景。首先，由于目前u s b 接口已经成为p c 机的标准配置，发展的技术十分 成熟，同时已获得大多数操作系统的支持，这就免除了用户使用的后顾之忧； 其次，u s b 接口的光栅信号处理系统安装简单，使用方便，将u s b 接口与光栅 检测相结合，必将使其应用范围越来越广，同时拥有更广阔的市场空间。 1 5 论文的主要研究内容和章节安排 论文详细阐述了基于u s b 接口的三路光栅信号处理系统的研究，课题的核 心是单片机的控制，其中包括显示控制、通讯控制( 对u s b 接口的控制) 、对 键盘的控制三部分。全文共分六章，各章的内容安排如下； 第一章一介绍了课题的研究背景、意义与应用前景，以及课题研究的 主要内容。 第二章一简单介绍了光栅测量原理及莫尔条纹效应，详细介绍了系统 细分电路的实现。 第三章一一详细介绍了三路光栅信号处理系统的硬件设计。 第四章一详细介绍了三路光搬信号处理系统的软件设计。 第五章一简单介绍u s b 通讯协议、p d i u s b d l 2 通讯接口芯片的原理及 其硬件电路。详细介绍了使用c 5 1 语言进行设备端软件编程 的开发过程。 第六章一一全文总结。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章光栅测量原理及细分电路 2 1 光栅测量原理【9 】d t 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广 泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以及精密测量方 面。光栅式测量是根据波动光学中光的干涉和衍射特性，利用光通过相叠的两 片光栅片时形成莫尔条纹的原理进行的。图2 1 为光栅光学系统原理示意图。 光学系统的作用是形成莫尔条纹。并将莫尔条纹的光学信号转化成电信号。如 图2 1 所示，其中主光栅作测量基准用，一般情况下随工作台( 或转轴) 一起 运动，所以又称动光栅。指标光栅固定不动，又称定光栅。主光栅是光栅式测 量中的主要部件，测量的精度主要取决于主光栅。 3 _ _ _ 己 、 i ， 擎 钐 i ， i ， 彩|i 形 i l 一光源2 一准直镜3 一主光栅4 一指标光栅5 一光电接收元件 图2 ，1 光栅光学系统原理示意图 1 、莫尔条纹效应 莫尔条纹是一切计量光栅位置检测系统的基础，计量光栅技术本质上就是 莫尔条纹技术。莫尔条纹是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。如图2 2 所 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 示，将两块光栅( 主、指) 相叠合，并使两者的栅线有很小的交角o ，这时， 在近于栅线垂真的方向上就会产生明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，其中透光 部分( 明部) 是由一系列棱形图案构成的。 图2 2冥尔条纹 经分析可知，莫尔条纹具有以下性质： ( 1 ) 莫尔条纹间距对光栅栅距的放大作用在两光栅栅线夹角日较小的情 况下，莫尔条纹宽度w 和光栅褪距d 、栅线夹角。之间有下列近似关系： w d o( 式1 一1 ) 令：k = 1 e 为放大系数。一般e 锻小，所以放大系数k 很大，因此可实现高灵 敏位移的测量。 ( 2 ) 莫尔条纹对光栅栅距局部误差的消差作用在光栅信号的拾取中，不是 对一条栅线信号拾取，而是对一个区域内部信号的拾取。因此会对几十、几百 条线形成的莫尔条纹信号进行拾取。个别据线的栅距误差、个别栅线的断裂或 其它疵病，会得到均化作用，对于整个莫尔条纹的位置及形状影响很小，这样， 莫尔条纹就具有了对于光栅栅距局部误差的消差作用。 因为栅距误差是随机误差，所以此误差可用统计规律来估计，即莫尔条纹 位置的标准差a 。和单根栅线位置标准差。之间的关系可近似用下式估算； 南京航空航天大学硕士学位论文 o 。= o n( 式l 一2 ) 式中n 为参与形成莫尔条纹的栅线数。 2 、光栅式测量的原理 当光栅副中一片光栅( 一般是主光栅) 相对于另一片光栅沿着垂直栅线的 方向上相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向近似相同的方向作相应的移动。 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。假设两片光栅的栅 线之间没有间隙，而且不考虑光栅的衍射作用及认为两栅距严格相等，缝宽和 线宽完全一致，则根据简单的遮光原理，在图2 2 位置i 处，两片光栅线彼此 完全遮盖，透光量为零；在位置i i 处，两片光栅线不彼此遮光，透光量最大。 对于某一点来说，随着动光栅的移动，光通量的分布将是一个三角波。但实际 上，上面的假设是不可能完全成立的，再加上刻线边缘总有一定的毛刺和不直 等因素存在，这样，在光的干涉和衍射作用下，光通量分布将是一个近似的正 弦形，如图2 3 所示。相应地，置于某一固定位置的光电元件接收到的光能量 随着相对位置的变化而变化，其输出的电信号也是按同样的规律变化，即每移 过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距，光电元件输出信号变化一个周期。 2 2 细分电路 图2 3光通量分布 为了进一步提高系统的分辨率可采用细分的方法。所谓细分就是在一 个周期的信号内插进许多个计数脉冲，从重复频率的角度来说，细分也称作倍 频。 采用何种方法细分，直接影响着光栅检测系统的精度和抗干扰能力。细分 电路可用多种方法实现。如用分立件组成细分电路，由e p r o m 组成细分电路， 9 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 利用d 触发器进行细分，采用专用芯片实现细分等。每种方法都能实现细分， 但都存在不同程度的缺点如分立件组成细分电路和直接利用d 触发器进行细 分虽然可以实现系统的基本要求，但所使用的元件较多，抗干扰能力差；由 e p r o m 组成的细分电路不仅擦写麻烦，而且外围电路也较复杂【i “。 综合考虑精度、可靠性、经济性等各种因素，本系统采用北京机械工业自 动化研究所研制的四倍频专用集成电路s j 7 4 0 2 i 0 。s j 7 4 0 2 1 0 可将来自光栅的 两路正交方波信号进行四倍频后产生两路加、减计数脉冲，送定时计数器8 2 5 4 进行加、减计数，并将计数结果送单片机进行数据处理。 2 2 1 s d 7 4 0 2 1 0 芯片简介 s j 7 4 0 2 l o 具有以下特点： l 、数字化微分电路：4 路微分信号脉宽由本电路主频( x 2 ) 周期决定，因此都 是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。 2 、临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度接近极限值时 给出i 晦界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时 本电路将给出出错信息。 3 、绝对零位控制：绝对零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断 电后的重新定位、在线检测等。本电路有“到绝对零位开始计数”和“到绝对 零位停止计数”，以及“与绝对零位无关”三种工作模式可供选择。 4 、c o m s 工艺：输入输出的电压电流与4 0 0 0 系列c m o s 及l s t t l 电路兼容。 x o o 9 0 。 一c p 。 + c p 。 m 8 。 a z i m s i g n d v d d x 1 x 2 w a r n f a b s a b s z a b s c c s c e 圈2 4s j 7 4 0 2 1 0 管脚图 $ 3 7 4 0 2 1 0 管脚排列见图2 4 。部分用到的管脚功能说明如下 南京航空航天大学硕士学位论文 管脚1 ( x o ) 既可以与x 1 、x 2 构成振荡器，也可以作为外部时钟的输入端。 允许最高输入频率3 0 0 k c 。 管脚1 6 ( x 1 ) 与x o 、x 2 构成振荡器。 管脚1 7 ( x 2 ) 可与x 0 、x 1 构成振荡器，也可用作主频输出。最高工作频率 ( 主频) 2 5 m e 。 本系统中x o 、x l 与x 2 构成r c 振荡电路。 管脚2 ( 0 0 ) ：接收光栅尺传送过来的方波信号。 管脚3 ( 9 0 。) ：接收一个与管脚2 在相位上相差9 0 。的方波信号。 本电路将对管脚2 与管脚3 接收的两路正交方波信号进行四倍频，并根据 o “与9 0 。之间的相位关系进行相位判别。 管脚4 ( - c p o ) ：减计数脉冲输出，接定时计数器8 2 5 4 时钟输入端c l k 。 管脚5 ( + c p o ) ：加计数脉冲输出，接定时计数器8 2 5 4 时钟输入端c l k 。 管脚1 0 ( c e ) ：清零输入，清除报错信号，并使a b s 功能处于a 模式，此 端在片选时起作用，低电平有效。 管脚1 1 ( c s ) ：片选输入，低电平选中时，c e 、a b s c 才起作用。 管脚1 2 ( a b s c ) ：绝对零位模式选择，本脚需要输入负脉冲。片选并清零 后本脚输入负脉冲的个数决定a b s 的三个模式： 输入o 个脉冲，a 模式，绝对零( h b s z ) 输入不起作用： 输入奇数个脉冲，b 模式，绝对零( a b s z ) 输入后c p o 才有输出； 输入偶数个脉冲，c 模式，绝对零( a b s z ) 输入后c p o 停止输出。 本系统选用b 模式由单片机p 1 5 口输出一个负脉冲，启动b 模式，等待光 栅尺的绝对零位脉冲输入。 管脚1 3 ( a b s z ) ：绝对零输入，由光栅尺输入一个正脉冲，如果一个光栅尺 有若干个绝对零位输出，则只有第一个起作用。 管脚1 4 ( f a b s ) ：绝对零位标志，对应于a b s c 的三个模式： a 模式时，f a b s = i b 模式时，f a b s = o c 模式时，f a b s 为一串脉冲，( 与x 0 同频同相) 管脚1 5 ( w a r n ) ：速度报警输出。详细用法见图2 8 。 管脚1 8 ( v d d ) ：接+ 5 v 工作电压。 图2 5 为s j 7 4 0 2 1 0 功能逻辑图。 基于u s b 接口的光橱信号处理系统研究 图2 5s j 7 4 0 2 1 0 功能逻辑图 s 7 4 0 2 1 0 可以实现由两路光栅方波信号到正、负计数脉冲的转换，其输入 输出波形如图2 6 所示： o 厂 厂 厂 盯厂 厂 厂 ( a ) 0 。超前9 0 。 旷 厂 广 厂 时厂 厂 厂 ( b ) 9 0 。超前0 。 图2 60 4 、9 0 。、+ c p 。、- c p 。波形图 2 2 ，2 单端差分兼容功能的实现 光栅传感器一般有两种，一种输出信号为四路相差9 0 。的正弦波，另一种 南京航空航天大学硕士学位论文 是输出脉冲为两路相差9 0 “的方波，本课题是针对后一种光栅传感器设计的信 号处理系统。输出信号中的直流分量和直流放大器的漂移，都会对电子细分的 精度产生影响，因此，必须考虑消除直流分量。光栅传感器通常给出这样一些 信号：a 、a 、b 、b 、z 、z 。a 和b 相差9 0 ”，4 、口分别为一、口反相1 8 0 ” 的信号。z 、z 互为反相，是光栅尺的零位参考信号，所有这些都是方波信号。 本系统光栅信号的输入设计成单端差分兼容的形式。所谓单端差分兼容， 在这里指两种不同的信号输入方式。若采用单端输入，可将光栅尺0 。、9 0 “的两 路信号a 、b 以及零位参考信号z 直接接到s j 7 4 0 2 1 0 的2 、3 及1 3 管脚；为了 提高系统精度增强抗干扰的能力，一般采用差分信号输入方式本系统选用 了a m 2 6 l s 3 2 a 芯片完成双端到单端的转换。a m 2 6 l s 3 2 a 是一片四倍差分线性接 收器，用来进行数字数据的传输，其使能端同时作用于内部四组完全相同的接 收器，三态输出形式允许直接和系统总线相连，其安全性设计确保在没有输入 信号时输出总是为高。 v 图2 ，7 差分信号输入电路 如图2 7 所示，1 a 、l 口、4 a 、4 b 、3 a 、3 b 管脚分别接收来自光栅的 输出信号a 、a 、b 、b 、z 、z ，经过差分放大，输出脚l y 、4 y 、3 y 分别接 $ j 7 4 0 2 1 0 的0 ”、9 0 。及a b s z 管脚，作为四细分芯片的输入信号。 2 ，2 3 四细分电路的设计 图2 8 为系统细分电路部分，x o 、x 1 与x 2 组成r c 振荡回路，0 ”、9 0 ”脚接 ，“引慕 车至案曩 基于i j s b 接口的光栅信号处理系统研究 来自光栅的两路正交方波信号( 单端输入) 或接a m 2 6 l s 3 2 a 的l y 、4 y 管脚( 差 分信号输入) ，a b s z 接光栅尺的绝对零位输出，a b s c 接8 9 c 5 2 的p l - 5 口，当 没有脉冲输入时，绝对零位标志f a b s = “l ”，二极管l e d 2 被点亮；当经过片选 并清零后，a b s c 输入一个负脉冲，启动b 模式，此时f a b s = 0 ，则熄l e d 2 ， 点亮l e d l 。+ c p o 、- c p o 输出正、负计数脉冲，接8 2 5 4 时钟输入端c l k 。系统 设计了速度报警电路，如图2 8 所示，本电路主频为f x ，当0 。( 9 0 。) 的输入频 率f i i 8 f x 时w a r n = “0 ”，处于安全状态：当i 8 f x f i i 6 f x 时，达到临 界报警状态，w a r n 有正脉冲出现，宽度与0 。输入的方波相同，l e d 3 出现闪烁。 当f i 降到l 8 f x 以下后，此端自动恢复为“0 ”，l e d 3 停止闪烁：当f i i 6 f x 时，w a r n = “l ”，l e d 3 被点亮，同时蜂鸣器发出警示音，此“r 电平只有当片 选选中且完成清零( 即c s = o 且c e = o ) 后才能恢复为“0 ”电平。利用电容隔 直，可分辨出f a b s 中的b 、c 模式的差别，也可分辨出w a r n 报警与临界报警的 差别。利用g 2 - g 5 组成一个单稳电路，可对瞬态临界报警信号起一个延长的作 用，使操作者能觉察到这个信号。 图2 8四细分电路 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要介绍了光栅传感器的测量原理、系统细分电路的设计以及光栅输 入信号单端差分兼容功能的实现。莫尔条纹是一切计量光栅位置检测系统的基 础，计量光栅技术本质上就是莫尔条纹技术。四细分电路的实现，使系统在光 栅分辨率的基础上进一步将分辨率提高了四倍。同时，针对不同的光栅尺，设 计了单端、差分两种输入方式，使系统的功能更加完善。 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 第三章系统的硬件设计 3 1 系统的功能特点 基于u s b 接口的光栅信号处理系统总体框图如图3 1 所示，主要包括四个 功能模块： 数据采集： 结果显示： 键盘处理 u s b 通讯： 这个模块也可以q 做细分计数模块，主要是将光栅信号进行四 细分后送入8 2 5 4 定时计数器进行脉冲计数，并根据单片机发 出的控制信号进行数据处理。 单片机将经过一系列运算转换后的数据发送液晶显示模块，并 控制液晶显示模块按照一定的格式将其显示。 操纵者通过键盘向单片机发送控制指令。单片机在控制指令的 要求下，完成一定的功能，如进行长度角度转换设置、设定 不同的分辨率、光栅尺计数值清零等。 单片机通过对u s b 通讯接口芯片p d i u s b d l 2 的控制将光栅测 量数据发送到p c 机进行显示和处理。 3 2 硬件的总体设计 3 2 1 硬件总体框图 从图3 1 可以看出，本系统的核心为单片机控制部分，主要由显示控制、 通讯控制、对键盘的控制三部分组成。显示控制部分主要是指单片机控制l c d 显示光栅的实时测量数据。对键盘的控制主要包括有规律地对键盘进行动态扫 描，发现有按键即求键值，并对不同的键值进行相应处理，从而实现对系统的 人工干预。通讯控制主要是指按照u s b 通讯协议，通过对p d i u s b d l 2 芯片的控 制，实现上位机和下位机之间的数据传输。 本章重点讲述光栅数显部分的硬件设计，u s b 设备端接口设计详见第五章。 南京航空航天大学硕士学位论文 鱼 片 机 3 2 2 系统各器件地址分配 图3 1 硬件总体框图 三路光栅信号处理系统采用7 4 l s l 3 8 译码器对各个功能模块的芯片进行地 址分配。7 4 l s l 3 8 的a 、b 、c 分别接8 9 c 5 2 的p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 口，输出位选 线y 0 y 7 接到各对应器件的片选线上( 图略) ，具体地址分配见表3 1 。 表3 1各器件地址分配表 7 4 l s l 3 8 管脚接线控制地址 c ba有效输出器件范围 o00y 0 0oly 16 2 6 42 0 0 0 3 f f f 0loy 2l c d4 0 0 0 5 f f f 0l1 y 3 7 4 l s 3 7 3 26 0 0 0 7 f f f l00y 4 loly 58 2 5 4 1a 0 0 0 b f f f ll0y 68 2 5 4 2c 0 0 0 - d f f f ll1y 7 3 3 单片机硬件电路 3 3 1c o u 的选择 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 本系统的硬件核心控制任务是由单片机来完成的，单片机的采用使硬件电 路大大地简化，而性能更加可靠。目前，单片机由于其集成度高、体积小，抗 干扰能力强和价格低廉，具有独特的控制功能，已经成为计算机世界中的重要 一员。其中最普及的当属i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列单片机。m c s 一5 l 是在m c s 一4 8 的基础上于上世纪8 0 年代初发展起来的，尽管它仍然是8 位的单片机，但 其功能有很大的增强，应用非常广泛，是继m c s 一4 8 以后最重要的单片机品种， 直到现在m c s 一5 1 仍不失为单片机中的主流机型。虽然1 6 位单片机在1 9 8 2 年 已经问世，但其发展并不象人们想象的那样快，尽管在某些性能指标方面超过 了8 位单片机，但从性能价格比上以及开发周期等综合效益上不如8 位单片机 因此应用并不能普及。 在本次设计中，针对系统的实际需要，选用了i n t e l 公司的m c s 一5 l 系列 8 位单片机8 9 c 5 2 。该单片机采用的是啥佛( h a r v a r d ) 结构，即程序存储器和 数据存储器分开的结构，访问时采用不同形式的指令。由于其程序计数器为1 6 位，因此可以寻址的地址空间为6 4 k 字节，并且8 9 c 5 2 含有8 k 的e 2 p r o m 程序 存储器，便于擦写，修改方便。 m c s 一5 1 系列单片机的开发编程采用的是m c s 一5 l 汇编语言，其优势在于 占用的存储空间少，执行速度快，适于实时测控系统。m c s 一5 l 的指令共计1 1 1 条，近半数为单周期指令，其中不通过累加器的寄存器间数据传递或逻辑操作 指令十分丰富，这些都使软件编制变得简单灵活f 6 l 【i ”。 3 3 2 单片机硬件电路 3 。3 2 。1 时钟发生电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。单片机所需要的时钟信 号来源于高频振荡信号，产生高频振荡信号的途径有两种：内部方式和外部方 式。内部方式时钟电路中，外接石英晶体及电容c 1 、c 2 构成并联谐振电路，接在 单片机的x t a l l 、x t a l 2 引脚上，内部振荡器产生自激振荡，构成了一个完整的 振荡信号发生器：外部方式时钟电路是在单片机( c h m o s 型) 的引脚x t a l l 处接 一个振荡信号发生器，而x t a l 2 不用( 即悬空) 。 本系统选用了内部方式时钟电路，如图3 2 所示，它体现了系统结构紧凑、 成本低廉和可靠性高等原则。图中外接电容c l 和c 2 取值为2 7 p f ，晶振为6 m h z 。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 3 2 2 复位电路 单片机器要有复位电路，以便通过它使自身进入复位状态。所谓复位，就 是要让光栅信号处理系统于正式工作前处于一种特定的状态，只有以该状态为 起点，随后的工作情况才可能是正常与可靠的。复位的目的是初始化整个8 9 c 5 2 芯片或者为系统提供一个确定一致的起始环境。 二 圈3 2单片机硬件电路 复位电路的功能是产生复位信号，w c s 一5 1 单片机常用的复位电路有四种： l 、上电复位电路；2 、外部复位电路t3 、上电外部复位电路：4 、抗干扰复位 电路，一般根据单片机应用系统的复杂程度进行设计 1 0 】。 本系统采用的是上电外部复位电路，按功能分为手动复位和上电自动复位， 是一种典型的复位电路，如图3 2 所示，手动复位电路由2 0 0 q 的限流电阻和 复位按键组成。需要注意的是，复位键与系统键盘上的按键是不一样的，复位 键只涉及硬件操作而不参与键盘的软件分析。上电自动复位电路由一个l o u f 的电解电容器和8 2 k q 的电阻构成，未加上电源时r s t 的初态是低电平。当 v c c 端出现一个+ 5 v 的阶跃电压时，8 9 c 5 2 的振荡器便立即起振，与此同时，由 9 基于u s b 接口的光栅信号处理系统研究 于电容器两端电压不能突变，因而r s t 端便随之获得了一个+ 5 v 的正电压。此 后的过程是电容通过电容放电，r s t 端电压下落直至零电平。值得注意的是， 系统复位，r s t 引脚必须保持两个机器周期以上时间的高电平，决定该脉宽的 两个参数是电容和电阻的取值，本系统的取值足以满足要求。 33 2 3 单片机其它引脚接口说明 本系统中单片机的p o 口作地址数据总线使用，p 2 口中的p 2 0 到p 2 4 引 脚直接接到外部存储器6 2 6 4 的a 8 到a 1 2 引脚上，送出地址的高5 位，p 2 5 到 p 2 7 引脚接7 4 l s l 3 8 译码器的a 、b 、c 脚，决定地址范围。当访问外部存储器 时，要确定p o 口某一时间送出的信息到底是低8 位地址还是传送的数据，需 要a l e 信号( 允许地址锁存) 同步地进行分别，将它接到地址锁存器7 4 l s 3 7 3 的g 引脚上，为高电平( 有效) 时，p o 口送出低8 位地址，通过a l e 锁存在7 4 l s 3 7 3 上。p 1 0 到p 1 2 引脚对应于系统键盘的三根行选线，p 1 4 口作为8 2 5 4 计数器 原始触发脉冲的输出。本系统选用了光栅尺绝对零位脉冲输入的b 模式。用 p 1 ，5 口输出的脉冲来启动该模式。与p d i u s b d l 2 芯片相连的管脚说明见5 1 2 节。 3 4 细分、计数模块硬件电路 本系统对三路光栅信号进行脉冲计数，每一路信号经过细分后均有加、减 两路输出，总共需要六个计数输入口，而8 9 c 5 2 芯片只有两个内部时钟计数器， 因此系统采用了两片8 2 5 4 定时计数器来完成脉冲信号的采集。细分部分硬件 电路已经在第二章作了详细介绍，本章将重点介绍计数部分硬件电路。 3 4 18 2 5 4 芯片简介【1 9 】 8 2 5 4 定时计数器是| n t e l 公司生产的微型机外围芯片，是把脉冲信号转换 为数字信号的关键部件，内含三个相同的1 6 位可预置数的减法计数器，单5 v 供电，最高计数频率可达i o m h z ，每个计数器均可独立工作，非常适