（物理电子学专业论文）高精度电子经纬仪数字信号处理的系统优化技术研究.pdf

摘要 本文详细叙述了电子经纬仪光电系统的设计。其中着重介绍了光 一。 栅莫尔条纹信号的辩向和数字细分技术、系统工作原理、光电信号的采 集与处理、硬件设计与调试等，并对系统进行了优化设计，在满足各项 设计要求和指标的条件下，完成系统设计，使系统测量精度达2 ”，读 数精度达到1 ”。本文还就此文中所述的方法进行了误差分析，并提出 解决修正误差的办法以及采用的抗干扰技术等。 关键词：光栅莫尔条纹辩向细分 南京理工大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h eo p t o e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g no ft h ee l e c t r o n i ca l t o m e t e ri sp r e s e n t e d i nd e t a ili nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sf o c u so nt h e f o l l o w i n gs e c t i o n ss u c ha st h es e u s ef i n d e ro ft h em 0 i 穗f r i n g eg r a t i n gs i g n a l t h ed i g i t a l s u b d i v i d i n gt e c h n i q u ef o rt h em o i n ef r i n g eg r a t i n gs i g n a l ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eo p t o e l e c t r o n i c s y s t e m , t h eo p t o e l e c t r o n i cs i g n a l a c q u i s i t i o n a n di t s p r o c e s s i n g ，t h e h a r d w a r e i n l p l e m e n t a t i o na n di t s t r o u b l e s h o o t i n g , a n ds oo n f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei su t i l i z e d i nt h es y s t e m d e s i g ni no r d e rt os a t i s f yt h e s y s t e m q u a l i f i c a t i o ne x p e c t e d h e r e i n ， t h e m e a s u r i n gp r e c i s i o no ft h es y s t e mw ed e s i g n e di nt h i st h e s i si s u pt o 2 ”a n dt h ep r e c is i o no f r e a d i n gd a t ai su pt o1 ”a tl a s t ，w ea n a l y z e dt h ee n o r p r o d u c e db yt h em e t h o d sw eu s e di nt h es y s t e md e s i g n e d ，a n dt h et e c h n i q u e st o e l i m i n a t et h ee r r o ra n do t h e ra n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d sa r e i n t r o d u c e d t o o k e yw o r d s ：o p t i c a lg r a t i n g ，m o i r e f r i n g e ，s e u s e f i n d e r d i g i t a l s u b d i v i d i n g 塑室里三查兰堡土兰垡笙苎! i 兰一 1 绪论 世界上第一批经纬仪一一威尔特型经纬仪( 即t 2 的前身) 于1 9 2 3 年问世以来，至今已有七十多年的历史了，几十年来，经纬仪的发展相当 迅速。 四十年代以前，金属度盘一直作为经纬仪的工作标准器。由于金属 度盘存在一系列缺点，从四十年代以后，出现了光学度盘，光学度盘的出 现给测角仪器带来了革命性的变化。它使测角仪器变得体积小、重量轻、 密封性好，操作和使用变得方便，同时精确度也得到了提高。从五十年代 至今，光学度盘稳定地确定了它在测角仪器中的地位。近二十年来，由于 激光技术、微电子技术和计算机技术的迅速发展，使测角仪的发展达到了 可以在测量现场自动读数、自动记录、自动显示的地步，这样大大地减小 了“人差”，提高了工作效率。六十年代曾经用摄影的方法记录度盘示值， 即照相经纬仪，但很快被不断发展的电子技术所淘汰。从六十年代到七十 年代，测角仪器的发展几乎集中在数字显示及自动记录技术上，八十年代 出现了电子经纬仪，电子经纬仪的测角系统和读数系统都不采用经典的光 学机械结构，而采用数字传感器( 光栅) ，结合微处理器等，做到了操作 程序自动化、测量结果数字显示、自动打印、自动记录、自动存储，还可 根据固定程序软件进行多功能测量。电子经纬仪在目前国际测量行业得到 了广泛的应用。 电子经纬仪主要是采用数字传感器( 光栅) 作为测量分度基准的， 结合微处理器、液晶显示器等实现了测量操作程序的自动化，测量结果自 动显示、自动存储，还可以完成多功能测量工作，以减轻野外工作人员的 劳动强度，提高了工作效率。光栅测量主要是利用光栅副( 主光栅和指示 光栅) 相对移动所形成的莫尔条纹信号的变化来进行的。莫尔条纹的移动 量与物体角位移的移动量是一一对应的。利用硅光电池对莫尔条纹信号进 行光电转换，然后进行信号处理、细分和计算，即可获得物体角位移量。 塑室堡三盔兰堡主兰竺丝苎二翌：l 光栅式测量具有以下主要特点： 一、高精度。由于光栅刻划技术及电子细分技术的进展，以及莫尔条纹 对光栅栅距局部误差具有消差的特性，因此，对要求整圆范围内高 分辨率的圆分度测量来说，光栅式测量原理与其它测量原理相比较， 是测量精度最高的一种。 二、兼有高分辨率大量程两特性。这对于一般的测量仪器来说是无法比 拟的。 三、可实现动态测量、自动测量及数字显示。 四、具有较强的抗干扰能力。对环境条件的要求，与激光干涉测量相比， 略可降低。因此，测量装置也可以用于数控机床。 五、具有较高的测量速度。 由于光栅式测量具有以上这些特性，目前己广泛应用于许多领域， 如精密仪器、坐标测量、精确定位和高精度精密加工等。 在我国，长期以来一直采用光学度盘和金属度盘的光学经纬仪和机 械式经纬仪。电子经纬仪只是近年来才开始着手开发的。虽然国内许多厂 家投入了大量的人力和物力开发2 ”的电子经纬仪，但效果多不理想，无 法实现高精度测量。到目前为止，只能实现6 ”的测量精度，同时测量功 能也不完善。2 ”精度的电子经纬仪一直是我国大地测量业中的一项空白， 本篇论文正是在这一高难领域进行研究工作，力争在测量精度和测量功能 上达到当代国际先进水平。我们所设计的电子经纬仪在信号处理、辩向计 数技术和细分方法等方面都采用当代最先进的处理技术，在测量误差很小 的情况下，实现了电子经纬仪的高精度测量，读数精度可达1 ”。 在完成设计的过程中，主要进行的研究工作如下： l 、根据光栅原理及系统设计要求，进行了系统总体方案和电路结构设 计。 2 、根据信号特点，提出并用电路实现了一种新的辩向计数技术。 3 、结合系统特点和软硬件实现的难易，提出并实现了一种新的数字细分 技术一三角函数重构数字细分法。 堕室里三盔兰竺主兰些丝兰兰丝一 4 、针对各种信号的特点，采取了多种抗干扰技术，使系统抗干扰能力增 强，稳定度提高。 5 、根据仪器特点和使用要求，对系统各部分进行了优化设计。 2 系统总体设计方案 电子经纬仪是在光学仪器的基础上，融合电子技术、光电技术和计 算机技术而发展起来的，一般说来电子经纬仪的光电系统比传统的光学仪 器具有更新的功能、更高的精度、更快的自动化程度和更先进的显示手段。 为了实现设计要求，我们采用增量式数字角度测量系统，对水平、垂直角 度分辨率可达1 ”，测量精度可达2 ”。同时结合微处理技术，实现了测量 的自动归算、自动存储和自动显示。 2 1 系统设计要求 2 1 1 系统设计要求 1 在设计上我们采用将水平盘和垂直盘均设置为双侧对径光电转换读 数头，刻自动消除度盘偏心差，同时结合采用精密工艺制造的高精度 轴系、光栅盘等部件，可以确保2 ”级精度的角度测量。 2 垂直角测量设置了倾斜传感器，以实现垂直角的自动补偿，这样使 整机工作效率高，环境适应性强，以实现商精度测角。倾斜传感器的 最大倾斜角3 ，即自动补偿范围为3 。 3 仪器显示采用双侧液晶显示，双行数字显示，同时配有各种显示字母 和标记，可以表示多种不同的测量模式的内容和数据，使用直观明确。 由于采用照明装置，在昏暗条件下也可以下常测量使用。 4 操作键盘配有六种操作键，每个键都具有双重功能，可以完成角度测 量的多种模式的测量工作。 5 各种测量操作程序固化在模块中，具有多种模式测量功能，并且操作 简单、灵活、方便。 6 采用最新的电子技术。电子元器件采用微功耗、小体积器件尽量采 用大规模可编程集成电路。 童室兰三查兰堡圭兰垡丝苎至竺璺苎兰! ! ：堕 2 1 2 主要技术指标 1 光栅盘直径7 1 r a m 。 2 液晶显示和分划板照明。 3 垂直角自动补偿( 补偿范围为3 ) 。 4 读数精度为1 ”，测量精度为2 ”。 5 光栅刻线为1 6 2 0 0 条线，即每一刻线代表8 0 ”，则细分要求是八十细 分。 6 测量数据自动存储、自动显示。 7 超过自动补偿范围或系统测量出错时将自动显示，以提示操作员手动 调节和检查。 8 供电电源采用四节五号电池 9 水准器采用长水准器和圆水准器。长水准器为3 0 ”2 m m ：圆水准器为 8 2 m m 。 1 0 工作时间为( 碱性干电池) 1 2 小时。 1 1 仪器尺寸：高1 7 9 5 r a m ：d 形h 为1 4 4 r a m 1 7 5 r a m x 3 2 4 m m ；重量 为4 8 k g 。 2 2 系统组成 我们的电子经纬仪中，光电系统主要由模拟角度测量系统和数字角度 测量系统组成。模拟角度测量系统主要由两块相互平行的光栅盘和模拟装 置组成，两块光栅盘，其中一块为主光栅盘，一块为指示光栅盘( 光栅盘 一一刻有等间距黑自刻线的玻璃圆盘) ，两块光栅盘中一块固定，另一块 随仪器观瞄系统( 水平角度测量) 或望远镜( 垂直角测量) 转动。模拟装 置主要由光源、准直透镜和光电转换器组成，在两块光栅盘对径位置上各 安置一个模拟装置，以消除偏心差，光源与准直透镜安装在光栅盘一侧， j 匕电转换器安装在光栅盘的另一侧，如旧2 一l 所示。 塑塞堡三奎兰堡圭兰垒兰苎二型茎璺笪兰i 竺堕 光电转换器 图2 - 1 模拟角度测量系统示意图 当一块光栅盘相对于另块固定的光栅盘移动时，光栅盘上黑白刻 线( 透光与不透光) 的相对移动，产生光强度周期性的变化，由光电转换 器将光信号转变为电信号( 正弦波) ，电信号经放大后送入数字角度测量 系统。在数字角度测量系统中，一方面将模拟测角系统送来的信号送入单 微处理器进行软件处理、滤波，然后进行数字细分；另一方面，将此信号 进行变换，使之成为与原信号对应的周期性方波信号，然后经辩向电路辩 向送入微处理器的中断，进行可逆计数。最后将计数和细分后的信号进行 软件处理、运算、制式变换和显示等。具体组成见图2 2 所示。 6 壹塞堡三查兰堡主主垡兰苎至竺璺壁望立兰 光电系统 模拟角度测量系统 数字角度测量系统 光栅盘 i 光源 模拟装置 凳毫粪姜器 l 前置放大器 波形处理器 辩向 细分 运算 变换 显示 存储 图2 - 2 光电系统组成示意图 2 3 系统工作原理 当光栅副中两光栅相对叠合时，透射光就会形成有规律的干涉条纹， 这就是有名的莫尔( m o i r e ) 条纹，光栅测量主要是利用莫尔条纹来进行 的。莫尔条纹的形成，实际上是光通过一对光栅( 或称光栅副) 时所产生 的衍射和干扰的结果。由于作为计量用的光栅，它们的光栅常数般都较 大( 光栅常数d 入射光的波长 ) ，所以常用几何光学的方法来讨论光 通过一对光栅时的光学现象。下面按几何光学原理，根据光栅栅线间的遮 光关系，来解释莫尔条纹的形成过程。 光源发出的光线经准直透镜后变成平行光束，照亮接受区，由于两块 光栅盘问的相对移动，光栅盘等间隔的黑白刻线( 透光与不透光) 的相对 移动产生光强度周期性的变化。其移动过程和光强度变化如图2 3 所示。 光栅盘移动一个刻线间距，光量度变化一个周期，光量变化曲线如图 2 4 所示。 南京理工大学硕士学位论文 系统总体设计方案 屯宅季i 亢葺 指示连斯 主光翻_ | 盘 ，笸直透筑 黄源 、0n l 1 。j 、一一 一】口 i i 】巳l 。、麟量避 爸重量c ( 申问艟 重茧鱼生鑫就量 图2 3 光栅移动与光强变化示意图 光量 o bd 彤 扑间距 图2 4 光量变化曲线 根据实验证明，在理想的情况下，莫尔条纹是非正弦周期函数，并且 当狭缝宽度为a 2 w 2 时( 即指示光栅的透光部分) ，得到三角波，如图2 5 a 所示。但是在实际结构中，由于两光栅盘问隙的变化，光线的不平行 性和光的衍射作用，度盘面之间光的反射及光栅刻线的不均匀，实际得到 的光栅信号变化曲线为一近似正弦曲线，如图2 - 5 b 所示。 - 8 - 硒圃蕊 塑塞墨三盔兰堡主兰些笙苎 至丝璺苎兰! 互墨 0 o 匕逆讼 a 理想条件下光信号变化曲线 匕逆：! b 实际情况下光信号变化曲线 图2 - 5 光栅形成的正弦曲线 a 理想条件下光信号变化曲线b 实际情况下光信号变化曲线 光栅测量就是利用此正弦曲线，经过一系列处理，如整周期计数、细 分、辩向等，最终实现光栅相对移动的角度的测量的。 计量光栅是一种增量式编码的光学标准器，圆光栅是以栅距角1 l r 为 增量的编码器，其编码方程为： 妒= n l l c ，+ 6( 2 - 1 ) 式中巾一圆光栅的圆周角 n 一光栅的栅线对数 6 一不足一个栅距的小数值 由此可见，所谓光栅测量实际上就是读取相应的n 和6 的值。对于 n ，只需要将光栅相对移动所形成的光信号经光电转换器后形成的电信号 进行周期性计数即可获得。至于6 ，就需要经过细分来获得。如果栅距用 u 表示，n 为细分数，则细分的分辨力t 可表示 国 f = 则万= m i - 刀 塑塞里三查堂堡主兰堡垒苎 二型奎璺堂兰! ! ! ：显 图。 其中m = 0 、1 、2 、n 所以圆光珊的测量方程为： 矽= n + m r = ( n 力+ 埘) f ( 2 2 ) 根据此方程，我们设计出如下图所示数字式光栅测量系统原理方案 图2 - 6 数字式光栅测量系统原理方案图 光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和细分所需信号，然后分 别经整数编码电路和细分电路送入综合计数运算器中，( 其中细分电路和 综合计数运算电路都是由软件来实现的) ，最后，显示测量结果。这种方 案适用于高精度快速测量。 由以上原理方案，我们设计出了系统电原理框图如图2 7 所示 由于我们采用全圆周共有1 6 2 0 0 条刻线的圆光栅盘，所以，每一栅 距) 代表圆周角8 0 。，采用8 0 细分，则n = 8 0 ，可得1 = 1 一。所以，具 体角度测量值可由下式表示： q = 8 0 ”xn + q ；一qs ( 2 - 3 ) 其中n 一正弦波信号的周期数( 整数) q ；终点处不足整周期的小数 姨一起点处不足整周期的小数 塑室翌三盔兰堡主兰垡丝兰 一兰塑鎏生型型：i 兰茎 图2 7 系统电原理方框图 珙、级要经过细分才能求出。 我们采用硬件电路对波形处理，以实现辩向。此辩向电路可实现对 光栅信号的直接四细分。所以，我们对周期n 的计数主要通过辩向电路来 实现的，而且是每四分之周期产生一次计数。将辩向脉冲与微处理器的 中断相接口，正转时，使辩向脉冲去中断i n t o ，同时，角度值增加2 0 ”。 反转时，辩向脉冲使i n t l 中断，角度值减少2 0 ”。对于小于2 0 ”的角度 值，再由细分求出。具体辩向和细分将在下一章叙述。 塑塞垩三查兰堡主兰竺丝苎至竺璺苎兰! 立墨 系统工作原理：首先，对起始位置的信号数据进行采样并保存。然 后，转动光栅盘，在光栅盘转动的过程中，如果没有中断发生，则继续采 集当前的信号值，并将数据送入处理运算程序中进行计算、制式变换并显 示。一旦产生中断，那么，在中断服务程序中，对角度进行加或减2 0 ” 的运算，若是正转，i n t o 中断，角度值加2 0 ”。若是反转，i n t l 中断， 角度值减2 0 ”。在中断服务程序中，对此时刻的信号再进行一次采集并 保存，为下面运算提供信号极值。同时判断信号所处的区间，以备后面细 分时调用。如果光栅转动过快，a d 转换的数据来不及运算和显示，这时 以外部中断优先，一有中断立即执行中断服务程序，停止数据采集、运算、 显示。这样，在光栅转动过程中，微处理器将不断读取2 0 ”的整数倍角 度值送显示器显示，动态显示光栅位置的变化。当光学对准器正好对准测 量目标时，微处理器再采集最终时刻的信号值并保存，利用微处理器的信 号处理能力，采用软件细分、运算、制式变换等获得终点处角位移量，最 终送到显示器显示。如果需要存储，此时在外触发键的控制下，将自动存 储所有测量数据。当需要做功能运算时，只需要触发所需功能键即调入内 部功能软件进行各种功能处理，最终显示于显示屏上，或存储于存储器中。 以上是系统设计的原理框图和工作原理，其具体实现电路和功能， 将在第三章中详细叙述。 皇塞垩三查兰堡圭兰竺丝茎一型生鎏薹塑塑塑生! ! ! 坠 光电信号的采集与处理 3 1光栅读数头及其输出波形的处理 光栅读数头是将光栅光信号转换为电信号的部件，并以此信号为计 数和细分的原始信号。光栅读数头又称光栅发讯器。 3 1 1 光栅读数头的基本组成 光栅读数头由光源、照明系统、指示光栅、光学系统、光电接收元 件等五部分组成。如图3 一l 所示。 1 一光穗2 - - 黼明熏托3 一生光栅4 一指示光栅5 一接牧光学系统 6 一光电接收元件 图3 1 光栅读数头的组成 光源发出的光束经过照明系统后成为均匀的平行光照明主光栅。由 于主光栅和指示光栅的相对移动而输出交变的莫尔条纹信号。此信号经 光学系统会聚到光电接收器，并反应成莫尔条纹特征的电信号供光电计 数及细分用。 3 1 2 光栅读数头的分类 光栅读数头的形式很多。按结构布局特点分有直读式、分光式、镜 相式和调制型等四类。按光栅的工作条件分则有透射式和反射式两类。 按光栅的形式又可分为相位型光栅和振幅型( 黑自) 光栅读数头。本文 童塞墨三查兰堡圭兰堡兰兰 垄皇! 互兰塑墨兰皇! ! 坠 采用直读式光栅读数头。此读数头采用硅光电池为接收系统。此读数头 结构紧凑，简单，并且硅光电池性能稳定，安装固定方便。 3 1 3 光栅读数头信号的形成 在指示光栅的狭缝处设置了指示光栅，狭缝被平均分成了四个窗框， 窗框中刻有与主光栅盘间距相等的刻线，四窗框的刻线各相差四分之一间 距，形成每隔相位差9 0 。的四个指示光栅，在对应位置上安置了四个光 电接收元件( 硅光电池) d l d 4 ，四个指示光栅与光电接收元件的对应位 置如图3 2 所示 d 3d 4 d 1d 2 光电接收器位置 9 0 02 7 0 。 o 。1 8 0 0 指示光栅相位差 图3 2 光电接收元件和对应指示光栅位置示意图 即指示光栅： 0 “一d 1 光电接收元件 9 0 。一一d 3 18 0 。一d 2 2 7 0 0 一d 4 当光栅盘相互转动时，光电接收中将产生四个相位差9 0 。的电信号 i l 、1 2 、1 3 、1 4 ，由叭、d 2 产生的相位差为1 8 0 。的电信号1 1 、1 2 被同 时送入光栅读数头的放大器进行处理、合成，形成准正弦波信号( 因采用 塑宝墨三奎兰璺圭兰堡篁兰 垄皇焦兰墼圣量量丝些 差分放大，应消除直流分量和谐波分量) c p l 即s i nq 。由d 3 、d 4 产生的 1 3 、1 4 被同时送入放大器进行处理、合成，形成c p 2 即c o s q 。信号的放 大、处理过程如图3 - 3 所示。 厂1 _ 6 妊扭至广 ( 曲水平测角读教头电路( b ) 水平测角读数头输出波形 ( c ) 垂直测角读数头电路( d ) 垂直测角读数头输出波形 ( e ) 垂直测角零位光栅读数头电路 ( f ) 垂直测角零位光栅读数头输 图3 - 3 读数头电路及其波形图 空塞堡三奎兰堡圭兰堡篁兰 堂皇堡兰塑圣墨皇! ! 坠 以上讲述了光栅测量所需信号的形成及其波形图，光电信号采集和 处理就是基于以上信号和波形的。在以下各节，我将详细介绍对此信号的 采集与处理过程，以实现角度测量。 煳一 3 2 光电信号的采集 对莫尔条纹信号的采集通道根据细分方法的不同而不同。莫尔条纹 的细分方法有多种，具体分类如图3 - 6 所示 皇塞垩三查兰堡主兰竺兰奎；堂皇篁苎些墨叁主皇! 坠 i 1 7 妻室翌三查兰堡主兰兰笙苎 垄皇篁三竺墨苎量丝矍 莫尔条纹细分： 空间域位置细分 f 分化板和读数鼓轮直接对一个条纹进行测微 直接细分 四分透镜、裂相指示光栅、列阵光电池等 l 四倍频法 f 利用机械方法，移动指示光栅，直到对零表归零 零位法 即指示光栅的移动值即为测微值 l 利用光学测微器进行测微 时间域相位细分f ： 位相细分 幅值细分法 机械扫描法 电扫描法 图3 - 6 光栅细分方法分类 本文采用硬件辩向和软件数字细分法，所以信号采集通道应该由两 部分组成，即整数周期数的采集和小数的采集。同时，由于我们采用波形 处理和辩向技术，可将整周期数的计数转化为四分之一周期数来进行周期 数的采集。具体信号采集过程如图3 7 所示 图3 7 光电信号采集系统原理图 由上所示，整周期数是经过波形变换和辩向电路将正转的四分之一 周期数脉冲与微处理器的中断i n t o 接口，只要正转四分之一周期，就会 童童矍三查兰堡圭兰竺丝兰 垄皇堡兰塑墨兰皇! ! ! l 出现一个正转脉冲使i n t o 中断一次。将反转脉冲与i n t l 接口，只要反转 四分之一周期，就会有一个反转脉冲使i n t l 中断一次。每一次中断代表 角度转过2 0 ”。对于不足四分之一周期的信号，首先，将信号送入a d 转换器中变为数字信号，再利用微处理器的数字处理能力，采用软件对莫 尔条纹进行数字细分，然后用软件进行计算、制式变换、查表等方法，获 得不足四分之周期信号的小数值。这种数字细分是以空间域直接细分为 基础的。以上所述为系统光电信号采集过程。 3 3 光栅运动过程的辩向与计数 光栅信号的光电计数是实现光栅动态测量的关键性步。因为光栅 信号的数字测量必须要经过脉冲计数电路才能转化为数字信息输出，因 此，在光栅的动态测量中，必须掌握光栅信号的光电计数原理。下面以光 栅的光电计数电原理框图3 8 为线索，从计数脉冲的形成和测量运动方向 的判别两方面入手，具体说明此光电计数原理 图3 - 8 光栅信号计数电原理框图 3 3 1 计数脉冲的形成 由图3 一b 可以看出，光栅信号经读数头进行放大处理后，形成相位 1 9 妻室堡三盔兰堡圭兰竺兰兰 = 望垫鍪塑塑塑璧鍪! 矍置 差9 0 。的两路正弦波信号，分别对此两信号进行整形、反向、微分处理( 也 可用单稳态电路实现) ，形成判向电路所需的所有波形，然后经判向电路 进行波形处理、组合，获得计数脉冲信号。当光栅正转时，形成的计数脉 冲为加法计数脉冲，使c p u 的i n t 0 中断，角度自动加上2 0 ”。当光栅 反向转动时，形成的计数脉冲为减法计数脉冲，使c p u 的i n t l 中断， 同时角度值减去2 0 ”。 3 3 2 光栅运动过程的辩向及四细分 由于所有光栅式测量系统都是增量式，因而为了对光栅移动进行辩 向，所有的光栅测量系统都必须使用两个以上的光源一探测器对，并从此 读数头中获得所需要得判向信号。从上面的光栅信号计数电原理框图中可 以看到，读数头输出的相位差9 0 0 的两正弦波信号正是判向电路所需信 号。具体判向电路如图3 - 9 所示。 由辩向电路可得： q = 撕v 4 + 屹v l + g v 2 + q 2 v 3 q = v 2 + 毪b + q v 4 + q v 1 q 。= _ l q ：= 瓦 v 。、v ：、v 3 、v 分别为“l 、“：、q ，、q ：的微分信号( 也适用于单稳 态信号) q + 与i n t o 接口 q 一与i n t l 接口 其各点波形如图3 1 0 所示。 窒塞堡三盔兰堡圭兰堡鎏苎 垄! 堡呈整圣苎主皇! 墅 图3 - 9 辩向电原理图 由图3 1 0 可知，正转时只有q + 有信号，而q 一没有。反转时只有q 一 有信号，而q + 没有。所以实现了运动光栅的辩向。此辩向电路不仅实现 了运动的辩向而且还实现了莫尔条纹的四细分，使计数脉冲实现了2 0 ” 的计数，而不是整周期每8 0 ”的计数。 童曼翌三奎兰竺圭兰生丝兰垄皇篁兰墼墨塞皇竺墨 u u 2 u l u 2 v 3 厂 厂w 厂 厂 厂 厂啦i 厂 厂 f 厂 厂舢 厂 厂 v 一”l 产 j 怕 厂牛 上 w 卜i h| 心，h 川，z k| u 2 ，。 卜、| v z l卜 u 2v 。 f 卜 v | l 他v ， | 铲| 卜卜l 卜 q + = u 1v 4 + u 2v 1 + mv 2 + a j 2v 3 q u 1v 2 + u 2v 3 + u l v 4 + u 2v 1 正转 图3 一l o 辩向电路各点波形图 2 2 反转 空室墨三查兰璺圭兰竺丝苎。2 塑堑鲨塑里型叁：! ! ! 坠 3 4 光栅的数字细分 由上一节获得的计数脉冲只是光栅莫尔条纹信号大于四分之一周期 的整四分之一周期数，即大于2 0 7 的移动量的2 0 ”的整倍数。对于小于 2 0 ”的移动量，只有通过细分来实现。细分的方法有很多，如3 - 2 节中 所列。根据其工作原理，细分又可分为如图3 - 1 1 所示。 细分法 电子细分法 硬件细分法 软件细分法 光学细分法、机械细分法 幅度调制细分 乘法倍频细分 幅度分割电子细分 相位调制电子细分 光源调制电子细分 图3 - 1 1 光栅的工作原理细分法 光栅信号电子细分的目的是为了将栅距分成n 等分。电子细分与光 学细分、机械细分的区别在于，前者是从时间域上通过相位信号的测量 达到细分目的的，而后者则是从空间域上对测量信号进行细分的。实现 空间信号到时间信号的变换的手段就是光电转换。因此，也有将电子细 分法理解为经过光电转换的各种光学机械细分法。光栅信号用硬件进行 细分的各种方法己得到广泛应用。如直接细分法，其电路简单，对信号 无严格要求，可用于动态和静态测量，但细分数不高。幅值分割法，其 电路复杂，精度较高，信号波形与幅值变化对精度影响较小，细分数较 大，也可用于动态和静态测量。由此可得，当要求细分数较高时，若仍 用硬件电路来实现细分，则电路较复杂，用纯硬件来实现细分显然是不 适用的。由于微处理技术的蓬勃发展，利用微处理器进行处理、运算， 用软件来实现电子学数字细分的方法也应运而生。 童窒堡三查兰堡圭兰堡丝兰竺竺兰塑里墼兰：丝生 由于系统采用微处理器作控制和处理，它具有运算和逻辑功能，可 以用来完成细分，从而简化了仪器硬件电路的结构，增强了仪器的功能， 提高了仪器的精度，而且微处理数字细分具有以下几个特点： ( 一) 对不同细分数要求只需要改变软件，并不会增加硬件的复杂性。 ( 二) 便于利用微处理器作误差修正。 ( 三) 抗干扰性好。 ( 四) 适用于高细分数的静态测量和动态测量。 目前光栅计量的软件细分方法有：正切查表法、直接细分法、斜率 陡峭切割法等。这几种细分法均没有考虑信号的线性问题，引入的细分 误差较大。本文正是考虑了信号的线性问题，采用由读数头输出的相位 差9 0 0 的两路正弦信号去构建一新的线性函数的方法( 今后将此方法命名 为新构三角函数数字细分法) ，用查询表的方式获得细分后的最小读数 的。下面将具体描述此细分原理。 光栅测量系统输出的信号，不管是理论上的三角波，还是实际上的准 正弦波，在一个周期内是和光栅的空间位移量是一一对应的，所以只要 能测出输出信号的大小和方向，就可测出该时刻光栅副间的相对移动量。 这种直接从输出信号的大小和正负来求出光栅副间相对移动量的办法是 容易想到的。对于线性函数，这种办法十分简洁明了，并且具有相当好 的测量精度，但可惜光栅测量系统实际输出的是一个非线性的信号，其 中除了基频信号外，还会由各次谐波分量。并且各谐波分量的大小还随 光栅测量系统的使用情况而交化。这样一来，直接从输出信号的大小和 正负来推出位移量的办法就会带来难以控制的误差。用差分放大、滤波 的办法，从光栅测量系统的输出信号中滤去各次谐波，只保留基频成分 s i l ie 和c o so ，再根据s i no 和c o se 的大小和正负，用查表的方法来求 出。也难以使用。因为正余弦函数在极值( + l 和一1 ) 处函数随。变化很 小，这样会使整个仪器的测量灵敏度降低到不能使用的程度。我们留心 观察了正余弦函数发现，s i no 在9 0 。、2 7 0 0 处灵敏度最差，但c o se 在此 处灵敏度最好，所以我们采用了一种新的方法，即利用s i ne 和c o so 来 童塞堡三奎兰堡圭兰堡篁苎 = ；坠坠垦兰墼至苎：! ! ! 墨 作一线性函数使之具有恒定的灵敏度，并由此函数的大小和正负，可以 获得0 的值。于是我们采用将s i no 和c o s 0 送入a d 转换器进行模数转 换，然后用软件编程的方法，利用s i n 0 和c o s0 的数字量构建新的函数 的数字量，并利用此新函数在软件上做二十细分。新构函数为： “= i s i n p i i c o s 护i ( 3 1 ) 其波形示意如图3 1 2 。 念n 么八澎 图3 - 1 2 线性函数的合成 s i n o i - i c o se | 由图3 - 1 2 可见，新建函数u 在0 0 - 9 0 0 、9 0 0 _ 1 8 0 。、1 8 0 0 _ 2 7 0 0 、2 7 0 。- 3 6 0 0 四段区间内为四段线性函数，而且四段线性函数的灵敏度相同。又由辩向 电路可知，在0 0 、9 0 0 、1 8 0 。、2 7 0 。等处均产生了辩向脉冲，使微处理器 产生了中断。所以我们根具中断以后信号的大小和正负，判断线性函数所 处的区间段，然后用查表的的方式，实现光栅信号二十细分。首先实现查 询表的编制。表格越大，细分数越大，光栅得分辩力越高。但是表格划分 的越细，就要求微控制器的内存越大，因而就要求微控制器的位数越高， 这是其一。其次，表格中数据越多，c p u 需要访问、比较的数据越多，运 算量越大，因而也就要求微处理器的运算速度越快。实际上c p u 系统的存 储容量的大小和工作频率的高低决定了细分数的大小。因此，在制表时， 首先要考虑信号的特点。由于线性函数的所有信号段的灵敏度相同，所以 童塞兰三查兰堡主兰堡笙兰 苎皇堡三墼圣叁圭! ! ! 矍： 编制查询表时，只需要作其中一段函数的表，其余各段做相应的变换即可 获得。如果作0 0 - - 9 0 。区间的查询表，只需要将0 0 - _ 9 0 。区间线性函数的 标准值平均分成二十等份列于表中，其中每一分代表1 ”读数。这样就能 满足设计要求。用采集到的信号值经新构建后的函数的数字量去表中进行 查询，以获得最终小于2 0 ”的读数值。如果用n 表示最终信号采样值所 构建新函数的数字量所对应的角度值，那么，同样数字量在不同区间在正 反转的情况其角度值有所不同。正反转信号波形及新构建函数波形如图 3 1 3 所示。 7 n 7 x o 赵 ( a ) 夏腰转的情况 多颓，4 ，j 1 1 一 心立乏：x ( b ) 正厦转的情况 图3 - 13 正反转信号波形及新建函数波形 由此可得，正反转在不同区段的同一采样值所对应的角度值o 列 于表3 2 中 查窒些三查兰堡圭兰堡篁奎 垄皇堕三塑圣兰兰些矍 正转 反转 信号 信号 n 0 n 0 7 s i n0c o s0 s ir l e c o s0 o 0 0 a o 0 0 0 02 0 ”一o 2 0 0 a2 0 o 3 02 0 ”一o3 0 02 0 ”一。 表3 2 这种细分方案是利用判别区间和查询表实现细分的，没有细分计数 脉冲，因而也就没有丢失脉冲的问题。采用两路信号构建一新的线性， 可以消除灵敏度不均造成的细分误差。采用查表方式也减少了微处理器 的运算时间。通过简单的操作，可修改微处理器程序，以实现细分数的 改变和其它测量功能。 总结以上的细分原理可知，将光栅读数头输出波形进行处理、整形， 再经辩向电路实现莫尔条纹四细分计数。后再经软件细分，将四细分后 的信号进行二十细分，使最终细分数达到八十细分，精度达1 ” 3 5 零位光栅系统 普通的光栅在计量过程中都是以增量的形式反映位移量的大小。在 测量时零位可任意确定。因此，每次测量各有其不同的零位。如果在测 量过程中遇到停电、停机、或中断运行等意外事故，会使前面所得的结 果全部丢失，需要重新确定零位并重复以前的测量，工作才能进行下去。 为了克服增量式光栅的这个缺点，发展了一种零位光栅系统。 童塞矍三叁兰堡主兰堡丝兰 兰皇堡兰墼墨叁兰! ! 坠 标尺和度盘从刻线的排列规则来看，它们都是属于增量式编码系统。 如果只看刻线，它们也没有固定的零位。标尺和度盘作为目视测量的标 准器使用时，可在刻线的一端刻上数字用来表示固定的零位和间隔绝对 值，从而使增量式标尺和度盘具有绝对值读数的优点。但是，一般的光 栅信号电子装置不具备识别数字字符的能力，因此不能采用在普通光栅 上加数字字符的办法来进行绝对值测量。使增量式光栅具有让电子装置 识别零位标记的可行办法，是在光栅刻线外再刻制组零位栅线，使它 与主光栅上的某一位置相对应，作为主光栅的固定零位。这就相当于光 栅在测量中具有绝对零位的功能。 从原理上讲，只要延长主光栅中某一刻线或透光狭缝，就可作为零 位标记，由单独的光电接收和电路处理后成为零位信号。但是，只有当 光栅的栅距足够大，使接收的光电信号也足够大，而且在零位精度要求 不高的条件下，这种方法才有使用价值。可是一般光栅栅距都很小，因 此单缝零位的光能量太弱而无法工作。若采用多缝等宽的光栅，虽然光 能量问题得以解决，但输出信号在理论上为宽底的三角波，实际上近似 为正弦波。所以输出信号不是尖脉冲，零点位置不易正确判别。为此需 要找出种多刻线且输出为尖脉冲编码的零位光栅系统。 实际上，零位光栅一般多采用非等间距和非等宽度的黑白刻线，如 图3 1 4 所示。 图3 一1 4 带零位光栅的列相指示光栅示意图 其刻线分布可归结为求解自相关函数方程的问题，这里不作祥述。 童塞呈三查兰罂圭兰簦丝兰 垄皇堡三墼圣苎主竺兰 假如一对零位光栅作相对移动时，其光通量f ( x ) 随位移变化的规律符合 图3 1 5 所示曲线，则光栅的零位对准度将很高。 图3 1 5 零位光栅的典型光通量曲线图 由图3 - 1 5 可见，当光栅处于零位时，狭缝将透过最大的光通量，而 在偏离零位时光通量将很快下降，所以该零位光栅具有很高的零位对准 度。设计零位光栅时光通量f ( x ) 应具有如下特征： ( 1 ) 要求零位信号是一个尖脉冲，并尽量增大零位脉冲的峰值。 ( 2 ) 尽量减小最大残余信号的幅值 ( 3 ) 考虑到光栅的正反向测量，应使光通量函数对称于零位脉冲 的原点。 塑室墨三查兰堡圭兰堡丝兰l 登型型暨墅i ! ! ! ! 旦 4 系统优化设计和调试 4 1 系统优化设计 系统优化设计是系统设计的关键步骤。它关系到整个系统是否能正 常实施，能否完成设计指标，以及系统是否能正常工作等。在进行系统 优化设计时，既要考虑系统工作原理，系统结构特点，又要考虑设计是 否能实施等问题。本系统的设计原则本着：操作灵活、便捷、体积小、 重量轻、便于野外作业等。所以在系统设计时要考虑诸多因素。如器件 的优化、微处理器的优化、基准电源的优化、原理方案的优化以及系统 可靠性等。下面就优化设计的诸因素加以论述。 4 1 1 系统所需元器件的优化 元器件的优劣，直接关系到系统能否正常工作。所以，元器件的优 化成了电子工程师所最关心的问题。由于系统体积小、重量轻、又便于 野外工作，所以，首先要考虑到元器件的大小、封装形式以及元器件的 功耗。所以，我们在选择元器件时，首选微功耗且体积小的表面帖装器 件。我们在模拟板的电路设计中全部采用微功耗表面贴装器件，而且采 用单电源宽电压范围供电。在系统板和读数头以及辩向电路设计中，我 们也都采用微功耗小封装器件，而且可在较低供电电压下正常工作。下 面就几个典型器件加以所明。 ( 1 ) l m 2 9 0 l 此集成块由四个独立的、不超过2 m y 失调电压的精密电压比较器构 成。电路设计为单电源宽电压范围工作。即使供电电压低于6 v 也能正常 工作，而且其共模电压范围包含地，微功耗。此电路能直接与t t l 和c m o s 电路接口，适宜用电池供电，供电范围为2 v 一3 6 v ，低输入偏流( 2 5 n a ) ， 低输入失调电压( 5 n a ) 时的输入失调电压( 3 m v ) 。此模块在模拟板中 的典型应用电路如图4 - l 和图4 2 所示。 塑塞罂三盔兰堡主兰堡丝兰 墨竺业兰生翌墨茎! ! 立 图4 11 2 皿9 0 1 典型的比较器电路 q 均- 图4 21 2 m 2 9 0 1 的双限限幅器电路 ( 2 ) l m 2 9 0 2 此集成块由四个独立的高增益的具有内部频率补偿的运算放大器组 成。该放大器在单电源时，电源电压范围为3 v 一3 2 v 。输入共模电压包括 地，输出电压摆幅也包括地，适宜电池供电，微功耗，直流电压增益为 1 0 0 d b 。工作频带为i m h ，低输入偏流( 4 5 n a ) ，低输入失调电压( 2 m y ) ，低 失调电流( 5 n a ) 。其在电路中的典型应用如图4 3 和4 - 4 所示。 图4 3 直流电压踞随器 塑室型三盔兰望圭兰垡笙苎 至竺垡些茎生塑墨丝! 里立 图4 4 直流电压放大器 ( 3 )微处理器及a d 转换器的优化 微处理器和a d 转换器是信号处理和数字化软件细分的关键器 件。由于系统要求体积小、功耗低、多功能、方便快捷等，所以在选择 微处理器和a d 转换器时，我们尽量选择内部带a d 转换器的多i o 口 的器件，而且必须功耗小，8 0 c 5 5 2 正好满足这方面的要求。 8 0 c 5 5 2 单片机内部带有8 1 0 位a d c 部件，而且具有6 个i o 口， 此6 个i o 口都具有多功能其中矗、b 、只与8 0 5 1 单片机相同，p 。、 p 。、p 。均具有第二功能。由于这些特殊功能，给系统设计带来了极大的 方便，进一步促进了智能仪器小型化、高性能的发展。 8 0 c 5 5 2 内部具有一个多路模拟开关电路，一个1 0 b i t 逐次比较型a d c 电路和两个相关的专用寄存器。多路开关用来切换模拟输入通道a d c 7 一 a d c o 八路模拟输入信号中某一路信号进行a d c 操作，由a d c o n ( 地址为 c 5 h ) 中低3 位即a d c o n o 、a d c o n l 、a d c o n 2 三位编码进行选择。这种方 法与单独a d c 选择是一致的。它的a d 转换器有自己独立的模拟电源引 角和模拟参考( 基准) 电源引角( a v r e f + ，a v r e f - ) 。转换一次需要5 0 个机器周期。 启动a d 转换器的操作是通过对特殊寄存器a d c o n 的访问来实现 的，而且必须使用字节寻址。转换结果的高8 位保存在特殊功能寄存器 a d c h 中，而低2 位保存在a d c o n 6 和a d c o n 7 中。要读取a d 转换数据高 8 位，只需访问a d c h 即可。a d 转换结束时，会自动产生一位中断标志 位，该中断标志在中断服务程序中用软件清零。此8 0 c 5 5 2 单片机的外型 南京理工大学硕士学位论文 系统优化设计和系统调试 引角图如4 - 5 所示 图4 5 $ 0 c 5 5 2 单片机外型引角圈 图4 - 6m a x 8 7 s ) - 型引角圈 ( 4 ) 电源的优化 由于8 0 c 5 5 2 的a d 转换器有两个参考电压输入端r e f + 和r e f 一这两 个电压的设置对a d 转换的精度有很大的影响，所以，我们在设计时应 该考虑此电压的优化，以期提高 d 转换精度，也就是提高系统精度。 a d c 的转换结果与输入参考电压的关系为： a d c 结果= 2 1 0 u ，一r 矿( 一) r 卅- 二i “1 a d c 的转换结果为0 0 0 h 时，a d c 的转换