（光学工程专业论文）绝对式线位移光栅传感器的研究.pdf

摘要 绝对式线位移光栅传感器，是一种集光、机、电为一体的数字测线位移装置，是 以高精度计量矩形光栅为检测元件，通过光电转换将直线位移转化为电信号，通过比 较、放大、整形、校正、细分、译码等处理后和计算机相连可实现动态检测和实时控 制。本文提出了一种新型的编码方式，得出直线位置和编码一一对应的编码，并运用 b p 神经网络实现了译码；为了提高测量精度对增量光栅尺的输出信号进行细分，细分 后精度可达到3um ；以编码尺为核心设计了照明系统，确定了以线阵c c d 为接收元件 的接收系统，设计了满足c c d 要求的成像光学系统；针对c c d 输出信号进行了滤波、 相关采样、差分放大、微分等处理，实现了信号的采集与数据处理。 关键词：光栅传感器编码方式b p 神经网络 a b s t r a c t t h ea b s o l u t el i n ed i s p l a c e m e n tg r a t i n gs e n s o r i ti sad i g i t a lm e a s u r e m e n td e v i c ei n w h i c ho p t i c s ，m e c h a n i c sa n de l e c t r i c i t ya r ei n t e g r a t e d w i t hp h o t o e l e c t r i c a lt e c h n o l o g y , t h e p h y s i c a lm e a s u r e m e n t sl i n ed i s p l a c e m e n ta r et r a n s f o r m e di n t oe l e c t r o n i cs i g n a l t h es i g n a l i ss e n tt oc o m p u t e rt oa c c o m p l i s ht h ed y n a m i c sm e a s u r e m e n ta n dr e a lt i m ec o n t r o l b y c o m p a r e ，m a g n i f y , p u l s e - s h a p i n g , c o r r e c t i o n ，s u b d i v i s i o na n dc o d i n g t h ep a p e rm a k eo u ta n e ww a yo fc o d i n g ，a n dd r a wo n e m a p p i n gc o d eb e t w e e nt h es t r a i g h tl i n el o c a t i o na n dc o d e ， a n du s eb pn e u r a ln e t w o r kt or e a l i z et h ed e c o d i n g ；i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y , t h eo u t p u ts i g n a l so fi n c r e m e n t a lg r a t i n gi ss u b d i v i d e d t h ea c c u r a c yo fg r a t i n gg e t t 0 3 “m ；t h ep a p e rd e s i g ni l l u m i n a t i o ns y s t e mb a s eo i lt h ec o d i n gr u l e r , a n dd e t e r m i n et h e r e c e i v i n gs y s t e mb a s eo nl i n e a ra r r a yc c d ，a n dd e s i g ni m a g i n go p t i c a ls y s t e mw h i c hm e e t t h er e q u i r e m e n t so fc c d ；t h eo u t p u ts i g n a l so fc c di sd e a lw i t hf i l t e r i n g 、i n t e r r e l a t e s a m p l i n g 、d i f f e r e n t i a la m p l i f i c a t i o n 、d i f f e r e n t i a l ，a n da c h i e v et h es i g n a la c q u i s i t i o na n dd a t a p r o c e s s i n g k e yw o r d s ：孕啦跚n s o ro o d i n gm e t h o db pn e u r a ln e t w o r k 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，绝对式线位移光栅传感器的研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名! j 生笙窿z 猕立月倚 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名j 垒型乞珥年上月缓同 指导导师签名： 3 月埘 第一章绪论弟一早三酉化 1 1 课题背景 当今世界线位移测量技术的发展和新型位移传感器的研制，将线位移测量技术在 高精度检测、加工及其它领域中的应用推向一个新的高度。现代光栅线位移测量技术 是光学传感技术中最基础最先进的精密测量技术，它以光栅为线位移基准，进行高精 度测量，在位置测量领域具有不可替代的作用，且使用越来越广泛，它的应用和发展 对于国民经济、国防建设和科技进步都具有重要意义。 目前，精密光栅线位移测量系统普遍采用增量式光栅测量系统，以高精度计量光 栅或码道为检测元件，通过光电转换将直线位移物理量转换为电信号的位移传感器， 输出信号通过计算机处理后可实现动态检测和实时控制。通常，光电线位移传感器由 数据采集和数据处理两部分组成。数据采集部分由光栅付、发光元件、光电接收器组 成。其中狭缝固定不动，码道移动，与狭缝相重叠形成莫尔条纹被光电接收器所接收。 码道移动一个栅距，莫尔条纹移过一个间距，光电接收器发出一个信号，由此，便实 现了对输入位移量的转换。光电接收器将狭缝对应位置的码道图案变换为一组光电流 送至信号处理电路进行放大、整形、细分、校正、译码等处理后，计算出码道的相对 位移量，最后形成线位移的数字代码输出。实现了对线位移的测量1 1 刮。基于该技术的 数控系统、加工中心及测量仪器等高精度加工、检测都需要上电“寻零”，确定加工或 测量基准点问题，且在工作过程中产生的干扰引起的丢数现象，常常产生位置误差， 因此对系统及环境可靠性要求较苛刻。另外经常“寻零”过程也会降低加工、检测效率， 由于“零位”一般在系统极限位置附近，随着位移增加，系统误差也增加，工件累计误 差会不可避免地转移到加工和检测过程中。任何补偿、修正措施都是基于“零位”进行 的，这是增量光栅普遍存在的主要问题。 本文提出一种新编码机制( 伪随机码) ，从编码原理上实现位置信息编码的唯一性， 实现线位移检测的绝对测量。该编码与增量光栅码道制作工艺相同，采用传统刻划、 复制技术完全满足绝对式尺的技术要求，位移增加通过二进制编码位数增加来实现， 可以达到任意长度等精度工艺要求，克服长度增加带来的累计误差。位移误差补偿是 基于绝对位置进行的，因此系统标定可以通过对绝对尺标定来完成，与增量式光栅制 作相比，对制造工艺( 刻划、复制) 要求大幅降低；精度检测由制造者在出厂前进行， 提高了后续工艺效率；对使用者的调试工艺、专业素质要求大幅降低。基于该编码机 制的绝对式线位移光栅传感器即使中途断电也可以在再次上电时立即获得当前的绝对 位置，可以使检测工艺连续进行。 1 2 国内外光栅尺发展现状 当前，世界上研究和生产光栅尺的厂家主要有：德国的h e i d e n h a i n 公司、o p t o n 公司，英国r e n i s h a w 公司，西班牙的f a g o r 公司，美国的i t e k 公司，以及日本 的尼康、佳能公司，三丰公司。其中德国的h e i d e n h a i n 公司生产的光栅尺的分辨率 高达l n m ，精度高达士0 1 9 m ，测量长度已超过3 0 m ( 玻璃类光栅尺从7 0 m m 到3 0 4 0 m m ， 钢带光栅尺从4 4 0 m m 到3 0 m ) ，且光栅尺的测量精度不随测量长度的增加而降低，还 可以按用户要求制造3 0 m 到1 0 0 m 的光栅尺。 对于传统线位移光栅尺，它们的编码机制普遍是增量式编码，因此存在以下问题： 其一，根据其光学和电学原理，由于需要标尺光栅( 主光栅) 和指示光栅( 副光栅) 相对移动才能产生莫尔条纹，这就决定了光栅尺的光学和机械装调工艺很复杂；其二， 光栅尺的分辨率与刻划对数以及细分技术有关，要想提高分辨率，只能增加刻划对数 或提高细分倍数，但在增加刻划对数的同时又要保证码道刻划均匀性，难度很大，而 均匀性又直接影响着线位移光栅尺的分辨率以及精度；另一方面随着刻划对数的增加 透过光线狭缝的光强也会减小，同时带来不稳定因素，这将对光电转换用的读数器件 提出更高要求，增加系统成本，降低了系统的可靠性；其三，基于莫尔条纹的线位移 光栅尺每次上电都需重新寻找零位，确定初始位置，一旦掉电，位置信息将会丢失； 其四，传统线位移光栅尺，是靠计量莫尔条纹的个数来测量位移，位移测量过程中因 干扰、运动速度过快等原因常常产生丢数现象。 19 9 7 年h e i d e n h a i n 推出了基于七码道的绝对式线位移光栅尺【”】，测量分辨率 从1 岬到0 1 p m ，准确度士5 哪、- 4 - 3 9 m ；2 0 0 0 年后又推出l c 4 8 1 绝对式线位移光栅尺， 在标尺上只设了两个码道，一个是增量码道栅距为2 0 9 m ，另一个是绝对码道，最大测 量长度为2 0 4 0 m m 。同本三丰( m i t u t o y o ) 公司2 0 0 3 年也推出用于反馈系统的绝对 式线位移光栅尺a t 5 0 0 系列，在标尺上采用了三个码道，中间是增量码道，栅距为 2 0 9 m ，两边为绝对码道，测量分辨率为o 5 9 m 和o 0 5 1 a m ，准确度为+ 3 9 r n + 5 9 m ，最大 测量长度3 m 。西班牙f a g o r 公司在2 0 0 4 年7 月也宣布有绝对式线位移光栅尺，在 标尺上有两个码道，一个是增量码道，栅距为2 0 1 a m ，另一个是绝对码道。f a g o r 的 绝对式线位移光栅尺有两个系列，s a s v a 系列测量长度从1 4 0 m m 一2 0 4 0 m m ，g a 系 列测量长度从1 4 0 m m - - - 3 0 4 0 m m ，分辨率为0 11 t m 。 国内早在2 0 世纪六七十年代，我国就开展了光栅线位移测长方面的研发工作，主 要集中在长春光学精密机械研究所、浙江大学、成都光电所、南京天文仪器厂，还有 北京超精细工程研究所、北京标普纳米测控技术股份有限公司、北京机床所等单位。 其中长春光机所于1 9 9 8 年研制的增量式激光光栅微位移传感器，测量精度达n + o 1 微 米。北京超精细工程研究所下属北京莱格超精光电研究所生产的增量式线位移光栅在 量程、精度、分辨率等主要技术指标在国内处于领先水平，整机达到国外同类产品水 平。测量精度：+ 5 + 5 l 1 0 0 0 p m ；北京标普纳米测控技术股份有限公司生产的测长产品 的数显分辨率最高达到了0 0 0 1 9 m ，最大示值误差为士0 1 p m ，计量线位移光栅密度达 到每毫米1 0 0 0 线( 透射光栅) 。以上产品都是增量式光栅尺，虽然长春光学精密机械 与物理研究所等单位已经研制出了绝对式轴角编码器。 2 1 3 线位移光电编码码道的分类 ( 1 ) 增量式光电线位移编码码道，其核心元件为矩形光栅，如图1 1 所示，它是 由等间隔的刻线组成，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲，计数器相对于 基准位置( 零位) 对输出脉冲进行累加计数。正向移动则加，反向移动则减。由于该种编 码矩形光栅图案的线条间距均一，编码比较容易，因此刻制该种矩形光栅的图案相对 来说比较容易实现，具有易于实现小型化、响应迅速、结构简单等优点，缺点是受到 环境因素影响较大，如突然断电或干扰后容易造成数据丢失或增加，出现误差，并具 有积累现象。 一| | 图1 1 增量式光栅码道 ( 2 ) 绝对式矩阵编码1 6 1 ，其编码码道如图1 2 所示。它是将整个尺条分成若干个 距形区间，每个区间刻有不同位数的码道，即把若干位排列在同一码道上，然后用若 干个读数头读取矩阵编排的电信号，经矩阵译码处理成与传统编码码道相同的二进制 循环周期码。这样的编码方式大大减小了码道数，继而缩小结构尺寸和实现结构尺寸 小的高位绝对式线位移传感器的目的。但由于该种编码码道的若干位排列在同一码道 上，因安装问题造成码道间位置误差量要比传统编码码道大得多。除此之外，电源和 读数头也较传统编码码道的多，电路部分增加了矩阵译码，使得结构比较复杂，装调 较困难。 e 叫 1 2 器菇 幽a 9 黾复 ( 5 b 1 b2a j 1 2 - - _ 一 _ _ 一_ 12 ；567891 0 1 21 1 6 一- _ _ _ _ 一 ) 123 56 7891 0 1 z 1 41 6 - 一l _ ) 123 567891 0 1 2 1 1 6 - 一_ 012345 6 81 21 6 _ 一一- - _ 一一_ - 一 12 j 567a9 1 q 21 1 63 2 1 二f1 二j1 二j1 二j 一_ i i 123567 图1 2 绝对式矩阵光栅码道 ( 3 ) 绝对式光电编码码道，其核心元件为编码码道，如图1 3 所示，它通常采用 二进制码编码方式将线位移信息以代码的形式刻制而成，是由按一定规律排列的刻线 组成，每对应一个位置有唯一的二进制或其它进制编码，因此在不同的位置，可输出 不同的数字代码，经处理后输出的线位移代码是线位移的单值函数。码道具有固定零 点、抗干扰能力强、掉电后再启动无须重新对零、无累积误差辞优点。 衄 图13 绝对式光栅码道 1 4 本论文主要研究内容 通过对目前编码码道的编码方式及编码原理进行分析，探索编码机理，提出适合 易于提取信号和电子细分，实现光电线位移传感器小型化、结构简单化的一种新型的 编码方式，以证明浚种编码方法的正确性和绝对式光电线位移传感器原理的可行性。 主要研究内容包括： ( 1 ) 推导出编码的数学模型，并在计算机上进行仿真，验证数学模型的j 下确性： 采用二进制编码首码平移来实现是一种新的编码原理，通过计算机模拟计算出了 2 l 位编码模型，建立绝对式线位移光栅编码的数学模型，从理论证明了绝对位置数字 编码的唯一性。 ( 2 ) 运用人工神经网络b p 算法实现绝对码值的译码：经过读数头得到编码尺或 光电接收器状态代码，其代码运用人工神经网络b p 算法，得到译码的数学模型，状态 代码经过数学模型实现译码。 ( 3 ) 对增量光栅尺的输出信号进行细分：四细分方法和时钟脉冲细分技术，并对 时钟脉冲细分方法进行了改进。实现光栅尺小数部分的测量。 ( 4 ) 按照绝对线位移光栅传感器对照明系统和光源的要求设计了绿光发光二极管 组作为光源，根据编码尺的测量要求选配了线阵c c d ，根据成像要求设计了成像光学 系统。 ( 5 ) 设计信号采集及数据处理系统。 最后，总结论文工作，并提出了下一步需要做的工作和需要改进的地方，为实现 该种传感器实用化做准备。 第二章绝对线位移光栅传感器的编码译码 2 1 绝对式线位移光栅传感器的编码 光电线位移光栅传感器的核心部件是矩形光栅码道，码道就是在光学矩形条上按 一定编码方式刻制有很多栅距不等或相等的矩形分布码道。增量式光栅传感器的码道 由黑白比相同( 或不同) 的亮线和暗线组成，由于无法给出线位移的绝对位置值，所以 编码相对比较简单。而编码的方式相对绝对式编码器来说可分为以下几种： ( 1 ) 自然二进制码由“o 和“i 组成，每一位都代表一定的数值，又称恒权 代码( 或不等权代码) ，通过读取矩形码道位置上的编码，便可知道光栅传感器的具体 线位移的大小。优点是组成的图案直观，无需转换便可以直接读出线位移大小；缺点 是这种编码在进位时常常是许多位数的数字同时变化，若一个码道不同时转换，容易 造成错码甚至造成十分大的错码。 ( 2 ) 周期二进制码也称循环码、反射码【4 2 1 ，因为是德国科学家格雷提出的，因 此又叫“格雷码 。它是由自然二进制码转换而得，而且任何数变到相邻的数时，代 码中只有一位数字发生变化，若读数时产生误差，也不会产生粗大误差，这是该种编 码的优点；另外，由于这种码各位数的符号不具有固定的数值含义，也称无权代码f 或 等权代码、l ，所以，缺点是不能直接读数，也无法运算，必须将它翻译成自然二进制 码才能进行读数和计算，由于译码方法简便，该种编码是目前应用最广泛的一种编码。 ( 3 ) 十进制码如8 4 2 1 码，余3 码。 ( 4 ) 六十进制码也称度、分、秒进制码。 ( 5 ) 绝对码简码它是在g r a y 码和m 系列绝对码的基础上进行设计的，由基码f 包 括滚动码和质码) 组成i l 引。由于质码在滚动( 即依次左移，左边的便被移至右边) 过程中 产生重复数，所以质码不能参与绝对简码的设计，但由该编码刻制的矩形光栅构成的 传感器仍需要和矩形狭缝配合提取信号，而且简码位数决定矩形狭缝上的狭缝数和光 电接收元件数，因此无法制作高位数的光电线位移光栅传感器。 ( 6 ) 正弦条码它是根据傅氏变换形式进行编码的，因为空间一输入信号f ( x ) 的傅 氏变换形式为，( 宇) ，当发生一段位移a 后，其傅氏变换形式为f f o + 口) 】= ，( 亭弦徊， 通过频率的位移前后的相位差o ) a 进行编码，通过图像传感器进行采样后经计算机处 理给出位移量。由于图像传感器的像元之间的间隙和刻线的黑白条纹的间隙重合时， 条纹的移动不会引起左右的像元输出变化，便会出现测量盲区，造成测量误差。 ( 7 ) 位移连续码它的编码方式为：1 1 位编码的第一个位置码是( n 1 ) 个o 的后面加 一个1 ，即0 0 0 0 0 1 ，1 1 个0 ，然后进行左移，将当前编码左移一位( 去掉最左一位) ， 然后先在最右端补0 。检查左移补0 后的新编码在前面的编码过程中是否出现过，即 新码是否是重码，若不是重码则将新码计入编码集合，然后再继续左移编码，若是重 码，则将新码的末位改为1 ，再进行左移编码。如果新码的末位己是1 ，并且是重码， 5 就要重新处理新编码的直接前趋位置编码，如此往复地左移编码直至2 n 个编码全部产 生。该种编码方式也可以说是格雷码的一种，但就是没有首尾相连，既没有全o 码， 在长度测量中还可以，但在角度测量中，可能会出现较大的测量误差。 通过对上述编码方式特别是格雷码的编码原理进行分析与研究，并在此基础上研 究一种新型的适合绝对式线位移光栅传感器的编码方式。传统的绝对式编码采用g r a y 码进行编码，为了获得绝对线位移位置，必须在矩形码道上放置和码道数相同的发光 元件和接收元件，要获得高位数的光栅尺，就必须增加码道，因此发光元件和接收元 件的数量也随之增加，使得结构复杂【1 1 1 。为了减少发光元件和接收元件，使结构简单 化，即把由码道位数组成的编码放置在一个码道之中，使得多码道码盘变为单码盘， 获取光信号的方法也摒弃传统的采用莫尔条纹的方法，而采用直接照射的方法，所以 接受元件也要采用新的器件。绝对式线位移光栅编码方法就是基于上述思想进行编码 设计的，具体的编码方式为： 编码组由0 和l ( 1 代表暗条纹，0 代表明条纹，二者单位宽度相等) 组成，每个编 码组由n 条线组成，n 为编码盘的位数。o 和l 的个数由设计的编码尺位数n 决定，n 位编码的第一个位置编码是n 个0 ，即0 0 0 0 0 0 ，并设置初始指针值。在初始指针值 小于2 “的前提下，对第一位的二进制值进行左移编码后末位加l ( 如0 0 0 0 0 0 0 1 左移一 次变为0 0 0 0 0 0 1 1 ) ，当左移n 次后，第n + l 位则为第n 位左移1 位后把末位变为o ，然 后第n + 1 位的值左移1 位后与2 n 进行比较，若大于2 n ，则第n + 2 位的值等于第n + 1 位的值与2 n 的差值，在该位置设置新的指针值，并与前面所得的值进行比较，若没 有重码，则按该算法计算第n + 3 位的值，同时第n + 2 位值便确定下来，若有重码，则 把初始指针的值赋予当前新设的指针，新设的指针对应的位数值加1 后按上述算法重 新进行算，直到所得的值没有重码为止，算法流程如图2 1 所示。按照该流程图，运 用v c 言进行可视化编程，最后生成2 n 个编码组，可视化界面如图2 2 所示，数据输 出文本如图2 3 。按照该编码原理在计算机上已实现了2 1 位编码模型的建立，并仿真 验证了j 下确性，下面以8 位码道为例做以图示说明。 6 图2 1 绝对式编码流程图 7 图2 2 绝对式编码可视化界面囤 镕e 哟i i q ) i 图2 3 数据输出文本图 ”坩坩”竹伸 2 2 绝对式线位移光栅传感器的译码 在绝对式线位移光栅传感器研究过程中，编码原理为系统的核心，并且编码值与 位置关系为单值函数，但是对应关系不具有规律性，不能直观的体现位置值，因此将 编码值译成与位置值具有规律的译码值。目前单值译码主要是查表法，将其原码、译 码一一对应的存入数据库中，使用时利用查表法实现单值译码。使用这类方法，解算 所用的时间较长，占用的资源太大。对此我们需要提出新的译码方法一一人工神经网 络【2 4 l 完成码道编码的译码，这样可以缩短运算时间、节省资源，大大的提高了系统的 处理速度。以8 位编码为例进行译码模型的建立，具体设计如下： ( 1 ) 神经网络模型 i2 ( 1 2 ，11 ) 图2 4 三层神经网络模型 根据光栅码道编码的特点，我们把编码值作为输入量，译码值输出量，建立一个 包含输入层、单隐层和输出层网络结构，如图2 4 所示。研究表明单隐层的b p 神经 网络可以以任意精度逼近函数，而在较简单的计算中，增加网络层数并不能提高计算 精度，反而会增加计算量，导致网络训练时间的不经济。因此在这里选择的是单隐层 前馈网，即三层b p 网络。在隐层结点数的选取上，目前并没有一个统一的计算方法。 但隐层结点数过少，则网络收敛过慢达不到精度的要求；结点数过多，则增加了计算 量，也会导致过拟合，降低网络的泛化能力。因此需要通过实验来确定隐层的结点数。 ( 2 ) b p 学习算法 输入层与隐层的联接权值用r 表示，隐层与输出层的联接权值用表示。神经 元n 的输入用u 表示，激励输出用v 表示，u , v 上标表示层，下标表示层中的某个神经 元。训练样本集合为x = i x , ，z z ，墨，x 】，对应任一训练样本t = k 】的实际输 出为k = 【儿】，期望输出为噍；【么】，设i ，l 为迭代次数，权值和实际输出是，l 的函数。 网络输入训练样本a t ，由工作信号的正向传播过程可得： “卜i 用一1 ，一= 镌t ) 9 “p=善11一2厂11p p ；) p 一1 “p2 善一2 厂 ；一j p 旬 驴y 叫萋叫 p = 1 输入层神经元的误差信号为o ) 2 0 ) 一0 ) ，定义神经元p 的误差能量为 互1e 审2 ) ，则输出层所有神经元的误差能量总和为e ( n ) ： e ( n ) = 吉e ；( ，1 ) ( 2 1 误差信号从后向前传递，在反向传播的过程中，逐层修改联接权值。下面计算误 差信号的反向传播过程： 隐层，与输出层p 之间的权值修正量。b p 算法中权值的修正量与误差 对权值的偏微分成正比，即： 吲咖器一曲p 俐 帕i ) ( 2 2 ) 设局部梯度= 一嚣_ ， m 曲) ( 2 3 ) 当激励函数为s i g m o i d 函数时，即 厂o ) = - 丢 口 o ；- o o z k nn r b 厂 厂 广 d i r 囫一 ， 图3 3 d 触发器辨向电路 时钟脉冲细分的基本原理是：用高次的脉冲对原信号脉冲进行插值，这样就将原 脉冲进行了n ( 插值脉冲频率和待细分脉冲频率的比值) 细分。脉冲填充插值如图3 2 所示。 本系统中外加脉冲由单片机产生，根据实际的细分的需要和软硬件的允许程度， 可以设置细分数。但是这种细分方式要求原信号的周期要稳定，否则会造成很大的误 差，所以要进行改进。 ( 1 ) 外加脉冲细分法的改进 这种方法要求待细分信号的周期性要好，如果可以动态的确定待细分信号的周期 的话，就可以在信号的周期性不是很稳定的情况下对信号进行细分了。动态确定周期 的方法，需要单片机的配合。利用测量得到的信号的周期数据序列，可以用一定的方 法估算出今后一段时间内的信号的周期。 ( 2 ) 信号周期的测量 测量依据：光栅尺运行较稳定，所以光栅尺输出的测量信号的周期变化较小，因 此一般的曲线拟合方法就可以满足要求。在实际的操作中，程序先测量得到前2 0 ( 2 0 是一个概数，视使用场合而定) 个周期的脉冲，然后对以后的周期进行估计，这样就 可以得到脉冲周期动态的测量。这里先对脉冲周期估计的算法进行介绍。 当光栅尺的测量部分稳定运行时，光栅尺得到的测量信号的脉冲宽度的变化很 小，变化的幅度也比较和缓，这样，脉冲的周期相对于时间的函数可以看作是近似直 线函数，为处理简单，本文将其近似为直线。 如图3 4 所示，t 为光栅尺运行的时间，t 为光栅尺运行时光栅尺输出脉冲信号的 周期。当将光栅尺的测量信号的周期变化简化为直线时，就可以很简单的得到光栅尺 的平均的周期，把得到的这个周期作为光栅尺信号的周期，在一定程度是可以接受的。 1 8 t 0 t 图3 4 直线拟合的方法确定信号的周期 得到光栅尺的运行周期后，就可以用时钟脉冲的方法进行细分了。但当光栅尺停 止运动时，光栅尺输出信号的脉冲宽度比较大，特别是停止位置所在的那个脉冲，由 于光栅尺本身结构上的原因，不能判断出光栅尺是在哪里停止的，这就要求对停止位 置进行预估。 如图3 5 所示，v 为光栅尺的运行速度，t 为光栅尺运行的时间。当光栅尺的运行 速度小于某一速度v o 时，光栅尺开始有停止运动的趋势，这时，记录光栅尺在行进 一个栅距所需要的时间t 1 、t 2 、t 3 、t 4 、t n ，根据这个时间序列可以估算出停止的 时刻和停止时刻所行进的距离。 图3 5 停止位置的确定 ( 3 ) 时钟脉冲细分方法的说明 在单片机中，计数器的输出连接到单片机的一个i o 口，单片机用查询的方式确 定脉冲的周期。程序中，测定计数器输出的i o 口的电平变化，电平变化一次，即由 低到高时刻开始，再由低到高时刻止，经过的时间即为一个脉冲变化周期。 本系统中，测定脉冲周期的时间间隔对细分效果的好坏有很大的影响。时间间隔 小，占用的单片机的资源就很大，从而影响了仪表的正常工作；测量的时问间隔长， 就不能及时的反映脉冲周期的变化，细分就不能达到很好的效果。在本仪表设计中， 给定了一个默认的时间间隔来进行测量。但就仪表的应用环境来说，每个机床都有自 己的运行特性，这就需要动态的进行间隔时间的设定，仪表中给定了个设定间隔时 1 9 间的功能。 当光栅尺停止运动时，脉冲的周期就变得很长，对周期的测定将变得很困难。所 以，当脉冲的周期小于一定值的时候，就认为光栅尺要停止运动了，仪表就不再进行 脉冲的测量，而是进行停止位置的估计。所以对光栅尺何时要停止，光栅尺的运行速 度小于哪个值时是做停止运动，即光栅尺的输出脉冲信号的宽度大于哪个值时，开始 做停止位置的估计，对仪表的工作是一个很重要的问题。对于不同的机床，其运动特 性也是不一样的，所以光栅尺中给定了一个默认值，这个值也是可以设定的。 对于停止时刻，鉴于单片机的资源限制，采用的算法不能太复杂，本文采用了直 线拟合的方法。光栅尺的运动近似为匀减速运动，这样就可以大大的减少运算量。如 图3 6 所示。 图3 6 线性化后图象 在图3 6 上，从t 1 时刻开始做停止位置的估计，可以看出，a t l t 2 b 、b t 2 t 3 c 、c t 3 t 4 d 的面积都是一个光栅尺栅距的长度，设为s ，则可以推出d t 4 t 5 的面积，推导过程如 下。 嵋。去 k ：l 。t 4 一t 3 2 ( 一k ) a _ 。一 t 44 - t 3 一t 2 一f 1 一匕j a ( f 一f ，) f2 s 蛳，。音 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 2 0 其中v 1 是t 2 和t 1 中点时刻的速度，v 3 是t 4 和t 3 之阳j 的中点时刻的速度，q 是 这段时间的加速度，v d 是t 4 时刻的速度，s 附，是停止时刻止，光栅尺从上一个栅格 走过的路程，即细分值。 从细分值的推导过程可以看出，对于光栅尺的运动轨迹拟合的越近似，所得到的 结果就越接近于真实值。同时计算过程中的有效数字的位数对于最终的结果也有很大 的影响。 根据上述细分方式，增量码道刻线1 0 0 1 p m m 进行细分，分辨率为0 1um ，测量 精度为3l ar n 。 3 3 增量光栅输出信号处理 目前使用的光栅尺的输出信号有两种形式，一种是相位角相差9 0 。的2 路方波信 号；二是相位相差9 0 。的2 路正弦波信号1 2 2 j 。 如图3 7 所示，方波输出的光栅尺两路电信号a 相和b 相，a 相信号为主信号， b 相信号为副信号，两个信号周期相同，相位差9 0 。a 、b 相信号每经过一个周期 的变化，光栅尺有栅距w 的位移，通过对电信号脉冲周期计数，就可以测量出总位移。 a 、b 硬个信号的超前或滞后的相位关系决定了光栅尺的位移方向。 a 厂 厂 厂 i b 厂 厂 厂 l 图3 7 光栅尺输出的方波信号 本系统采用的光栅尺输出信号是方波信号，栅距为0 0 1 m m 。系统中光栅尺的输出 信号需要经过处理才能送到计数器电路。处理过程包括延迟和整形。 采用r c 延迟电路对方波信号进行延迟。延迟电路内的电阻和电感值的选择对延 迟信号有很大的影响，信号延迟太大或者太小，对后面电路的处理工作带来很大的影 响，设置影响电路的正确性，经过计算，选择了如图3 8 所示的电路。 经过延迟后所到的信号经过整形后送入计数器电路。整形电路采用施密特触发器 c d 4 0 1 0 6 ( v t + = 3 6 v ，”= 1 6 v ) 进行脉冲的整形，如图3 9 所示。 2 1 o u t 图3 8 延迟电路图3 9 整形电路 光栅尺的测量信号经过整形，送到计数器电路。计数器电路采用的是可在线编程 的i s p l s l l 0 1 6 。 3 3 1 可编程技术is p i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 器件是2 0 世纪9 0 年代出现的可编程器件，它无须编 程器，可直接对安装在用户目标板上的i s p 器件编程，从而给电子产品的设计和生产 带来许多革命性的变化，被誉为第四代p l d 器件，代表着p l d 的发展方向。传统的 编程技术是将p l d 器件插在编程器上编程的，在系统可编程i s p 技术则可不用编程器， 直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对p l d 器件编程。这就打破了使用p l d 必需先编程后装配的惯例，而可以先装配后编程，成为产品后还可反复编程，从而开 创了数字电子系统设计技术新的一页。由于i s p 技术可以在器件被焊接在电路板上的 情况下对系统编程或重构，因而在设计样机时，可以先制作样机底板，然后再对i s p 器件编程。而若欲改变设计，无论是增减逻辑还是修改逻辑，都无须改动元器件或印 制板，只要通过l a t t i c e 的开发系统软件在数分钟内即可完成。可见利用i s p 技术设计 样机，虽然设计的是硬件，却像软件一样方便，这就缩短了设计试制的周期，降低了 试制成木，省去了编程器等设备和器件插拔的手续，是一种全新的设计方法。它对于 系统调试也是极为方便的，使用者可以对整个系统分块调试，最后联调。这种贯穿整 个电路板设计来进行检查的能力有利于在系统级调试过程中节约宝贵的时间，适合于 竞争激烈，要求上市时间短的场合1 3 训。 i s p 技术的出现，简化了生产流程，不伤害芯片引脚。j 下是因为i s p 技术使硬件设 计软件化了，因此对系统的维护和现场升级只要凭借一张磁盘就能实现，而这在常规 逻辑技术下几乎是不可能的。在信息高速公路迅速发展的将来，有望通过m o d e m 或 其它特殊的i s p 编程接口，对远隔千罩的用户系统进行硬件版本升级换代p 5 。 i s p 器件的设计通常可分为设计准备、设计输入、设计验证、布局布线、逻辑仿真、 熔丝图生成、下载( 编程) 等步骤。设计准备的目的是选择合适的i s p l s i 器件。设计输 入就是将设计者所设计的电路以开发软件要求的某种形式表达出来，并输入计算机。 设计输入后，应对输入的文件进行检查。这一步除了对输入文件的语法和规范情况进 行检查外，还对逻辑关系进行检查。检验通过后，软件自动将输入的逻辑映射到 g l b ( o e n e r i cl o g i cb l o c k - - 通用逻辑块) 和i o c ( i n p u t o u t p u tc e l l 输入输出单元) 中去。 在i s p e x p e r ts y s t e m 中，检验是在编译时完成的。在设计检验通过后，便可着手布局 t 咿 和布线。布局布线工作是由软件自动完成的，它能以最优的方式对逻辑元件布局，并 准确地实现元件间的互连。仿真包括逻辑仿真和时序仿真。熔丝图生成是设计的最后 一步，在熔丝图生成过程中，儿设计中未使用的i o 端，熔丝图生成时皆被自动地放 上有源上拉电阻，设计者也可对其它已使用的i o 端选择有源上拉电阻的方式：或皆 连、或皆不连、或个别连。下载编程是将设计阶段生成的j e d e c 文件( 熔丝图) 装入 ( d o w n l o a d 下载) 到器件中。 i s p e x p e r t 是l a t t i c e 公司推出的针对l a t t i c e 公司的i s p 器件的设计软件。它是 套完整的电子设计系统，具有设计输入、编译和仿真的功能，能支持i s p l s i 的1 0 0 0 系 列和部分2 0 0 0 系列的器件，准许用原理图、高级语言、状态图和混合式等多种形式输 入，并具有将多个低密p l d 设计升级为高密度p l d 设计的能力。i s p e x p e r t 对使用 环境要求不高【3 6 j 。 i s p l s i1 0 1 6 是电可擦除c m o s 器件，其芯片共有4 4 个引脚，其中3 2 个i o 引脚， 集成密度为2 0 0 0 等效门，每片含6 4 个触发器和3 2 个锁存器，p i n t o p i n 延迟为l o n s p 7 。 本设计中选用i s p l s i1 0 1 68 0 l j 4 4 芯片，即：高工作频率f m a x 为8 0 m h z ，低功耗、 p l c c 封装的在系统可编程1 0 1 6 器件。1 0 1 6 的输入电容通常小于l o p f 。1 0 1 6 的使用 环境为：电源电压：4 7 5 ，- - 5 2 5 v ( 商业级) 或4 5 - - - 5 5 v ( i 业军级) ；输入低电平：0 0 8 v ； 输入高电平：2 0 - - ( v e t + 1 ) v ，符合t t l 电平。 3 3 2 计数器程序的设计 计数器程序采用原理图输入方式。采用原理图的输入方式，可以充分利用开发系 统所提供的集成数字器件模块，按照功能需要将各器件模块连接，这样容易编制出高 效率的计数器程序f 3 8 】【3 9 1 。i s p l s l l 0 1 6 中计数器电路如图3 1 0 所示。 图3 1 0i s p l s i l 0 1 6 中计数器电路 计数器部分包括辨向电路、细分电路、计数器低位部分以及辅助输出信号部分。 辨向电路和细分电路在上几节进行介绍，下面介绍计数器低位部分和输出信号部分。 计数器的低8 位部分采用的是软件自带的8 位可逆计数器模块，该计数器模块具 有双向可逆计数、预置计数数值、计数使能、计数清零、进借位输出级连功能等。编 程时，将计数脉冲送到计数器模块的计数脉冲输入端，将计数方向信号送到计数方向 输入端，其它设置按照要求设置，计数器的输出连接到单片机。由二f 单片机i o 资源 的缺乏，编程时设置了一个计数器的地址位来区分两路计数器。 对于计数器的进借位的处理，占用了单片机的一个外部中断。例如，当一路计数 器满要进位时，就向单片机发出中断申请，在单片机的中断处理函数中，首先判断是 哪个计数器有中断发生，然后对相应的计数器进行加“1 操作。 对于清零操作的处理，设计中拟采用软件处理的方法。当用户有清零操作时，程 序就记下当时的计数器的数值，以后处理时，减去这个值就可以了。这样做的好处就 是避免了计数器有清零位时容易受n ；7 1 , 界信号的干扰的影响，从而避免了误清零的操 作。 第四章照明系统与接收系统总体设计 光源是用来提供光栅码道的照明，设汁要点：均匀照亮光栅码道、光源波长为c c d 接收器件的响应敏感波段。 接收系统是用来对光栅码道信息的采集，主要包括成像光学系统、c c d 及其处理电 路。设计要点：根据成像要求设计光学系统、根据分辨率、响应速度选取c c d 。 1 ji c t ? 。o r u 1 彳 c _ 一 cj ， 光源码道光学系统 图4 1 光栅传感器系统原理图 c c d 4 1c c d 图像传感器的确定 在工程测量中，若以c c d 作为输入图像传感器使用，测量精度和测量范围是选择 器件的主要依据。为了保证得到所有的图像细节，必须要确定c c d 的空间分辨率。按 照采样定理的要求，如果己知图像的最大空间频率，则抽样频率应大于图像最大空间 频率的2 倍。我们应该根据所求得的抽样尺寸去选择c c d 器件。c c d 的抽样尺寸，即 所要求的c c d 的像元尺寸p 确定。若c c d 的像元数为，则其所能测量的最大尺寸 也就确定，为( p ) 卢，卢为系统的光学放大倍数。 此外，还要保证图像的亮度值应在c c d 器件的转换特性允许的动态范围之内，保 证转换后的图像信息不失真。如果光学图像亮度值在时间坐标上还有变化( 即动态测 量) ，图像亮度对时间的变化上有一个最高的截止频率应保证大于或等于2 倍的图像最 高截止频率。由此可以确定允许的c c d 光积分时间和单片机对信息采集的时间。以上 所给出的采样频率是由采样定理所要求的最小值，在实际的工作中，为了保证被测信 号的质量，实际采样频率是被测信号最高频率的3 4 倍，有时取到数十倍。 c c d 的像元是由光敏材料制成，由于材料本身性能限制，在光电转换时，c c d 的 各像元存在响应非均匀性及单个像元响应的非线性问题，都将对测量精度产生影响， 选择器件时，应选用响应非均匀性低，线性度好的器件。 此外，c c d 的光谱响应灵敏度和应用环境也是选择器件时需要考虑的因素，若 c c d 应用于特殊场合( 比如夜视、高温) ，则相应性能要提高。 根据以上原则，对c c d 器件进行选择。 设计所用的c c d 是在实验室条件下完成对光栅码道的成像，主要是根据倍率嘤求 来确定c c d 的分辨率。本系统要求2 0 u m 的码道在线阵c c d 上清晰成像( 大约占1 5 个 像元) ，在本系统中选用t c d l 5 0 1 d ，像元为1 0 2 4 ，像元间距为7 幽, n ，u 丁以达到所需要 的最小像元数和码道的清晰成像。采用两相脉冲驱动，并且驱动脉冲频率可调( 由自 带驱动电路调节) ，器件工作时厂( 驱动脉冲) ；1 m h z ，凡( 复位脉冲) z 舭， f ，w ( 积分时间) 一l o r e s 。具有动态范围大、弱光性能好等优点。 表4 1c c d 中各脉冲电压值 m a x i m u mr a t i n g s ( n o t e1 ) c h a r a c t e r i s t i cs y m b o lr a t l n g u n l t c