（计算机系统结构专业论文）光栅自动测试仪的设计与实现.pdf

摘要 本文通过分析了编码器输出两路信号的正交性( 相位相差9 0 。) 与直线透射式 光栅黑白栅条的分布均匀性的特性，应用把高电平宽度转换为计数脉冲的个数的 测试方法，给出了光栅自动测试仪的总体设计方案。并详细介绍了光栅自动测试 仪的软硬件实现中所用到的关键技术。在本设计中，选用a g i l e n t 公司的 h e d s 9 7 3 0 q 光电编码器，作为检测器件，应用a l t e r a 公司的c p l d 器件 e p m 9 3 2 0 l c 8 4 1 5 ，用硬件描述语言v h d l 实现测试数据采集系统，通过单片机 a t 8 9 c 5 2 的串口通信把测试数据读出并传送给p c 机控制台处理，其中应用f i f o 实现了测试数据采集和串口通信之间速度匹配。为了使步进电机的转速更加平稳， 并且减小嗓音，应用了步进电机细分驱动。由自检信号产生电路产生自检信号实 现光栅自动测试仪的自检功能。经过详细的设计和调试，成功的实现了光栅自动 测试仪。 关键词：光栅测试仪c p l d 细分驱动 a b s t r a c t t h es e l e c t e ds u b j e c tg i v e sag e n e r a ld e s i g no ft h eg r a t i n ga u t ot e s t i n gi n s t r u m e n t ， b yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r t h o g o n a la m a db s i g n a l so u t p u tb yo p t i c a le n c o d e ra n d s y m m e t r i c a lb l a c ka n dw h i t e l i n e a rt r a n s m i s s i o ng r a t i n gb a r , a n d a n a l y z i n gt h em e a n s o f t h eh i 曲e l e c t r i c a ll e v e lo fs i g n a l sc h a n g et on u m b e ro fc o u n t e rp l u s e s t h e n ，t h ek e y t e c h n o l o g i e si n t h er e a l i z a t i o no ft h eg r a t i n ga u t ot e s t i n gi n s t r u m e n ta r ei n t r o d u c e d p a r t i c u l a r l y i n t h ed e s i g n ，w es e l e c tt h eh e d s - 9 7 3 0 qo p t i c a le n c o d e ro fa g i l e n t c o r p o r a t i o n t ob et h et e s tc o m p o n e n t ，a n du s ev h d lt or e a l i z et h ep a r to fc o l l e c t i o no f t e s td a t ai nt h ec p l d c h i pe p m 9 3 2 0 l c 8 4 1 5o fa l t e r ac o r p o r a t i o n t h et e s td a t aa r e t r a n s f e r r e dt ot h ec o n s o l ei np cb yu s i n gt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o no fm c u a t 8 9 c 5 2 w eu s eaf i f ot or e a l i z et h es p e e dm a t c h i n gb e t w e e nc o l l e c t i o no ft e s td a t aa n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o n m i c r o s t e pd r i v e ro fs t e p p e ri sp r o g r a m m e d t or e d u c et h en o i s e sa n dt o m a k em o t o rr u ns t e a d i l y s i g n a l so fs e l ft e s tr e a l i z et h ef u n c t i o no fs e l ft e s to ft h e g r a t i n ga u t ot e s t i n gi n s t r u m e n t a f t e rd e t a i ld e s i g na n de x a m i n a t i o n ，w e r e a c h e dt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n d r e a l i z e da g r a t i n g a u t ot e s t i n gi n s t r u m e n t k e yw o r d s ：g r a t i n gt e s t i n gi n s t r u m e n t c p l d m i c r o s t e pd r i v e r 刨新性声明 y 6 9 5 3 7 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：乏全- 盘童日期趔。：! i ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电予科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 本人签名：公丢支日期型；丛： 导师签名 日期五丛立乒 啤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 绘图机背景介绍 彩色喷墨绘图机是c 4 i 系统彩色图形图象硬拷贝的必备设备，可用于绘制军 用地图，地形图，态势图，航行计划的上报图，实际航线的记录图和军队部署图。 在军事气象部门可以绘制气象图和气象云图。高分辨率大幅面彩色喷墨绘图机已 成为机械制造业，土木建筑业，工程设计，城市管理，微电子工业，广告业和各 种c a d ，e a d 系统不可缺少的配套设备，在民用领域具有广阔的应用天地。随着 材料技术和集成电路的快速发展以及计算机技术应用领域的不断扩大，绘图机技 术也在不断改进和发展，这使得绘图机的应用更加广泛。 从2 0 世纪9 0 年代以来，由于在喷墨技术与墨水制造技术上的突破性进展和 创新，喷墨绘图机在绘图质量、绘图精度与可靠性方面都有了飞跃性的发展，世 界著名绘图机制造厂商都在近几年内迅速开发了自己的大幅面彩色喷墨绘图机产 品。这类产品所具有的绘图速度快、噪声低、绘图介质广、实用性强、价格低廉 的特点日益明显，从而迅速占领了无笔式绘图机市场的绝大份额。其应用领域能 覆盖计算机大幅面绘图的多个领域，包括计算机辅助设计、广告创意、室内装璜 和印前打样等。与彩色印刷系统和针式绘图机相比，大幅面彩色喷墨绘图机不仅 打印经济、快捷、方便，而且输出质量也高。尤其是在彩色激光打印机的价格居 高不下、输出幅面受到严格限制的今天，大幅面彩色喷墨绘图机不仅赢得专业用 户的信任，同时也赢得了广大办公室用户的青睐。 1 1 2 光栅印制机和光栅测试仪背景介绍 嚷墨点的定位精度是影响绘图质量的重要因素之，随着分辨率的提高，对 定位精度的要求也越来越高。否则，就会造成墨点的疏密不均，图像扭曲，边缘 粗糙和色彩失真等现象。光栅具有精度高、抗干扰性强、性能稳定、数字化测量 结果等优点，因此条形透射式光栅是必不可缺少的位鼍测量元件。直线型光栅有 两种，一种是透射式光栅，另一种为反射式光栅。反射式光栅的精度比较高，尤 其是温度系数小，国内又有多家生产厂家，例如北京密云机床研究所，济南机床 厂，昆明机床厂等。但是这种光栅的价格太高。而透射式光栅的结构简单，但它 2 光栅自动测试仪的设计与实现 的温度系数较大，考虑到打印图像的绝对尺寸要求不是很严格，采用透射式直线 光栅进行定位是合理的，但是国内尚无生产该类条形透射式光栅的厂商，必须依 赖进口，价格昂贵。因此，进行光栅印制机的研究，并投入生产，使国产超大幅 面彩色喷墨绘图机的整体技术指标达到国际先进水平，这对大幅面彩色喷墨绘图 设备国产化，产业化有重大意义，同时对于提高我国电子信息产品在国际市场上 的竞争力也有着重大意义。 目前在对直线透射式光栅的精度检测主要靠人工和光学仪器检测，国内尚无 自动检测直线透射式光栅的仪器。为了实现对直线透射式光栅精度的检测自动化， 设计并实现了光栅自动测试仪。对光栅机和光栅测试仪的研究开发，提高了光栅 的生产和检测速度，降低了成本。光栅印制机和光栅自动测试仪制作和检测出的 光栅不仅应用于大幅面彩色喷墨绘图机中，也能在其它领域中发挥作用。 1 2 论文来源与承担的任务 选题来源于“十五”国防预研项目，主要目的是研究宽幅彩色喷墨绘图仪的 关键技术，能够最终完成一台彩色喷墨绘图仪性能样机，然后通过测试验证解决 关键技术的可行性，并且在改进定型后投入生产。在大幅面喷墨绘图机的研制中 要克服的关键技术包括：高分辨率下的高精度定位技术、打印高质量图形图象时 的数据重组技术、喷嘴的驱动技术、调色技术、高速数据传输技术、电磁兼容技 术。 论文承担的任务是分析了绘图机上定位光栅的精确度测试技术，综合考虑价 格和实现复杂度，设计一套合理可行、经济高效的测量与控制电路a 对光栅自动 测试仪做深入研究，详细分析其技术要点并最终的工程实现。 1 3 论文各章节的安排 文章的绪论部分分析了当前国内外大幅面彩色喷墨绘图机、光摄机和光栅自 动测试仪的研究现状，给出本论文的研究背景、研究的任务以及内容。接下来各 章节是这样安排的： 第二章是光栅测试仪的概述。对光栅的光栅分类、原理与优缺点进行介绍， 给出了光栅自动测试仪的设计要求。 第三章对光栅自动测试仪的原理和总体设计方案进行分析。对测试原理进行 分析，给出了总体设计方案。 第四章对光栅自动测试仪的硬件电路进行分析和设计。介绍并分析了所用的 器件，对用c p l d 芯片实现的测试数据采集系统进行了详细的说明，分析了测试 第一章绪论3 仪中的通信电路，步进电机四细分驱动原理和电路，测试仪自检电路和设计中抗 干扰应用。 第五章对光栅自动测试仪的软件进行分析和设计。分析了w i n d o w a p i 串口通 信函数和测试仪控制台软件，详细介绍了光栅自动测试仪中所用的通信程序和步 进电机四细分控制程序。 第六章对本文作出了总结，给出需要改进的地方。 第二章光栅测试仪概述 第二章光栅测试仪概述 2 1 光栅分类、原理与优缺点 2 1 1 光栅分类 光栅分为透射式光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅是用光学玻璃或透光 介质制成的，用光刻机在光学玻璃上刻出的大量的宽度和距离都相等的平行线条 称为刻痕。刻痕相当于毛玻璃，不透光，只有两个刻痕之间的光滑部分透光，相 当于条窄缝。透射光栅的特点是光源可以采用直射光，光电元件能够直接接受， 因此信号幅值比较大，信噪比高，光电编码器的结构简单。同时线条可以刻得很 密，每毫米可以刻1 0 0 条甚至更多条线，从而可以减轻电子线路的负担，并达到 很高的精度。 金属反射式光栅是在长条形金属镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的密集 线纹制品，其特点是：用温度系数小的合金做底板，接长方便，甚至可用钢带制 成整根的长光栅，不易破碎。标尺光栅安装在机床上需要的面积小，而且安装调 整比较方便。可以直接用螺钉或压板固定在机床的床身上。但是由于采用反射原 理，其信号幅度小，不适合用于绘图机。 除了直线式光栅以外，还有一种用来测量角度的回转光栅( 俗称圆光栅) 。圆 光栅的线条是辐射状，相互间的夹角相等。 2 1 2 透射式直线光栅的原理 这里介绍透射式直线光栅的工作原理，透射式光栅由光栅尺和编码器构成， 光栅尺是类似于刻划尺那样，进行长刻线的密集刻划，得到如下图2 1 所示的黑自 相间的、间距细小的条纹。没有刻划的自的地方透光，刻划的发黑处不透光，这 就是光栅尺。编码器由光源和相应的检测电路构成，能够检测到光栅尺在光源和 检测电路间移动时，光栅尺上交错的明暗条纹，并产生相应的数字信号。 图2 ，1 栅线放大图 6 光栅自动测试仪的设计与实现 直线光栅一般由光源、长光栅( 又称定栅) 、短光栅( 又称动栅) 、光电器件 等组成，如图2 2 ( a ) 所示。使用时通常把短光栅安装在活动部件上，而长光栅安 装在固定部件上静止不动。长光栅和短光栅的刻线密度竞全相同。刻痕的宽度加 上刻痕之间的距离称为光栅常数或栅距，记为a 。 ( a ) 光栅测量原理( b ) 莫尔条纹形成原理( c ) 莫尔条纹移动示意图 图2 2 光栅涮量原理及莫尔条纹示意图 1 一定栅光栅2 一动栅光栅3 光敏器件4 一发光器件 a 一光栅常数口一光栅夹角w 一莫尔条纹间距 把动栅光栅平面平行地放在定栅光栅平面上面，并使它们的刻线倾斜一个很 小的角度8 ，这时在定栅光栅上就会出现较宽的明暗相闻的条纹，称为“莫尔条 纹”，见图2 2 ( b ) 。因。很小，所以奠尔条纹几乎与光栅上的刻线垂直，而光强度 分布近似于正弦形。两块光栅刻线问的夹角0 越小，明暗条纹越宽。将动栅光栅 左右移动时莫尔条纹就会上下移动，每当动栅光栅移过一个条纹的间距时，莫尔 条纹也移过一个条纹的间距。这一点由图2 2 ( c ) 可以看得很清楚。图中线1 和2 是 定栅光栅上的两条相邻的透光缝，线3 是动栅光栅上的一条透光缝。在图中位置， 线2 与线3 交于点a ，线1 与线3 交于点b ，这都是亮点。当动栅光栅移过一个栅 距时，线2 移到l 的位置，a 点移到原来的b 点的位置，莫尔条纹准确地移过它 自己的一个间距。莫尔条纹的间距就是a 、b 两点间的距离，记为w ，由图2 2 ( e ) 可知w = a s i n8 ，当8 很小时有w - - - a e 。尽管a 很小，但e 特别小，所以莫尔条 纹w 仍然比较宽，比较容易观察到明暗条纹移动情况。这就是莫尔条纹的放大作 用，它等于将两个光线条纹间的距离由栅距a 放大到莫尔条纹间距w ，从而大大 地减轻了光学系统和电子线路的负担。 2 1 3 光栅的优、缺点 一、优点 ( 1 ) 精度高。光栅式传感器在大量程直线位移方面，其测量精度很高，仅次于 激光干涉仪。 第二章光栅测试仪概述 ( 2 ) 分辩率高，电路结构简单。 ( 3 ) 可实现动态测量，输出为电信号，易于实现测量及数据处理的自动化。 ( 4 ) 具有较强的抗干扰能力。 二、缺点 如果采用透明胶片作为光栅尺，其长度受温度变化影响较大。但是对于图像 打印质量来说。这一缺点影响不是很大。 2 2 研制光栅测试仪的必要性 大幅面喷墨绘图机喷头的高分辨率下的高精度定位，要求对位移进行精密检 测，而光栅是喷墨绘图机中不可缺少的位景测量元件。其原因是： 一、喷头在喷绘一个自然行的过程中，总是存在加速段、恒速段和减速段， 速度是不均匀的。 二、喷头小车的传送带，不论是采用齿形带或钢丝绳拖动，皆存在弹性，尤 其是在加速段和减速段中，电机转角和小车的位置不是严格的线性对应关系。另 一方面在恒速段的速度也不是一个常数，这都会引起定位误差，直接影响到喷头 的精确定位。 鉴于上述原因，欲使喷绘的象素的间距均匀，采用位置反馈元件送出的位置 信号，利用喷头位置检测的方法，控制喷嘴的喷射时刻，这样就克服了原先定时 喷射造成的间距不均匀的缺点。 光栅是目前最有效的位置检测方法之一，目前国内能对光栅进行自动检测的 产品还比较少见，现有的光栅测试仪器从功能、价格方面考虑不能完全满足喷墨 绘图机的应用要求。出于实际应用的需要，自行研制了一个透射式光栅机。为了 确保光栅机所制光栅的质量，对光栅质量的检测就显得尤为重要。本设计正是针 对光栅检测这一问题而提出的。 2 3 设计要求 2 3 1 测试项目 1 测试光敏元件两路输出的正交性( 相差9 0 。) 。 2 ，黑白栅条的分布均匀性。 3 栅条有无损坏。 光栅自动测试仪的设计与实现 2 3 2 测试仪具备的功能 1 测试的光栅长度应任意设定( 以厘米为单位) 。 2 测试数据应能输出( 通过串口r s - 2 3 2 ) 。 3 光栅的最高分辨率为r m a x = 3 6 0 l p i 。 4 测试仪通过p c 机上的控制台来进行控制和数据的接收处理。 第三章光栅测试仪总体设计 第三章光栅测试仪总体设计 光栅自动测试仪目的是检测直线透射式光栅黑白栅条的分布均匀性，目前较 多的检测方法是人工检测和光学仪器检测。人工检测所需的设备简单，但速度较 慢，光学仪器检测精度很高，仪器价格也较贵。本设计采用光电编码器对光栅的 黑白栅条进行扫描编码得到测试信号，对测试信号进行处理给出光栅精度结果。 采用编码器作为光栅检测的信号采集既提高了测试速度，也使的仪器成本降低。 同时能够满足绘图机所用光栅的精度要求。 在光栅检测过程中有两种常用的方法，一种是光栅固定不动，通过移动编码 器进行扫描编码；另一种是编码器固定，通过移动光栅胶片来实现编码器编码。 第一种方法运用电机控制编码器小车做匀速运动来进行编码，但由于光栅是安装 在一个固定的支架上，所以测试光栅的长度有限。第二种方法是通过移动光栅来 实现编码，这样测试光栅的长度可以是无限的。本设计采用的是第二种方法，既 编码器固定，通过移动光栅来实现编码。 3 1 机械结构设计 光栅自动测试仪的机械结构如图3 1 所示。编码器固定在支架上，直线透射式 光栅胶片平整的位于两组摩擦棍间，电机带动其中一组摩擦棍匀速旋转，同时使 图3 1 光栅自动测试仪的机械结构 就得光栅匀速的通过编码器，编码器产生了正交的a ，b 信号送到电路板上的进行 数据采集并通过串口通信传送给p c 机进行处理。 0 光栅自动测试仪的设计与实现 3 2 光栅测试原理 光栅自动测试仪的设计中应用的测试原理主要是：直线透射式光栅在步进电 机的带动下以2 0 m r n s 匀速通过编码器，使得光栅黑白栅条的宽度对应于编码器输 出信号的高低电平的宽度，当光遇到光栅暗条纹时，不能透过，接收二极管截止， 产生低电平；光透过光栅明条纹，接收二极管导通，产生高电平，如图3 2 所示。 根据编码器输出的a ，b 两路信号的正交性( 相位相差9 0 0 ) 和黑白栅条的均匀性 s i g n a la 厂k 乳吐广 一l s i g n a lb 厂 ：广 j i a 国b ) a 厂r d 霄c hk 一 图3 2 测试原理 来实现对光栅精度的测试。设a ，b 信号周期为t ，对于均匀的光栅，a ，b 信号 高低电平的宽度各为t 2 。由a ，b 信号得到( a 毋b ) a 信号，( a o b ) a 信号商电平 的宽度为t 4 。该设计中应用信号高电平的宽度来控制计数器的计数脉冲，把高电 平宽度转换为计数脉冲的个数的方法，测量出a 信号的每个高电平的宽度w “和 每个低电平的宽度w l ( 即7 信号高电平的宽度) ，测量出( a 曲b ) a 信号的每个高 电平的宽度w c h ，同时把测量出的宽度数据写入f i f o ，由单片机从f i f o 中读出 宽度数据，通过串口传送给p c 机控制台。光栅运行结束后，在p c 机控制台中读 出数据比较每一个周期t 中w c n 是否等于1 ，2 w “以及w c h 是否等于1 2 w t ，来判 断光栅的精确性。 3 3 光栅测试仪的总体设计 从光栅自动测试仪的基本测试原理分析得到，测试仪中对步进电机的控制， 测量a ，j ，( ab ) a 信号高电平宽度，将宽度数据写入f i f o ，从f i f o 中读取 数据通过串口传送数据，这几个操作是并行处理的。因为5 l 单片机是串行执行指 令的，如果仅用一个单片机的分时复用不能实现光栅测试仪的设计要求。所以在 光栅测试仪的设计中应用了两个单片机来实现需求，一个单片机对步进电机进行 第三章光栅测试仪总体设计1 1 细分控制，另一个单片机完成从f i f o 中读出数据并把数据通过串口传送给p c 机 控制台。另外对编码器输出a ，b 信号的同步，测量a ，j ，( a 。b ) a 信号高电平 的宽度，宽度数据写入f i f o 的操作用硬件描述语言v h d l 在一块可编程逻辑器 件c p l d 实现。由此该光栅自动测试仪的设计中主要包括以下几个部分 c l k 1 禚茸f 3i 掷憔驴蝴块 i 步港 帝 一蚓嚣 f l i 1一岜 之多 ) l l冈 f 1 同 lc n 同i j q t 赢e = o 六 司h 阳l ， 剃1 i f 2步 l 墒ia _ _ 处 l 冀匠 理 选 及 a 逝印哩疆嘴 斗 相 l 逦融 模 l 自橙l 与 块 l 信号lb 变 世拇露i 叶o 换 ( 脚) 计曩叠l i 嚣 _ 模 块 c 叫耵e r “b 卜， 图3 3 光栅自动测试仪总体设计框图 ( 1 ) 编码器部分。进行编码输出两路正交的a ，b 信号； ( 2 ) 自检信号产生电路。产生两路正交的a ，b 信号，代替编码器输出的a ， b 信号，用于进行光栅自动测试仪的自检，检查光栅测试仪是否工作正常； ( 3 1 序列脉冲产生模块。用来产生采集系统中主要的同步和控制时钟，通过把 f ( 1 1 0 5 9 2 m n z ) 信号二分频后产生c k ( 5 5 2 9 6 m h z ) 信号，f 信号四分频后产生 f 0 ( 2 7 6 4 8 m h z ) 信号，再由f 0 信号产生四路0 6 9 1 2 m h z 序列脉冲信号n ，眨，f 3 ， f 4 和e n c l k f 2 ，e n e l k f 3 ，c l r c l k f 4 信号； ( 4 ) a b 信号同步和相与处理模块。主要是完成对编码器输出的a ，b 进行同步 处理和相与处理来得到计数器模块所需的输入信号； ( 5 ) 控制信号产生模块。主要是实现其他模块所需的控制信号，这些控制信号 都严格的同步于序列脉冲产生模块产生的序列脉冲时钟，这样使得整个系统能够 有序的完成测试数据采集任务。具体产生计数器的清零信号c l r l ，c l r 2 ，c l r 3 ，六选 一的使能信号e n l ，e r r 2 ，e n 3 。e n 4 ，e n 5 ，e n 6 和写f i f o 信号v g r l ( 6 ) 计数器模块。计数器是用来将a ，4 ，( a 毋b ) a 信号高电平宽度转换为计 数脉冲的个数。计数器模块用了三个1 4 位计数器( c o u n t e r a ，c o u n t e r n a ， c o u n t e r a a ) 进行同时对a ，a ，( a o b ) a 信号进行计数； f 7 ) 六选一模块。计数器模块产生的六路输出数据通过控制信号产生模块产生 的使能信号进行选择，使多路数据输入变成单路输出： ( 8 ) f i f o 模块。a ，爿，f ao b ) a 信号的高电平宽度数据采集和单片机m c u l 1 2光栅自动测试仪的设计与实现 读f i f o 数据属于两个独立同步时钟脉冲的子系统，采集速度和读f i f o 速度不匹 配。用f i f o 来提供“橡皮绷带式”( 有弹件) 的存储解决两个子系统中速度匹配的 问题。 ( 9 ) 步进电机细分驱动部分。单片机m c u 2 通过四细分驱动电路来控制步进电 机带动光栅以2 0 r a m 秒的速度平稳的运行： ( 1 0 ) 单片机m c u l 读f i f o 及其串口通信部分。m c u l 从f i f o 中读取数据， 并从串口把数据传送给p c 机控制台； ( 1 1 ) p c 机中的控制台软件。完成p c 机串口通信和数据处理功能。 其中用块可编程逻辑器件c p l d 实现测试数据采集部分，其中包括序列脉 冲产生模块，同步处理及相与交换模块，计数器模块，控制信号产生模块，六选 一模块，f i f o 模块。完成对a ，b 信号的处理，测量a ，4 ，( a $ b ) a 信号商电 平的宽度，将宽度数据写入f i f o 等操作。 测试仪基本数据操作流程是：用户将光栅长度和光栅的分辨率输入p c 机控制 台，由p c 机控制台软件根据输入数据算出步进电机要走的步数。然后将数据通过 串口传送给单片机m c u i ，m c u i 发出中断信号给单片机m c u 2 ，让m c u 2 接收 步进电机的步数。单片机m c u 2 根据步进电机要走的步数来控制电机的运行，步 进电机带动光栅匀速通过编码器，编码器输出的a ，b 信号经过数据采集，把a ， 爿，f a 毋b ) a 信号高电平的宽度数据写入f i f o 。同时m c u l 从f i f o 中读出数据， 通过串口发送给p c 控制台，控制台接收完数据后对数据进行比较处理，给出光栅 的精确度结果。 第四章硬件系统设计 第四章硬件系统设计 4 1 主要元器件选择 4 1 1 单片机选择 a t m e l 公司的a t 8 9 系列单片机是新型8 位机中较典型的一种，产品有 8 9 c 1 0 5 l 、8 9 c 2 0 5 1 、8 9 c 5 1 、8 9 l v 5 1 、8 9 c 5 2 、8 9 l v 5 2 、8 9 5 8 2 5 2 等。本系 统中采用了其中的a t 8 9 c 5 2 ，其功能和引脚与m c s - - 5 1 系列完全兼容，是一种低 功耗、高性能、物美价廉的芯片，而且内含8 k 的电可擦写的闪存( f l a s h ) ，编程 和擦除方便。 a t 8 9 c 5 2 与m c s - - 5 1 系列的8 7 c 5 1 相比，其优点是【2 1 = 片内有闪电存储器，编程与擦写完全可用电来实现。 - 采用高密度不挥发存储技术制造，数据不易挥发，可保存十年以上。 编程、擦写速度快，全8 k 字节编程只需3 s ，擦除约用1 0 s 。 可实现在线编程，也可借助电话线进行远距离编程。 以静态逻辑设计而成，时钟频率为0 2 4 m h z ，而且不一定需要连续的时 钟，在内部等待期间，时钟频率降为0 亦无妨。 有三种封装形式：p d i p ( 4 0 脚) 、p q f p t q f p ( 4 4 脚) 和p l c c ( 4 4 脚) 。 编程电蓬为5 v 或1 2 v ，5 v 编程电压便于用户系统对存储器的编程。 a t 8 9 c 5 2 的主要资源有：8 k 字节的片内闪电存储器：1 2 8 字节r a m3 2 条i o 线；三个1 6 位定时肼数器；五源两级中断结构；全双工串行口片内振荡器及时 钟电路等。 4 1 2 光电编码器 h e d s 9 7 3 0 q 是一种高性能、低价格的光学编码器件，其分辨率为1 8 0 l p i 。 使用它与圆形光栅或者直线光栅起构成系统时，就可以用来检测直线位移。 h e d s 9 7 3 0 q 采用c 型封装，内部包含一个具有透镜的l e d 光源和一套检测电路。 因为该模块具有高度校准的光源和独特的光探测器件阵列，使之即使在安装时未 校准的情况下也能正常工作。h e d s - 9 7 3 0 工作电源为+ 5 v ，两路数字信号输出。 工作原理 小型光编码器h e d s 9 7 3 0 q 为c 型封装发射检测模块，与圆形光栅一起工作 1 4 光栅自动测试仪的设计与实现 时，将旋转运动转化为两路数字信号输出；与直线光栅一起工作时，将线形位移 量转化成两路数字信号输出。 如图4 1 所示【3 】，该模块用单个发光二极管( l e d ) 作为光源，发出的光经过l e d 正前方的透镜校准，成为平行光。在发射器的对面是集成的检测电路，这个集成 电路由两套光电二极管和信号处理电路组成。 图4 1h e d s 一9 7 3 0 q 结构示意图 a b 圆形光栅直线光栅在发射器与检测器之间移动，光栅上交错的明暗条纹将中 断检测器接收到的光线。用于检测这些中断的光电二极管排列成与圆形，直线光栅 下 的半径或计数密度相适应的形式，编码器中两个光电一- - 饭冒驯儿1 口j 世：a 互开日亚巳一1 ( t 4 为光栅的几何周期) 。光电二极管的输出送入信号处理电路，两个比较器接收到信 号后进行比较，生成最终的数字信号，分别送到a 通道和b 通道中，从a 通道输 出的信号与b 通道输出的信号相位相差9 0 。 4 1 3 电机选择 步进电机成本低，控制线路简单，调试方便，但由于工作频率受限，速度较 低。用单片机对步进电机迸行控制，有开环控制和闭环控制两类方式。开环控制 时没有位置反馈，不需要光电编码器之类的位置传感器，因此控制系统的价格比 较便宜。为了保证定位不出错，在进行系统设计时留出一定的裕度，也就是说， 步进电机的驱动脉冲频率不能设计的太高，电机的机械负载不能太重，这样就不 会因为负载短时超载而导致步进电机失步。在闭环控制的步进电机系统里采用光 电编码器之类的位置传感器将电动机的实际位置反馈给单片机，不断检测转子的 瞬时位置，并把它反馈到控制单元上。因此，电机不会出现失步。从理论上说， 闭环控制系统比开环控制系统可靠，但是步进电机闭环控制系统价格比较高，还 容易引起持续的机械振荡，不如选用直流或交流位置伺服系统能够得到优良的动 第四章硬件系统设计1 5 态性能。 实际选用电机时应注意的几个问题【4 】： 1 电机的出力与电流的平方称正比，即 f = 矿( f 2 )式( 4 一1 ) 式( 4 1 ) 中的f 单位为牛顿( n ) ，生产厂给出的转矩是在一定电流下的转 矩；如果在使用中用的电流较小，那么电机的输出转矩也会减小。 2 当负载力矩要求比较大时，通常采用变速的方法提高步进电机的输出转矩， 速度降低一倍，转矩提高近一倍。 3 采用细分方法，实现微步驱动，可以提高步进电机的步进脉冲频率。 4 当负载转矩要求较大时，难以选择合适的步进电机，还可以降低对加速度 a 的要求，即降低负载转矩中的t a 份量，达到降低负载转矩的目的。 5 如果上述方法选不到步进电机，只能选用直流伺服电机。 经过以上综合考虑，采用的步进电机为常州市合泰电机电器有限公司的 5 7 b y g 4 0 6 型号的步进电机。 e l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o n s ( 技术数据) 型号步距角机身长l静力矩引线数电流 电阻电感转动惯量定位力矩重量 ( 。) ( m m ) ( k g c m )( n o ) ( a )( q )( m h )( g c m 2 ) ( g c i n )( g ) 5 7 b y g 4 0 61 85 77 4o 71 23 01 4 55 0 06 0 0 表4 15 7 b y g 4 0 6 型号的步进电机参数 4 1 4 两相步进电机驱动芯片 对于驱动芯片的选择主要基于以下几个考虑： 1 芯片能提供的最大电流应满足电机的需求。 2 具有过热保护措施。 3 转动力矩大，保持力矩小，两者自动调换。为减小功放级的功耗，要求驱动 芯片具有转动力矩大，而保持力矩小。 4 具有防全通措施。 另外还需考虑： 1 长期供应货源。 2 价格低廉。 本设计采用p b l 3 7 1 7 两相步进电机驱动芯片，p b l 3 7 1 7 的主要特征【5 l ： 只能驱动步进电机的一相 有半步或者全步操作 开关模式的双极性直流驱动 光栅自动测试仪的设计与实现 控制电流变化范围5 1 2 0 0 m a 电压变化范围1 0 5 0 v 具有过热保护 采用施密特触发器防止全通回路 通过控制1 0 ，i l 来控制电机上的电流大小( 电机上电流变化见表4 2 ) 【01 1电桃上的电流 hho0 lh低电流2 0 hl 中电流 6 0 ll高电流1 0 0 表4 21 0 ，1 1 的变化对电机上电流的影响 从图4 2 中可以看出两相步进电机驱动芯片p b l 3 7 1 7 由以下几部分组成：一 个与l s t t l 电路兼容逻辑输入状态，一个电流传感器、个单稳态的多谐振荡器、 个大功率h 桥输出电路。用两片p b l 3 7 1 7 和一些电容电阻就可以构成一个完整 的两相步进电机驱动系统。图中单脉冲发生器是一个单稳态多谐振荡器，由比较 器输出端的上升沿触发。在毋时间段，多谐振荡器的输出为高，其中 f 。= o 6 9 “r c r 。单脉冲信号切断电机电源，在7 珂时间段电机上的电流逐渐 降低。 图4 2p b l 3 7 1 7 内部结构囤 步进电机驱动芯片p b l 3 7 1 7 ，其特点是通过p h a s e 可以控制输出双极性直流电 流，当p h a s e = 1 时，电流从m a m b ；p h a s e = 0 时，电流从m b m a 。在光栅测 试仪中用8 9 c 5 2 的p 2 0 ，p 2 1 通过位操作来控制p h a s e a 和p h a s e b 。p b l 3 7 1 7 中 通过个如图4 3 所示的高压h 桥输出功率放大器，其中采用二极管和各绕组并 第四章硬件系统设计 1 7 联的方法形成浪涌吸收电路，对绕组上的感应电流实现了很好的释放。利用一个 单稳态多谐振荡器产生t o f f = o 6 9 r r c ，宽度的高电平控制三极管s 3 和s 4 导通 与阻塞，来稳定电机绕组电流。当相位p h a s e 从0 到1 时，经过短暂的延时，四个 三极管被阻塞绕组电流由= 极管短路放电。然后三极管s 2 ，s 3 阻塞s l ，s 4 导通， 电流如图4 3 中箭头1 所示从绕组m a 流向m b ，其绕组电流i 的大小和时间t 的关 系，由公式： ，= ( _ 。r ) ( 1 一e 一“哪“) 式( 4 - - 2 ) 确定，其中r 为绕组电阻，l 为绕组电感。当达到i 最大值1 m “时，由多 图4 3 p b l 3 7 1 7h 桥电路与工作过程 时阿 谐振荡器产生锄宽度高电平阻塞s 4 ，电流通过二极管放电，如箭头2 所示。当 p h a s e 从1 到0 时，如箭头3 所示四个三级管阻塞，绕组电流通过二极管短路迅速 放电，以避免感应电流对电机的损坏。这种浪涌吸收电路，二级管的正相电压较 低，吸收效果较好。二极管把绕组感应电流直接短路，阻尼效果强，但是使电机 的高频特性变坏，因此这种结构只限于低速运行的电机，在光栅测试仪中要求的 是运行的平稳性，对速度要求不高，因此采用此种方法。 4 1 5d a 转换器 驱动芯片p b l 3 7 1 7 的v r 信号是模拟信号，所以必须将单片机m c u 2 输出的 数字信号转换成模拟信号才能加载在电机上。 因为电流输出的数模转换器比电压输出的延时小，这里选择了a d 公司生产 的双8 位d a 转换器a d 7 5 2 8 ，电流输出。a d 7 5 2 8 可以与8 0 5 l ，z 8 0 等微处理器 兼容，输入端与t t l c m o s 兼容，低功耗，输入端带一级锁存，工作电压从5 v 到1 5 v 。它的内部由r 一2 r 梯形电阻网和n 沟道电流开关构成的集成电路1 6 j 。 a d 7 5 2 8 根据电路的连接不同有两种工作方式，一种是单极性工作方式，另 i g 光栅自动澳4 试仪的设计与实现 种是双极性工作方式。光栅测试仪中对步进电机的驱动用的是单极性工作方式 如图所示，其参考输入电压与模拟输出电压之问的关系如下式： v o l t = 一( d 2 5 6 ) 其中p 。为模拟输出，为参考输入电压。 v n a v i n b 国4 4a d 7 5 2 8 应用电路豳 步进电机细分控制中a d 7 5 2 8 的应用电路图如图4 , 4 所利。”。采用8 9 c 5 2 微处 理器，双8 位的d a 转换器a d 7 5 2 8 ，构成了步进电机的模拟量脉冲信号发生器。 由于a d 7 5 2 8 输出是电流输出，所以在d a 转换器后面加了一级放大器，把电流 驱动转换为电压驱动，产生的模拟量脉冲信号加在驱动器p b l 3 7 1 7 的参考电压v r 引脚上。 放大器采用l m 3 4 8 ，它内部有四个独立的电压放大器，具有以下特性：供电电 压最大值1 8 v ，v i ( d i f f ) 最大值3 6 v ，输入电压最大值1 8 v ，工作温度o 一7 0 ， 低输入偏向电压为l m v ，低偏向输入电流4 h a ，低输入基极电流为3 0 h a ，增益带 宽1 0 m h z ，输入输出具有过载保护措施。 4 1 6 可编程逻辑器件c p l d 的选择 可编程逻辑器件是当前数字系统设计的主要硬件基础，硬件描述语言v h d l 是实现数字电路设计的一种标准化语言。f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂 可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之 上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它 第四章硬件系统设计1 9 可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人 员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编 程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。 本设计选用了a l t e r a 公司的c p l d 器件，其主要有m a x 5 0 0 0 系列，m a ) ( 7 0 0 0 系列，m a x 9 0 0 0 系列等，这些器件主要是基于乘积项( p r o d u c t t e r m ) 的p l d 结构。 这种p l d 的结构如下图4 5 所示【8 】。 图4 5p l d 结构图 这种p l d 可分为三块结构：宏单元( m a r o c e l l ) ，可编程连线( p 1 a ) 和y o 控制 块。宏单元是p l d 的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。图中灰色部分是多 个宏单元的集合( 因为宏单元较多，没有一一画出) 。可编程连线负责信号传递， 连接所有的宏单元。i o 控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电 极开路输出，摆率控制，三态输出等。图左上的n 帅u t g c l k l ，i n p u t g c l r n ， i n p u t o e l ，i n p u t o e 2 是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用 连线与p l d 中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。 在光栅测试仪数据采集系统中要实现的功能模块比较多，特别是在其中要实 现一个1 2 字节的f i f o ，而c p l d 器件中能实现的触发器有限，m a x 7 0 0 0 系列的 器件不能满足设计要求。所以，本设计使用可编程器件是a l t e r a 公司的c p l d 器 件m a x 9 0 0 0 系列中的e p m 9 3 2 0 l c 8 4 1 5 ，其基本的特性如下【9 】【1 0 l ： 以第三代多阵列矩阵( m a x ) 结构为基础，是一种高性能的c m o se e p r o m 器件； 光栅自动测试仅的设计与实现 g i a x 9 0 0 0 系列器件通过j t a g 接口可实现在线编程： w i a x 9 0 0 0 系列器件引脚到引脚的逻辑延迟为1 0 n s ，计数器工作频率最大可 达1 4 4 9 t t z ； m x 9 0 0 0 系列可编程宏单元触发器具有专用清除、置位、时钟和时钟使能 控制： e p m 9 3 2 0 l c 8 4 1 5 器件有6 0 0 0 个可用逻辑门，3 2 0 个宏单元，4 8 4 个触发 器； e p m 9 3 2 0 l c 8 4 - 1 5 器件有8 4 引脚p l c c 封装，可用i 0 口达6 0 个，容许的 输入引脚电压为5 v ，适用于实验与调试； h lt e r a 公司的t , t a x + p l u sh 集成开发环境支持软件设计和自动放置布局布 线，也支持第三方e d a 工具的附加设计和仿真； 支持a l t e r a 的主编程部件( m p u ) 、b i t b l a s t e r 串口下载电缆、b y t e b l a s t e r 并口下载电缆和其他厂家的编程硬件进行程序下载。 4 2 基于c p l d 实现测试数据采集系统 4 2 1 测试数据采集方法研究 测试数据采集系统要完成对a ，b 信号的处理，测量a ，4 ，( a 国b ) a 信号高 电平的宽度，将宽度数据写入f i f o 的功能。