（计算机系统结构专业论文）透射式光栅测试仪的设计和硬件实现.pdf

摘要 摘要 论文的选题源于“十五”国防预研项目“宽幅面喷墨绘图机的研制”，主要 完成光栅测试仪的总体设计和实现，最终达到可利用它实现对宽幅面喷墨绘图机 所需光栅的质量测试。 论文依据宽幅面喷墨绘图机对所用光栅的实际要求，制定出光栅质量的量化 指标，并进一步确定完成了光栅测试仪系统的总体结构设计与具体实现。 在测试仪系统的总体结构中，以单片机a t 8 9 c 5 2 作为主体部件，利用单片机 控制步进电机带动光栅穿过光电编码器，同时利用系统测量电路对光电编码器输 出的两路正交信号进行测量处理，然后将测量电路测出的数据经过单片机串行传 输到p c 机内，最后，在p c 机上对测量数据进行比较处理，并依据比较结果判 断光栅的质量好坏。 基于上面的结构设计思想，论文通过深入的研究分析，采用通用的中小规模 集成电路，确立完成了光栅测试仪系统的硬件设计和软件设计；完成了系统电路 板的制做；完成了对光栅测试仪系统电路板的分析、调试和测试；并最终使光栅 测试仪在硬件上得到实现。 关键词：光栅测试仪单片机步进电机串行通信 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e l e c t e dt i t l eo ft h i st h e s i so r i g i n sf r o mt h el o t h f i v e - y e a rn a t i o n a l d e f e n s ep r e - r e s e a r c h p r o j e c t t h er e s e a r c h o f w i d t hs c o p e j e t - i n k p l o t t e r ，c o m p l e t ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o f g r a t i n g o f t e s t e r m a i n l y 。r e a c h t o m a k e h s e o f i t t o r e a l i z ea n d t e s t a b o u t t h e q u a l i t y o f t h e n e c e s s a r yg r a t i n go f t h e w i d t hs c o p e j e t - i n k p l o t t e rf i n a l l y a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ld e m a n df o rt h eg r a t i n go f t h ew i d t hs c o p e j e t - i n kp l o t t e r ，t h et h e s i sm a k e t h eq u a n t i z a t i o ni n d e xo f t h eq u a l i t yo f t h eg r a t i n g ，a n dt h e n ，c o n f i r mt h eo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g na n d m a t e r i a l i t yo f t h et e s t e rs y s t e mo f t h eg r a t i n gf u r t h e r i nt h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo ft h et e s t e rs y s t e m ，r e g a r ds i n g l e c h i pa t 8 9 c 5 2a st h ek e yp a r t ，u t i l i z e t h es i n g l e - c h i pt oc o n t r o ls t e p p i n gm o t o rt ot o wt h eg r a t i n gt og ot h r o u g hs m a l lo p t i c a le n c o d e r ，a tt h e s a m et i m e ，m a k eu s eo fs y s t e mm e a s u r ec i r c u i tm e a s u r et w or o u t e so r t h o g o n a ls i g n a lt h a ts m a l l o p t i c a l e n c o d e r o u t p u t s ，a n d t h e n ，t r a n s m i tt h em e a s u r ed a t a s e r i a l l y t o t h ep ct h r o u g h s i n g l e c h i p f i n a l l y ，c o m p a r er n e a s m e d a t a i n t h e p c a n d j u d g e t h e q u a l i t y o f t h eg r a t i n ga c c o r d i n g t o t h e c o m p a r a t i v er e s u l t o nt h eb a s i so f t h es t r u c t m ed e s i g na b o v e ，t h et h e s i s ，t h r o u g hr e s e a r c h i n ga n d a n a l y s i n gd e e p l y ， a d o p t t h es m a l l s c a l ei n t e g r a t e dc i m u i ti nc o m m o n ，h a se s t a b l i s h e da n df m i s h e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g no f t h eg r a t i n gt e s t e rs y s t e m h a sf i n i s h e dt h es y s t e m a t i ce t r c u i tb o a r dt om a n u f a c t u r e ， h a sf i n i s h e dt h ea n a l y s i s ，d e b u g g i n ga n dt e s t i n go nt e s t e rs y s t e m a t i cc i r c u i tb o a r do ft h eg r a t i n g ，a n d m a k e t h e g r a t i n g t e s t e rr e a l i z e d o n t h e h 口d w a r e f i n a l l y - k e y w o r d s ：g r a t i n gt e s t i n ga p p a r a t u ss i n g l e c h 砸s t e p p i n g m o t o r s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 创新性声明 y 。 6 9 5 3 7 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下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他 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作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 本人签名：鳓 本人承担一切相关责任。 日期：至生堑固f 曼口 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于西安电子科技大学。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、缩印或其它复印手段保存论文。( 保密 的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：椒 导师签名 日期：至丝! 目! 夕目 日期：乒吐：盂：彤 辨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的来源及实现意义 本论文的选题来源于“十五”国防预研项目，主要完成透射式光栅钡试仪的设 计，并将其予以具体实现。 透射式直线光栅禊4 试仪的设计和实现，为保证宽幅面喷墨绘图机所使用光栅的质量 提供了现实的理论依据，对于宽幅面喷墨绘图机的研究、实现，对于宽幅面喷墨绘图机 的产品化、产品的系列化都具有积极的现实意义。 1 2 论文的主要内容 论文是基于宽幅面喷墨绘图机对光栅的实际要求，提出光栅质量的量化指标，制定 出所设计透射式直线光栅测试仪的功能指标，并进一步确定光栅测试仪系统的总体设 计。在光栅测试仪系统总体设计的基础上，论文通过深入的研究分析，确立完成了光栅 测试仪系统的硬件设计和软件设计，完成了对光栅澳8 试仪系统电路板的分析、测试和调 试，并最终使光栅测试仪系统在硬件上得到实现。 1 3 论文组织结构 论文第一章主要阐述论文论题的来源、意义及形成过程，并开门见山提出光栅测试 仪的设计指标；在第二章阐述光栅测试仪的设计思想，并确立完成了测试仪的总体结构 设计；然后，从第三章开始详细阐述光栅测试仪系统的硬件设计；在第四章详细阐述光 栅测试仪系统的软件设计：接着，在第五章对基于前面设计所制做的光栅测试仪电路板 的测试和调试做了详细阐述说明；最后，在第六章对论文进行总结说明。 1 4 论题的形成 应用于宽幅面喷墨绘图机的喷头，其在高分辨率下的高精度定位技术，要求对位移 进行精密检测，从而达到良好的喷墨效果。 由于喷头在喷绘一个自然行的过程中，其速度是不均匀的，总是存在加速段，匀速 段和减速段：又由于喷头小车的传送带，无论其采用齿形带还是钢丝绳拖动，都存在弹 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，而 且在匀速段的速度也不是一个常数，所有这些都会引起定位误差，从而直接影响到喷头 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 的精确定位，因此选用直线光栅作为位置反馈元件，并控制喷墨时刻成为我们的必然选 择。 匿l 定在喷墨绘图机上、稳定而均匀的光栅条纹，可以用于反馈精确的位置信号。因 此通过检测光栅条纹反馈出的喷头的精确位置信号，控制喷头喷嘴的喷墨时刻，这样就 使喷绘的象素位置准确、间距均匀，从而克服了原先定时喷射造成的间距不均匀问题。 考虑宽幅面喷墨绘图机的设计要求，选用分辨率为1 8 0 l p i 或者3 6 0 l p i 的直线光栅 作为精度定位检测元件。 直线光栅有两种，种是反射式直线光栅，另一种是透射式直线光栅。反射式直线 光栅的精度比较高，尤其是温度系数小，但是这种光栅的价格高达5 0 0 0 元，米。而透射 式光栅的结构箍单，价格低廉，就但它的温度系数较大，考虑到打印图像的绝对尺寸要 求不严格的事实，在此选用透射式直线光栅。但是国内尚无生产厂家，必须依赖进口， 从目前国内的代理商处得知，进口透射式直线光栅的价格高达2 3 0 0 元，米。 目前，出于喷墨绘图机实际应用的需要以及进口透射式直线光栅的高昂价格，外设 所自行研制了光栅印制机，专门用于印制光栅。实验证明，自制直线光栅在技术上没有 问题，而且成本价很低，如果只算材料费，可将成本控制在2 0 元眯之内，远远低于其 进口价格。但是。为了确保自行生产的光栅质量就应该对其进行质量测试。本论文就是 基于这一事实提出透射式直线光栅测试仪的设计，并将其予以实现。 1 5 光栅测试仪的功能及设计指标 光栅测试仪主要用于检测自行生产的透射式直线光栅的质量是否符合要求。基于宽 幅面喷墨绘图机对所用光栅的实际要求，现提出光栅测试仪的功能指标和设计指标如 下： 光栅测试仪的功能指标： 测试由光敏元件输出的两路脉冲信号的正交性( 相位相差9 0 。) 。 测试黑白栅条纹的分布均匀性。 测试栅条有无损坏。 光栅测试仪的设计指标： 测试的光栅长度：l _ m a x = 5 米。 测试方式：单向测试。 测试速度( 即小车的运动速度) ：l o m f f s 一5 0 0 u n s 。 测试数据输出：通过串口r s 一2 3 2 。 所测光栅分辨率：1 8 0 d p i 、3 6 0 d p i 。 检测精度：低速时是1 o ，高速时是1 。 第二章光栅测试仪的总体结构设计 第二章光栅测试仪的总体结构设计 依据前面所制定的测试仪设计指标，测试仪所测信号数据应首先通过串口串行输入 到p c 机，然后p c 机对输入的数据进行进一步比较处理，这就要求测试仪中应具有数 据存储器件及带有串口的微处理器，以便存储所测量信号的测量数据并将其通过串口串 行传输到p c 机中。 m c s - 5 1 系列单片机总线技术开放，价格低廉，同时该系列单片机进入市场的时间 早，汇编语言指令书写形式与i n t e l 公司8 位i 疆用微处理器相似，容易被接触过i n t e l 通 用微女嘲器汇编语言的用户所接受，因此m c s - 5 1 系列单片机成为测试仪系统所需微处 理器的首选。 2 1 测试仪系统的设计思想 为了将透射式直线光栅的光栅条纹信息转变成为光栅测试仪可测量的电脉冲信号， 在此采用光电编码器来实现，当光 栅穿过光电编码器时，光电编码器 会检测到透过光栅条纹的光信号并 将其转变为s i n o 和c o s o 两路正交 ( 相位相差9 0 4 ) 的电信号脉冲输 出。 j 辐嚣聩濑j ， i ：，：l ：、! ：l i 一，j j ， 。 ，： 雠摹 _ 墨，丑l 盐j 一上_ 一l 一土j ；i j i l + ： ；- ： ： ：i ：。 图2 1 计数脉冲信号丢失现象示意图 对于光电编码器输出的两路电信 号，如果直接进入测量电路进行定时计数测量，将会产生如图2 1 所示的脉冲信号丢失 现象，从而造成计数数值的不可靠。在此采用触发器来实现这两路信号与测试仪时钟信 图2 2 测试仪总体设计波形图 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 号脉冲的同步。将光电编码器输出的s i n o 徊c o s o 两路电信号脉冲分别记作s a 和s b ， 同步后分别产生信号a ，a 及b ，百，从而可形成a ，五和a ( a o b ) 三个测量脉冲 信号，如图2 2 所示。 为测得光栅质量，根据测量所要求的精度，在测量电路中引入一个比光栅信号频率 大的标准测量脉冲信号来对a ，a 和a ( a 。b ) 三路脉冲信号的高电平周期进行脉宽 计数测量，然后对_ i 员6 量结果进行比较。在误差范围内，当a 和a 的标准测量信号脉冲 数分别是a ( a 。b ) 对应信号标准测量信号脉冲数的二倍时，说明光栅质量符合标准 要求。 2 2 测试仪系统的总体结构设计 有两种方法可使光栅以一定速度穿过光电编码器，一种是固定光电编码器，使条形 光栅以要求速度做单向运动，从而达到测试目的；另一种是固定条形光栅，使光电编码 器以要求速度做单向运动，来达到测试目的。在此采用第一种方法，用m c s 5 1 系列单 片机驱动步进电机，从而使条形光栅以要求的速度做单向运动。 由于所测数据的实际复杂性，m c s 5 1 系列单片机无法直接完成对数据的处理，因 此先用数据存储器将所测量数据暂存起来，等光就嗽4 量完毕，再通过m c s 5 1 系列单片 机的串口将数据存储器内测量数据串行传输到p c 机内，以便于p c 机对测量数据做进 一步的比较处理，最后，依据处理结果确定所测光栅的质量是否符合要求。 如图2 3 所示光栅测试仪总体结构框图，其中以m c s 5 1 单片机做为整个系统的 核心芯片；光电编码器电路用于产生、输出两路正交脉冲信号n 和出：同步电路用于 同步光电编码器电路输出两路正交脉冲信号认和s b ，并形成a ，a 和a ( a s b ) 三 路脉冲数字信号；三路脉宽测量电路用于实现对a ，a 和a ( a o b ) 三路脉冲数字信 号进行信号高电平周期的脉宽测量，同时将测量的数据暂存于各自对应的测量数据存储 器；当脉宽测量电路完成对a ，a 和a ( a s b ) 三路脉冲数字信号的脉宽测量并将所 测量数据存入测量数据存储器后，测试仪系统利用m c s 5 1 单片机控制，将暂存于测量 数据存储器内的数据通过串行通信电路传输到上位机( p c 机) 中，以便上位机对其进 行比较处理，并判断所测光栅是否符合质量标准，另外，串行通信电路也可用于单片机 与上位机之间的指令信息传递。当然，m c s - 5 1 单片机通过步迸电机驱动电路控制步进 电机带动光栅穿过光电编码器，从而引发脉冲信号嗡和s b 的产生。 在图2 3 中，未标出数据从咏冲信号测量处理电路到存储器及从存储器串行传输到 p c 机时数据地址的转换传递。考虑到m c s 5 1 单片机在开始时要控制步进电机以带动 光栅移动，如果再用它并行控制数据传输的地址变换，而且是三路地址变换，显然这是 不可能的。为此，测试仪系统采用计数器来控制数据传输的地址变换，日f 在每一路信号 处理中设计两组计数器，一组用于对信号计数( 数据计数器) ，另一组用于控制数据传 第二章光栅测试仪的总体结构设计 送的地址变换( 地址计数器) 。这样，在数据从脉冲信号测量电路到测量数据存储器 时，仅使用地址计数器就可以完全实现数据按地址传递，而m c s 一5 1 单片机这时可以专 用于步进电机的控制；在数据通过m c s 一5 1 单片机串口从测量数据存储器串行传输到 p c 机时，步进电机已经停止工作，可以通过m c s 5 1 单片机来控制地址计数器以达到 数据传输时的地址变换。 测试仪总体结构框图中的测敝自检电路是用于对测试仪的系统电路板进行自检而 设置的。通过测试仪自检电路输出已知的标准正交脉冲信号z a 、z b ，该信号传入测试 仪电路，如测量结果与已知的信号数据吻合，说职测试仪系统工作正常，然后便可以用 于测量从光电编码器输出的信号s a 、s b 。为此，在测试仪电路板上设计一个4 端口 ( 电源线、地线以及两个正交信号线) 的接口，这个接口由光电编码器电路和测试仪自 检电路共用，即使用测试仪时，先将测试仪自检电路插入测试仪所设计的接口，利用自 检电路输出的已知信号z a 、z b 对澳4 试仪系统进行自检，当自检通过后，拔下自检电路 接头，换上光电编码器电路接头，以便对光电编码器输出的信号俄、s b 进行测量。 匿 矗再 睦 珊o 协 串口 同 1 r 阳) 艘d# 制遁信 出 i 电路 j m c s 5 l 1 一 单片机 步 a 】l t 2 宽l f 嚣b 4 e 0 f e 测量电路 = 习钏q 里戳侣。 存捕器 d】田 测 电 k rp 0 试 z a 仪 - i t , 步进 自f p 0! 蟓 电机 检 z 1 3 路 a ( a o 啦 t 4 脉宽 = = d 钡。量数据 驱动 o od 辑 电路 电 - - i 存l 瓒嚣 测量电路 路 图2 3 光栅钡4 试仪总体结构框圈 总之，在整个测试仪系统设计中，利用m c s - 5 1 单片机控制步进电机驱动电路以带 动光电编码器运动，以及通过光电编码器的光信号到电信号的转换来完成测试信号s a 和s b 的产生；通过脉宽测量电路和测量数据存储器来完成对a ，a 和a ( a 。b ) 三 路脉冲数字信号的脉宽测量及测量数据的存储；采用m c s 5 1 系歹0 单片机串口控帛0 数据 从测量数据存储器到p c 机的串行传输。并且在数据从脉宽测量电路到测量数据存储器 及从测量数据存储器通过m c s ，5 1 单片机传输到p c 机时，测试仪系统采用计数器来控 制数据传输时数据存储地址的变换。 6 透射式光栅测试仅的设计和硬件实现 2 3 测试仪系统的可靠性设计 为了增强系统的可靠性，测试仪系统将完全采用高速c m o s 电路系统，这不仅可 以避免由于采用不同工艺而造成的相互之间的电平转换问题，而且由于c m o s 电路的 优异特性可增强整个系统的可靠性，并降低整个系统的功耗。 c m o s 电路的优异特性特别是在满足数字系统可靠性方面【3 2 j ： 具有较高的逻辑电平噪声容限，其抗噪声干扰能力强。 输出电平摆幅大，即使在电压较低的条件下，也能满足逻辑电平的要求。 电源电压范围宽，在电源变化较大范围内仍可正常工作。 在c m o s 电路独有的低功耗运行( 静态) 方式下，c m o s 电路对噪声失敏，这有 利于减少系统的失误概率。而且，目前c m o s 集成电路的性价比也很高。 由于电机驱动电路为大功率，大电流电路，如果其回路地线与测试仪系统板上其它 电路的地线共用，那么，其过大的回路电流会对其它电路形成干扰。为了防止这种干 扰，在设计中采用将电机驱动电路的地线单独设计，即在测试仪系统板上为电机驱动电 路单独设计一条有别于其它电路的地线，并对其进行加粗处理，从而使系统的抗干扰性 得到加强。 第三章光栅测试仪系统的硬件设计 7 第三章光栅测试仪系统的硬件设计 依据第二章的测试仪总体结构设计，本章将分六大模块来阐述光栅狈试仪的硬件设 计，即s a 、s b 信号的采集电路；啦、s b 信号的同步电路；a ，a 和a ( a 。b ) 三路 脉冲数字信号的测量及存储电路；信号钡4 量数据从澳4 量数据存储器到p c 机的串行传输 电路；步进电机的驱动电路；以及测试仪自检电路。由于在这六大模块电路中m c s 一5 l 单片机都起着无可替代的重要作用，可以说澳4 试仪系统的核心部件就是m c s - 5 1 单片 机。因此在本章中将首先说明m c s 5 1 单片机的选择。 3 1m c s 5 1 单片机的选择 目前，标准m c s 5 1 内核单片机芯片，如8 0 3 1 3 2 、8 0 5 1 5 2 、8 7 5 1 5 2 等已停产，主 流的m c s 5 1 及兼容芯片均以增强型m c s 5 1 作内核。基于这种现状及市场供货隋况， 选用a t 8 9 c 5 2 作为所需微处理器。 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 1 、 8 9 c 2 d 5 、8 9 c 5 1 、8 9 ( 3 5 2 等。测试仅系统中采用了市场上供货充足的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、采用 c m o s 工艺制造的8 位微处理器芯 片。它内含8 k 字节的闪烁电存储 器( f l a s h r o m ) ，该存储器可以进 行1 0 0 0 次的编程和擦写。a t 8 9 c 5 2 芯片删帅的引脚情况如图3 1 所 不o a t 8 9 c 5 2 的主要资源有： 8 k 字节的片内闪烁电存储 器： 2 5 6 8 _ b i t 片内r a m ； 3 2 条可编程加线； 三个1 6 位定时计数器； 六源两级中断结构； 全双工可编程串行通道； ( t 2 i p i o l t 2e x ，p i 1 p 1 2 p 3 p 1 4 p 1 5 p 。b p 7 r 3 t r x d i p 3 o t x d i p 3 1 i r 矿巾i p 3 2 f 胛ip 3 3 r r 0 p 3 r n lp 3 s ( i 蹋l p 3 b r o i p 3 7 xt _ l 2 x 1 l 1 g n d 片内含有振荡器及时钟电路，等等。 v c c p 1 1 d ( a d o ， p o 1 ( a c l ) p i i 一2 ( a 0 2 l p 0 3 ( a n 3 l p o 一4 ( d 4 p n 5 b s p 0 6 【 d b p o 7c a d 了 e 酊v p p a l e t 角罚陋 p s e n p 2 7 c 1 5 p 2 一bl a l 4 p 2 st a 3 p 2 c 2 p 2 3l 1 1 p 2 2 l 1 口) i z - 2 l a 9 p 2 0 8 图3 1 单片机a t 8 9 c 5 2 芯片的引脚排列 咿的拍竹弘鲳弘”：；”如拍姐蚵暑辐玛恕引 p r ， ，2 3 5 b 7 o 9仰”伯：2仆仆竹加 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 a t 8 9 c 5 2 具有以下特性： - 片内有8 k b 可重复编程的闪烁存储器，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肯4 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 1 v l h z ，而且不一定需要连续的时钟， 在空闲等待时间，时钟频率降为0 亦无妨。 - 有三种封装形式：p d p ( 4 0 脚) 、p q f p f f q f p ( 4 4 脚) 和p l c c ( 4 4 脚) 。测试仪系 统采用p d p ( 4 0 昏奶。 编程电压为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。 在设计中选用1 2 m h z 的晶振频率作为整个系统的时钟频率；考虑割设计中采用计 数器来对数据进行地址定位控制，即单片机p 0 口不作地址数据复用口，故在p 0 口的 各位各加一个5 1 k 的提拉电阻。 3 2 信号s a 、s b 的采集电路 信号s a 、s b 采集电路中的主要问题在于，当单片机驱动步进电机带动光栅条穿过 光电编码器时，光电编码器如何产生、输出损f j 试仪系统电路需要采集的n 、s b 信号。 该电路所涉及的器件主要是光电 编码器。下面首先介绍光电编码 器的选择并说瞻盔该电路中s a 、 s b 信号的产生。 要完成把透过光栅的光信号 转变为可测试的数字脉冲信号， 就必须有一个光电转换器，而光 编码器h e d s ，9 7 3 0 - 1 5 0 正好满足 这种需求。 光编码器肛d s 9 7 3 0 1 5 0 是 上d 一种高性能、低价格、线性、标 准安装的光学编码器件，其分辨 图3 2h e d s - 9 7 3 0 _ 1 5 0 光编码器引脚排列 率为3 6 0 l p i ，其单工作电源为 + 5 v ，使用它与直线光栅起构成系统时，可以用来检测直线光栅的直线位移。其引脚 排列【1 7 1 如图3 2 所示。 第三章光栅测试仪系统的硬件设计 3 2 1 光编码器工作原理 小型光编码器h e d s 9 7 3 0 。1 5 0 1 1 为c 型封装发射检测模块，内部包含个带有 透镜的l e d 光源和一套检测电路。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。因为该模块具有高度校准的光源和独特的光探钡4 器件阵列，因此安装 时，即使在未校准的情况下也能正常工作。 如图3 3 所示h e d s 9 7 3 0 1 5 0 结构示意图旧，该结构模块采用单个发光二极管 ( 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 图3 3t i e i ) s 一9 7 3 0 1 5 0 结构不意图 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。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使检测器接收到的光线出现间 断。用于检测这些间中断光线的光电二极管排列成与直线光栅要求的计数密度相吻合的 一列，两个光电二极管的几何位置相距t 4f r 为光栅的几何周期) 。光电二极管的输 出送入到编码器的信号处理电路，编码器的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 通道输出的信号蚺与b 通道输出 的信号s b 相位相差9 0 。 3 2 2 信号s a 、s b 的产生 在h e d s - 9 7 3 0 0 1 5 0 的结构图中，信号处理电路安排有4 组挡板和光电器件组合 _1。；l一 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 通过它们产生4 个在相位上相差9 0 。的准正弦波信号，分别称为a ，b ，五和百，将 相位相差1 8 0 。的a 和i 送到一个比较器的两个输入端，则在比较器的输出端得到占空 比为5 0 的方波信号s a 。同样，由b 和豆也可得到方波信号s b 。这样通过光电检测器 件位首的特殊安排，得到了如图3 , 4 所示的双通道的光电脉冲输出信号s a 和s b 。这两 个信号有如下特点： 两者的占空比均为5 0 ： 如果朝一个方向旋转时a 信号在相位上领先于b 信号9 0 。的话，那么旋转 方向反过来时，b 信号在相位上领先于a 信号9 0 。 a a s a 广 厂 厂 厂 b b 8 8l 厂 厂 厂 广 图3 4 双通道信号s a 、s b 的脉冲形成 3 3 信号s a 、s b 的同步电路 光电编码器输入的两路信号豳和 s b ，测试仪系统首先对其进行同步处 理。在光栅测试仪系统中，采用d 触发 器m 7 4 h c 7 4 1 3 1 1 1 4 1 来完成此功能需求。 另外，应为其选定一同步的时钟脉冲信 号n ，n 是测试仪系统时钟信号经过4 分频后产生的信号。关于测试仪系统时 钟信号的4 分频后面将作专门说明。 图3 5 同步电路图 图3 5 显示了对光电编码器输 的脉冲 信号s a 进行与测试做系统时钟同步的同步电路。图3 6 显示了同步电路的仿真信号输 出。对脉冲信号出信号的同步处理与脉冲信号n 的同步处理完全相同。 在信号同步时会产生一两个系统时钟脉冲的偏差，如图3 s 所示，当s a 信号从高 第三章光栅测试仪系统的硬件设计 电平变为低电平时，f l 脉冲信号正好处于下降沿，那么其同步信号a 只好等到n 脉冲 信号的下一个脉冲上升沿，这样一来，a 信号的高电平相对于哦信号宽出一个n 脉 冲，从而其低电平相对于虹信号缩小一个n 脉冲。对于s b 信号同样会发生这种偏 差。然而这种偏差是由系统浸8 试方法引起的，而且偏差范围在钡0 试仪所要求误差范围以 内，因此该方法在测试仪系统中是完全可行的。 通过同步电路系统形成a 、a 信号以及b 、b 信号，为了形成系统所需要的a ( a s b ) 信号，由于a ( a o b ) = a b ，故只需将同步电路形成的a 、b 信号通过与门 相与即可。 图3 6s a 信号经过同步电路的仿真结果 3 4 脉冲信号的脉宽测量及测量数据存储电路 在总体结构设计中已经提到，m # h 、五和a ( a s b ) 脉冲数字信号的脉宽测量 处理是通过计数器来完成的，尔后将其暂时存入测量数据存储器，完成对信号测量数据 的收集；然后，等待单片机的提取和传输，因此计数器和测量数据存储器的选择问题成 为首先要解决的问题。 3 4 1 计数器和存储器的选择 前面已经提到，对光栅质量的测量是采用标准测量脉冲信号来对a ，x 和a ( a ) - - 4 脉冲信号的商电平周期进行脉宽计数测量，这就要求选用合适的计数器 来完成此功能。另外，由于三路脉冲信号同时采用计数器进行计数测量，所计数据值难 以回时进行即时处理，因此需要利用数据存储器将所测量数据暂存起来，这样就有了数 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 据存储器的选择问题。 由于测试仪系统所测光栅的分辨率精度有1 8 0 d p i 和3 6 0 d p i 两种，所测光栅在步进 电机的带动下以2 0 m m s 5 0 0 m m s 的速度在光电编码器的发射器与检澳4 器之间进行移 动，而且l m a x = 5 m ，因此可以算出所测试光栅所含光栅条数的最大数值为： n m a x = 5 m 3 9 3 7 i n 3 6 0 d p i 2 ” 1 m = 3 9 3 7 i n 。 ( 3 1 ) 考虑实际情况，在此选择提供6 4 k 存储空间来存储数据。 对于采样脉冲( 标准测量脉冲信号) 的频率选择，由于测试仪系统的测试精度在低 速时为1 ，高速时为1 ，即每个光栅条纹周期至少应有1 0 0 0 个采样脉冲。取分辨率 为3 6 0 d p i ，其采样脉冲数值至少应有1 0 0 0 个采样脉冲。 由于1 3 k ( m ) = 3 9 3 7 英寸( i n ) 1i n * 2 5 4 州州， ( 3 2 ) 从而分辨率；勾3 6 0 d p i 的光栅条纹宽度为：d = 2 5 4 m m 3 6 0 ， ( 3 3 ) 选取测试速度为中低速度值： 1 ，= 5 0 m m s ，( 3 ，4 ) 那么编码器通过一个光搬条纹所需时间为：t = d v ， ( 3 5 ) 若光栅条纹分布均匀，那么一个光栅亮条纹通过编码器所需时间： f = t 1 2 。 ( 3 6 ) 综上可知，假定采样脉冲频率为f ，那么此时 f _ - 1 0 0 0 f ：1 0 0 0 x 2 x v 1 4 m h z ( 3 7 ) 。 矗 也就是说采样脉冲的频率至少应达到1 4 m h z 。 由于在整个测试仪系统中还需要一些脉冲信号用作电路控制信号，比如用于同步电 路的信号哦、s b 的同步控制信号等，因此可考虑将a t 8 9 c 5 2 微处理器芯片所加的 1 2 m h z 的时钟信号引出，并对其进行4 分频，从而形成4 个连续的i 司步脉冲f l 、也、 8 、饵，按系统时序用其中之一作为采样脉冲信号f ，其频率都为3 m h z 。从而当所选 取测试速度为最小值v = 2 0 m m s 时，可推算出计数器所计数据的最大值m 二。为： m 一= 坐厂“5 2 9 2 2 1 3( 3 8 ) y ( d r 2 ；光栅亮条纹的宽度：v ：光棚移动最小速度；f 采样脉冲的频率) 由此可确定计数器的输出数据位数是1 4 位。因为a t 8 9 c 5 2 芯片是8 位微处理器， 其数据总线有8 1 6 条，因此测试佚系统设计中选采用1 6 位计数器，即选用6 4 k x1 6 位存储器。 为此，系统设计需要六个1 6 位计数器，其中三个分别对a ，a 和a ( a o b ) 三 个信号进行计数测量操作，并将每一个计数测量结果分别存放三个6 4 k x l 6 - b i t 的数据 第三章光栅测试仪系统的硬件设计 存储器中，另外三个计数器来完成测量数据存储于存储器时对存储器的地址定位控制。 设计中选用8 位计数器m 7 4 h c 5 9 0 来组合形成6 个1 6 位计数器以满足光栅测试仪 系统的需要，这主要考虑到以下三点：1 6 位计数器目前市场上很难找到，而8 位计 数器m 7 4 h c 5 9 0 在市场上容易买到；计数器m 7 4 h c 5 9 0 具有输出缓冲锁存功能。 不用再对其接三态门锁存数据，从而使电路得到简化；m 7 4 h c 5 9 0 计数器的最大计 数频率为6 2 m h z ，完全满足所测信号最大3 m h z 的需要。 另外，计数器m 7 4 h c 5 9 0 叭】还具有以下一些特性： 高速：v c c = 5 v 时，f 删= 6 2 m h z ( 典型值) ，完全满足测试仪系统需求。 - 低功耗：t n = 2 5 时，i c c = 4 u a ( m a x ) 。 ，高的抗干扰洼：v n m = v 皿一2 8 v c c ( m i n ) 。 - 强的输出驱动能力： 对r c o ( 级连信号) ，可连接l o 个l l s r 几负载； - 对q a q h ( 数据信号) ，可连接1 5 个l l s t i z 负载。 稳定的延迟：t 咄= t 眦 - 操作电压幅度宽：v c c ( o p r ) = 2 v 6 v 。在系统中选用5 v 电压。 m 7 4 h c 5 9 0 计数器 0 1 1 采用 c 2 m o s 工艺结构，内含8 - b i t 可并行 输出的三态存储寄存器，这样在电路 设计时就不用再考虑接锁存器。进位 输出信号r c o 可用于扩展计数器位 数，通过它可将8 位计数器扩展为1 6 位计数器，以满足设计要求。其逻辑 框图如图3 7 所示，m 7 4 h c 5 9 0 计数 器将控制计数器计数时钟脉冲和控制 寄存器使能的时钟脉冲分开设置，也 就是说，脉冲计数状态总是先于数据 寄存状态。但在测试仪系统实际设计 中系统电路仅提供了一个脉冲信号用 作控制计数器的时钟脉冲信号，为此 q a q b o cq dq e q f0 0q hr c o o u t p u t s 可将系统所提供脉冲信号同时连接在计数器 图3 7m 7 4 h c 5 9 0 逻辑方框图 的c c k 、r c k 端口上来完成计数。但这样 会造成计数结果丢失一个脉冲的现象，对于这个问题可以从两个方面加以解决：通 过软件来对计数结果加以修正，即将计数结果进行“加1 ”操作，以实现最终计数结果 正确：莲甄通过硬件来加以解决，为此可将系统所提供脉冲信号接在计数器的c c k 端 口上，同时给该信号并接一个反相器使其时序得至0 延迟后接在计数器的r c k 端口上， 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 这样就可实现计数器控制计数时钟脉冲和控制寄存器寄存数据的时钟脉冲分开设露，其 电路如图3 8 所示，该电路经仿真，结果显示符合设计要求。另外，计数器的计数时钟 和寄存器时钟都是上升沿触发有效。 对于数据存储器，考虑到电路组合的复杂性，考虑到电路组合的不可靠因素( 增加 7 4 h c 5 9 0 图3 8m 7 4 h c 5 9 0 所构成1 6 位计数器电路图 储器读写速度的要求。 a 0 q 1 a 2 a 3 a 4 a 5 瞒 酊 a b a 9 a 1 0 a 1 1 q 1 2 a 1 3 q 1 4 a 1 5 接插件和焊点会带来电路的 不可靠因素) ，测试仪系统选 用单片c m o s 集成电路 i d t 7 1 0 1 6 1 0 3 1 ( 6 4 k x l 6 - b i t s r a m ) 。i d t 7 1 0 1 6 静态存储 器采用i d t 的商性能、高可 靠性的c m o s 技术制作，结合 最新的电路设计技术，有效 地解决了对存储器的高速要 求：采用静态异步电路，在 数据的存储过程中无需进行 电路的定时刷新，从而进一 步满足了存储器的高速要 求。其输出使能仅为7 n s , 寻 址时间只有1 2 n s ，这完全满 足光栅测试仪系统对数据存 s r a mi d t 7 1 0 1 6 具体特性表现以下： - 6 4 k x l 6 b i t 的高速c m o s 静态存储器，满足测试仪系统需求。 存取时间：商用级和工业级相等，即为1 2 1 5 2 0 n s ，满足测试仪系统需求。 ，一个片选引脚和一个输出使能引脚。控制方便。 与t t l 兼容的、双向的数据输入输出。 - 通过片选引脚无效而形成低功耗。 有高8 位字节和低8 位字节使能引脚。控制方便。 - 单个5 v 直流电源电压。 s r a mi d t 7 1 0 1 6 的功能原理图如图3 9 所示。 第三章光栅铡试仪系统的硬件设计 丽e 靛 图3 9i d t 7 1 0 1 6s r a m 的功能框图 3 4 2 系统时序信号及控制信号的形成 要构造测试仪系统对信号的同步、对信号的脉宽测量及测量数据的存储等电路，就 必须对系统电路的时序信号有一个清晰的整体认识。 图3 1 0 显示了整个系统电路的时序信号。其中婢和s b 表示从光电编码器输出的 两路正交信号，a ，b ，a ，b 是s a 和s b 经过同步电路后形成的与n 同步的脉冲信 号。将信号a ，b ，a 和b 通过电路组合形成a ，a 和a ( a o b ) = a b 等测试仪系统 需要进行高电平脉宽测量的脉冲信号。信号p a d d f ，p t 、d a , ，p a 一丽，p t 面i ，p 九瓦i 和 欺e 匝分别用于实现对所测量信号a ，a 脉冲信号的脉宽测量数据存储地址定位控制 和存储，以及控制相应数据计数器的适时清零刷新，对于a ( aob ) = a b 信号的测量 控制将采用测量a 信号的控制信号( p n * ，p a - 试，p a - i 孺) 进行控制，从而达到所 透射式光栅测试仪的设计和硬件实现 测a ( a o b ) = a b 信号的测量数据与所测a 信号、a 信号的测量数据一一对应，以 便于随后对这些测量数据进行比较处理。下面就这些脉冲信号的产生做一深入细致的说 明。 前面在同步电路中已经提到，要使用测试仪系统1 2 m h z 时钟频率信号f 0 进行4 分 频后所产生的脉冲信号n ，来作为对s a 、s b 信号进行同步的同步脉冲信号。时钟脉冲 信号进行4 分频的方法很多，比如可用触发器来搭建电路，可用d 触发器来实现， 还可利用一些现成电路实现，比如四进环形计：n t 3 9 1 ( “1 ”循环) 。在测试仪系统中采 用计数器7 4 h c l 6 1 【l5 j 和译码器7 4 h c l 3 8 1 6 1 来实现。如图3 1 1 所示电路，测试仪系统时 钟f o = 1 2 m h z 经过该4 分频电路形成频率为3 m i - i z 的序列脉冲f l 、t 2 、f 3 、f 4 。图3 1 2 显示该电路仿真结果。 在系统的总体设计中采用数据计数器来对信号a ，a ，a ( aob ) 的高电平脉宽进 行计数测量处理，并对测量出的数据进行地址定位，从而使数据即时准确的传入对应的 测量