（仪器科学与技术专业论文）基于单片机和cpld的粗光栅位移测量系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 半个世纪以来，世界各国都在致力发展位移传感器和数字测量系统。由于光 刻、复制技术和微电子技术的迅速发展，光栅位移测量系统的生产成本大幅度下 降，技术指标不断提高，分辨率已经覆盖了微米级、亚微米级到纳米级。机床和 测量机9 0 以上都是用光栅进行位移测量和控制。粗光栅测量系统采用栅距为 o 6 3 5 m m 的粗线纹光栅尺，用自制的图像传感器c g 2 0 0 接收光强信号，具有传感 头与光栅尺之间的间隙特别大( 1 5 4 - 0 5 r a m ) ，对安装使用环境要求不高，接长方便， 抗污染能力强，可靠性好等优点，具有广泛的应用前景。 本文研制基于单片机和c p l d 的粗光栅位移测量系统。用c p l d 实现对测量 信号的准确鉴相和高倍细分，单片机完成数据采集、运算、处理，显示等任务。 具体内容包括： 1 、在掌握粗光栅系统测量原理的基础上，对影响粗光栅测量系统精度和速度 的各因素进行了分析，指出提高传感器的性能是实现高速高精度测量的关键。 2 、模拟部分信号处理电路设计。其功能是对传感器输出的正弦型视频信号进 行滤波及二值化处理，以及对信号幅值进行监视。 3 、c p l d 内部逻辑设计。包括产生传感器正常工作所需要的驱动信号：鉴相 和细分功能的实现；单片机系统所需各种控制信号的实现等。 4 、单片机系统硬件设计。包括键盘接口，液晶显示器接口，电源监控及数据 掉电保护电路接口，扩展数据存储器，与c p l d 的接口等。 5 、单片机系统软件设计。采用单片机c 语言开发了位移测量程序，键盘程序， 液晶显示程序等。 6 、系统p c b 板的设计与器件安装。 7 、系统调试与位移测量实验。 用课题研制的系统进行了初步的位移测量实验，对比实验装置为成都量具刃 具股份有限公司生产的g s 1 0 0 5 a 型细光栅数显器。实验结果验证了系统软硬件设 计的正确性。由于采用c p l d 代替原有的中小规模数字电路，使系统的体积大大 减小，调试和修改方便，系统稳定性得到提高。同时，单片机的采用使系统灵活 性和通用型得到增强。 关键词：粗光栅，位移测量，单片机，c p l d ，c 语言 重庆人学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t f o rh a l fac e n t u r y , m a n yc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l dh a v eb e e nt r y i n gt od e v e l o p d i s p l a c e m e n ts e n s o r sa n dd i g i t a lm e a s u r i n gs y s t e m s n o w a d a y s ，t h ec o s tf o rp r o d u c i n g ar a s t e rd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e ns h a r p l yr e d u c e db e c a u s eo ft h e a d v a n c i n gt e c h n o l o g i e so fo p t o e t c h ，d u p l i c a t i o na n dm i c r o e l e c t r o n i c s t h eu p t o d a t e g r a t i n gm e a s u r i n gs y s t e m se a r lm e a s u r ew i t ht h ea c c u r a c i e so fm i c r o n , s u b - m i c r o no r e v e nn a n o m e t e r av a r i e t yo fr a s t e ra r ea p p l i e dt ou pt o9 0 m a c h i n et o o l sa n dm e t e r s f o rd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h ec o a r s eg r a t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m s e m p l o yc o a r s eg r a t i n gw i t hn 6 3 5 m mg a p e a n das e l f - s c a n n i n gp h o t od i o d ea r r a y s e n s o rc g 2 0 0r e c e i v e st h el i g h ts i g n a l 1 1 1 em e r i to ft h ec o a r s eg r a t i n gm e a s u r i n g s y s t e m si n c l u d e sl a r g eg a pb e t w e e nt h es e n s o ra n dt h eg r a t i n g ，e a s i n e s st oc o n n e c ta n d h i 曲r e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , ac o a r s eg r a t i n gd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do ns i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra n dc p l di si n v e s t i g a t e d c p l di su s e dt or e a l i z ep h a s ed e m o d u l a t i o n a n dh i g hd i v i s i o n , w h i l et h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sa p p l i e df o rd a t as a m p l i n g ， d a t ap r o c e s sa n dd i s p l a ye t c t h ei n c l u d e dc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 t h eb r i e fp r e s e n t a t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p a l n e x tt h ea n a l y s i so ft h em e a s u r i n g s p e e da n dm e a s u r i n ga c c u r a c y , t h e nt h ec o n c l u s i o nt h a th i g hs p e e da n da c c u r a c yr e l y m a i n l yo nt h ep e r f o r m a n c eo f t h es e n s o r 2 n l cp r o c e s so ft h ea n a l o g u es i g r l a l t h i sp a r ti n c l u d e sf i l t e r i n g w a v e f o r m c o n v e r s i o na n dt h ea m p l i t u d em o n i t o r i n g 3 t h ep r o g r a m m i n go ft h ec p l d i n c l u d i n gt h e 嘶、i n gs i g n a lg e n e r a t i o nf o r s e n s o r s ，t h er e a l i z a t i o no fb o t ht h ep h a s ed e m o d u l a t i o na n dt h ed i v i s i o n ，a n dt h e g e n e r a t i o no ft h ec o n t r o l l i n gs i g n a l sn e e d e df o rc o n n e c t i o nb e t w e e nm i c r o c h i pa n di t s p e r i p h e r a l s 4 t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c et ok e ：y b o a r da n d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y e rp o w e rs o u r c em o n i t o r i n ga n dr e s e tc i r c u i t s ，t h ee x t e n d e dr a m ， t h ec o n n e c t i o nt oc p l de t c 5 t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m cl a n g u a g ei su s e dh e r et op r o g r a mf o r m e a s u r e m e n t ，k e y b o a r d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y e r ，d a t as a f e t y , e t c 6 n l cd e s i g no f s y s t e mp c bb o a r da n dc o m p o n e n tm o u n t i n g 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 7 t h es y s t e md e b u g g i n ga n dt h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t p r i m i t i v ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tw i t hs e l f - m a d es y s t e m ；t h ev a l i d i t yo ft h e d e s i g n e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ep r o v e db yc o m p a r i s o n s 、新t hag s 一1 0 0 5 af m e g a t i n gd i g i t a lm e a s u r e m e ms y s t e mp r o v i d e db yc h e n d um e t e ra n dt o o ll t d t h e r e s u l t si n d i c a t eas m a l l e r , y e th i g h e rs t a b l es y s t e mb yt h ea p p l i c a t i o no fc p l d ；t h e a d j u s t m e n ta n dm o d i f i c a t i o ng e te a s i e r m o r e o v e r , t h ea d o p t i o no fs i n g l ec h i pc o m p u t e r p e r m i t sm o r ef l e x i b i l i t ya n dv e r s a t i l i t y k e yw o r d s ：c o a r s eg r a t i n g ，d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e m ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , c p l d ，cl a n g u a g e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 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谢意。 学位论文作者签名：砂搿秀 签字日期：出名年，工月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废盍堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废态堂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、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：弹磊 导师签名：素婷揖 签字日期：妒衫年r 月日签字日期：。6 年f1 月f 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存贮、运算、 逻辑判断与自动化操作等功能，有着智能的作用，因而被称之为智能仪器。仪器 智能化的发展主要体现在对传统仪器的改进和新型仪器的出现。智能仪器可以解 决许多传统仪器不能或不易解决的难题，同时还能简化仪器电路，提高仪器可靠 性，降低仪器的成本以及加快新产品的开发速度。基于单片机和c p l d 的粗光栅 测量系统应用智能技术，采用粗光栅尺结合自扫描光电二极管阵列进行位移测量， 具有普通细光栅测量系统不具备的一些优点，对它的研究实现具有很好的现实意 义和应用价值。 1 1 国外光栅数显装置的发展现状 几千年来，人们一直在对长度、长度的单位和长度计量方法进行研究，随着 近代工业和科学技术的发展，对测量提出了新的要求：高精度、大量程和数字化。 半个世纪以来，世界各国都在致力发展位移传感器和数字测量系统，到目前为止， 举世公认的己得到广泛应用的栅式位移测量技术，按照问世的先后次序是感应同 步器、光栅、磁栅、容栅和球栅由于光刻、复制技术和微电子技术迅速发展， 光栅、容栅测量系统的生产成本大幅度下降，其技术指标又不断提高，在机床和 测量机9 0 以上都是用光栅，在量具、量仪9 0 * , 以i - 都是用容栅i l 】。光栅测量系 统的分辨率已覆盖了当今全都的测量系统，从微米级、亚微米级到纳米级，而其 他测量系统从并驾齐驱的地位降为不同应用领域的补充，感应同步器已从辉煌半 个世纪以来逐步被淘汰。当今世界凡是有精密运动控制的地方就有光栅测量系统。 全世界的数显产品生产厂商有几十家，经过近十多年的发展和竞争，目前国际 上形成有各自领域的几家实力较强企业日本s o n y 磁栅虽然还在不断进步，其 光栅已跨人纳米级测量范围，但是市场已逐步收缩。日本过去影响很大的光栅生 产厂m i t u t o y o ( - - - - 丰) 和f u t a b a ( 双叶) 同样也从光栅国际市场回到本土。走在 光栅测量技术的最前沿、拥有最先进的制造技术和产业的企业是德国 h e i d e 玎 ad i 。 h e i d e n h a i n ( 海德汉) 是当今世界先进光栅传感器的代名词，凡是有位移测量 的地方就有海德汉，尤如德国奔驰汽车一样著名，h e i d e n h a i n 在历史上就是一 个精密刻度制造厂，1 9 4 8 年在德国东南部和奥地利相邻的t r a u m e u t 重建该厂时只 有7 个雇员，主要是制造直线尺、角度尺和刻线掩模版，1 9 5 0 年取得命名为d i a d u r 镀膜光刻复制工艺专利，1 9 5 2 年开始生产光学位置测量仪器，其最d , n 度可到1 u m 重庆大学硕士学位论文1 绪论 和1 角秒。该公司从1 9 6 1 年就开始开发光栅尺和圆光栅编码器，从1 9 6 8 年开始 生产光栅数显表，1 9 7 6 年开始生产数控装置，1 9 8 7 年就开发了衍射光栅，最小分 辨率达l n m 。据1 9 9 9 年统计已生产了3 0 0 万台圆光栅编码器，2 5 0 万支光栅尺、3 6 万台数显表和1 3 万台数控装置。h e i d e n h r i n n 一直是将生产技术上始终领先的 产品为首要目的。该公司从上世纪9 0 年代开始就在全世界兼并竞争对手，到目前 为止已兼并了4 0 家企业，构成了一个庞大的h e i d e n h a i n 集团公司，该集团公 司有雇员6 7 0 0 入。h e i d e n h a i n 在德国t r a t m r e u l 总部就有2 2 0 0 人，从事研究开 发的人员超过2 0 0 人。该集团公司的年销售额估计在7 亿欧元，被兼并的公司仍 生产原有的品牌，而h e i d e n h a i n 品牌的传感器只在德国生产，凡是涉及到长度 和角度测量的应用领域都有相应的h e i d e n h a i n 产品，用户都可以方便地找到自 己所需要的规格。他们所生产的光栅传感器刻度的载体具有不同热膨胀系数的材 料，有玻璃、玻璃陶瓷( z e r o d u r ) 、钢叛、钢带；几何光栅的栅距是4 0 u r n 和2 0 u m 测量长度可达3 0 m ，并可订做1 0 0 m 左右的光栅尺，衍射光栅的信号周期是4 u m 和2 u m ，测量长度直到1 5 m ：光栅测量系统的准确度有士1 0 u m ，士5 u m , 士3 u r n 、士2 u r n , 士1 u m 士0 5 u m 和士0 1 u m ，最小步距从5 u m , l u m 。0 5 u m ，o 1 啪直到h a m ；封闭式 光栅尺最大速度是1 2 0 m m i n ；敞开式光栅尺最大速度4 8 0 m r a i n ；最大加速度已达 2 5 0 m ，s 2 最大传输距离已达1 5 0 m l l j 。 1 2 我国光栅数显行业的现状 中国的光栅、容栅数显产业连续5 年来高速发展，每年的销售额均以3 0 的速 度递增。2 0 0 2 年光栅尺及数显表的销售量已超过l o 万座标，销售额超过1 亿元人 民币：圆光栅编码器销售已超过5 万个，销售额达到s 千万元人民币：容栅数显卡 尺销售量已达到8 0 万件，销售额达i 亿元人民币。与此同时中国进口高、中档光 栅传感器的金额也超过1 千万荚元。中国光栅、容栅数显产业已形成了强有力的 规模经济，实现了产业化，参与了国际交换和竞争。中国金切机床年产量约为2 0 万台，机床的数显化率已超过3 0 ，产值数控化率为3 6 。民营、三资企业是数 显的主要市场。随着现代制造业的发展，国企的改革和西部大开发，中国数显产 业还会继续高速发展。光栅尺的龙头企业是长春光机、信和、怡信、万壕，他们 的年制造能力都在3 万座标以上；圆光栅是长春一光，处于绝对优势的地位，年 制造能力超过2 0 万个；容栅数显的龙头企业是桂林广陆，今年的制造能力将达到 1 0 0 万件。中国光栅传感器的出口量占总销售量的3 0 ，桂林广陆容栅数显卡尺出 口量占到产量的9 0 2 1 。 中国数显产品的水平如下： l 、光栅尺 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 近两年来各厂家的镀膜、光刻和复制技术都有很大提高，制造和检测环境都有 较大改善，主要厂家都能制造3 m 以内的光橱尺，准确度在士1 0 u r n 的基础上向：5 u m 提高，测量速度也由4 8 t r d m i n 提高到了6 0 m r a i n ，其中信和公司l u m 分辨率的光 栅尺能达到1 2 0 m m i n ，并应用在三轴联动的数控铣床中。在产品开发方面莱格公 司也开发了钢带光栅尺和绝对式直线光栅尺。国产光栅尺( 玻璃透射光栅) 总体指标 为：栅距：4 0 u r n , 2 0 u m 和1 0 u m ；分辨率：1 0 u m ，5 u m ，l u m 和0 5 u r n ；最大测量长 度：3 m ( 接长可至1 2 m ) ；系统准确度：t ：1 0 u m m 、+ 5 u m m ；钡t j 量速度：4 8 m ，r a i n ， 6 0 m r a i n 。 2 、光栅数显表 各个厂家都充分应用了现代信息技术和微电子技术的成果，普遍采用可编程逻 辑器件( p l d ) 及现场可编程门阵列( f p g a ) 。缩短了产品开发周期，降低了制造成本。 大大地压缩了电路结构，在普遍采用的表面安装技术( s m t ) 的基础上数显表都做成 了低功耗的单板结构，电源几乎都采用输人电压为1 0 0 2 4 0 v 的开关电源，机箱也 采用了铸铝的轻型结构，总的说来数显表已大大地缩小了和国外产品的差距，但 是光栅倍频数仍为4 和2 0 。现在光栅测量系统的应用除了各种机床外已广泛用于 投影仪、影像仪、对刀仪、万工显等1 3 j 1 3 粗光栅位移测量系统的研究现状 为了克服传统的位移传感器工作间隙小( 一般小于0 2 r a m ) ，使用比较娇气等特 点，荷兰菲利浦公司在上世纪七十年代末期推出了基于相位调制的租光栅精密位 移测量系统，该位移测量系统弥补了细光栅测量系统的不足，光栅尺栅距为 0 6 3 5 m m ，传感器与光栅尺之间的距离可达1 5 m m 左右，使用时光栅尺不用密封， 可让切削等异物自由通过，系统工作可靠，不娇气，接长方便，特别适用与在恶 劣环境下工作的大中型机床，测量长度可达2 0 - - 3 0 米以上 4 1 。 相位调制型粗光栅测量系统的特点： l 、相位系统具有模拟系统的特点，通过测量相位角来表示机械位移量的大小。 由于相位是从o 一3 6 0 0 连续变化，只要伺服系统或相位一数字转换器能够鉴别，理 论上就能将位移分解到任意小的微小程度。因此，就为采用粗光栅创造了条件， 波形的非正弦性产生的谐波可用滤波器滤去，理论上精度只取决于光栅线纹的平 均位置。 2 、系统是交流工作方式。相位调制信号在时间上是连续存在，各种干扰信号 可能扰乱某一扫描周期中的相位，但是干扰一旦消失，后继扫描周期中的相位随 即恢复正确关系。因此，具有很强的抗干扰能力，即使机床滑板停止移动，也篚 产生确定的单值相位信号。 3 重庆大学硕士学位论文t 绪论 3 、光栅及自扫描光电二极管阵列的采用，能显著增加光栅尺与传感器间的空 隙，对有金属切削、灰尘、冷却莉、润滑油的环境条件，不需要特殊的防护措施， 极大的提高了使用性能。而且大大的减小制造及安装调整的困难，降低了成本， 易于维护。 4 、粗光栅系统工作可靠，稳定，不仅适用于机械加工中的定位，尤其适用于 连续轨迹控制系统。可以根据需要任意接长，抗干扰能力强，精度高，可达到同 类数显系统( 细光栅数显器，感应同步器等) 的精度，适用于精密机床的精密加工及 各类机床数控数显。由于接长方便，特别适用于大型机床的数显改造。 由于粗光栅位移传感器有一系列独特优点，它在机床数显化改造和数控机床 中使用增多。据了解最近进口到我国的的数控机床中有的也已经采用荷兰菲利浦 ( 已被h e i d e n h a i n 公司收购) 的粗光栅传感器。 由于国外对我国进行技术保密，国内对租光栅测量系统的研究进展缓慢。重 庆大学光电集成电路研究室，在1 9 8 8 年研制成功采用自扫描光电二极管阵列接收 信号的粗光栅测量系统，其主要技术指标接近国外8 0 年代初的水平，为国内首例。 此后，该研究室成功研制了基于m o s 图像传感器c g 2 0 0 的粗光栅位移测量系统， 其测量误差小于士1 0 u m ，分辨率为l u m 。 1 4 本文研究的意义及内容 1 4 1 本文研究的意义 如前所述，国内对租光栅系统的研究较少，重庆大学研制的租光栅系统技术 曾经转让给了一些公司，但是最终由于各种原因没能实现大范围的使用。从目前 的生产加工要求来看，现有的粗光栅数显仪已经不能满足生产的需要，一是士1 0 u m 的精度已经不能满足精细加工的需要，二是若将租光栅系统应用于闭环反馈控制 系统，则对其动态性能有严格要求。所以研制性能稳定，功能多，高速高精度的 粗光橱位移测量系统具有很大的现实意义。 传统的光栅数显仪采用中小规模数字集成电路构成，细分和辩向都是通过 硬件电路来完成的，细分数的提高受限于细分电路的复杂程度，整个电路结构复 杂，调试维护不易，精度和测量速度有限。 近几十年来，微处理器引入了仪器仪表领域，出现了使用单片微机加少量硬 件构成的光栅数显仪，可以通过软件来实现缨分和辫向功能，而且缅分数也可以 方便地根据实际加工要求和加工条件通过软件方法来调整。具有结构简单、成本 低、功能多、灵活性强的优点。但由于软件运行需要时间，因此限制了这类数显 仪的测量速度。 近年来，各种可编程逻辑器件层出不穷，集成化成为各类测控系统研究的热 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 点。一块可编程逻辑器件就可以实现所有数字电路部分的功能，数显表的鉴相和 缅分都可以通过对硬件编程来实现。把集成化思想应用于光栅数显装置设计中， 将明显地减少装置中所用i c 的数量，因而减小装置的体积，同时将提高系统的稳 定性和平均无故障工作时间；并且由于可编程器件的频率可以高达上百兆，使得 细分过程中光栅测量速度较低的问题得以解决。另外，由于实现了硬件设计软件 化，提高了系统整体的灵活性，故而对于电路的改进及功能的扩展十分便利，因 此，本文将讨论基于单片机和c p l d 的粗光栅位移测量系统的实现方法。 1 4 2 本文研究的内容 l 、对现有的粗光栅测量系统的精度与跟踪速度进行分析，提出改进的措施。 2 、基于单片机和c p l d 的粗光栅位移测量系统硬件设计及p c b 板的制作。 3 、用单片机c 语言开发位移测量系统各功能软件。 4 、用本文所设计制作的系统结合褪光栅传感头进行位移测量实验。 重庆大学硕士学位论文 2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 2 1 系统的组成 租光栅系统包含三个部分：光栅尺，传感头和数显箱，后两者通过屏蔽电缆 实现信号传输i s 。其中传感头部分示意图如图2 1 所示。 图2 1 粗光栅系统传感头示意图 f i g u r e 2 1 s k e t c hm a po f t h e 台a r i s d u c e ri nc o a r s eg r a t m gm e a s u r i n gs y s t e m 光学系统、图像传感器c g 2 0 0 及其驱动电路和信号预处理电路等装在一起， 构成传感头。系统采用栅距r = 0 6 3 5m m 的反射式粗线纹光栅尺，光学系统设计为 含有严重聚焦误差的衍射受限系统且设计成物方远心光路，滤除了矩形光栅的高 次分量，只保留了基频分量。照射到c g 2 0 0 的粗线纹光栅像的光强信号，为： y 1 = ls i r i 幼二+ z 0( 2 1 ) z 式中二光强，五r 一光强的幅值，盖q 嚣光栅尺方向的坐标量，f 光栅的栅距，i o 一光强的恒定分量。 系统取消了指示光栅，用专用的图像传感器c g 2 0 0 接收光强信号，并将光信 号转换为电信号输出。信号预处理电路对此信号进行保持、放大、滤波等处理， 输出正弦型电压信号c l 送给后续电路进行辨向细分和显示。 可以证明【3 】： c ：彳s i n ( 耐+ 兰竺+ 丑)( 2 2 ) f 式中4 一正弦信号的振幅，一角频率，国= 2 矿；户驱动c g 2 0 0 的时钟频率；x - - 传感头相对于光栅尺的位移量，f 光栅的栅距，b 一直流分量。 可见：其相位( 或周期) 变化中包含有位移量的信息。 下面分别介绍各部分原理。 6 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 2 2 图像传感器c g 2 0 0 自扫描光电二极管列阵( 简称s s p a ) 是一种性能优良的新型固体图象传感器， c g 2 0 0 是一种特殊结构的s s p a 器件，又称“光学扫描器”。该扫描器可将成象在其 光敏面上按空间连续分布的光栅线纹象。转变为对应的按时序离散分布的电脉冲， 电脉冲的包络是一个正弦型相位调制信号，其相位变化中包含有位移量信息。用 这种器件构成的新型自扫描光栅传感器，其独特的优点是普通细光栅系统难以比 拟的。 图2 2 是c g 2 0 0 器件的电路框图。它由移位寄存器、多路m o s 开关t w ，2 0 0 个光电二极管、源极跟随器t f ，和复位管t r 等构成。在起始信号s 和两相时钟 12 n c o i v 笺+ s v ) 图2 2c g 2 0 0 的电路框图 f i g u r e 2 2 b l o o kd i a g r a mo f c g 2 0 0c i r c u i t r ，f 2 的驱动f ，移位毒存器输出依次延迟一拍的脉冲e i ，逐位打开m o s 多路牙 关。取出各二极管上与入射光强成正比的电信号，从视频线v i d 上输出嘲。其工 作波形如图2 3 所示。 8 厂一 f 1 厂 厂 广 厂 砣厂 厂 厂 厂 厂 弁 厂 厂 厂 广 厂 厂 广 厂 厂 n 厂一 瞳 厂一 日 厂一 门nn nnn 门门厂 图2 3 器件的工作波形 f i g u r e 2 3o p e r a t i n gw a v e f o r m 7 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 图2 a 是c g 2 0 0 器件内部的2 0 0 个光电二极管的几何结构和互连关系( b ) 以及 接收的光强信号( a ) 和输出视频信号( c ) 的对应关系示意图。每个二极管长 1 g m m ( 1 8 0 0 u m ) ，中心距p = 2 0 u m ，用现代微电子技术把它们精密地集成在同一硅 片上。各二极管按1 1 1 2 1 连在一起，2 1 2 2 2 连在一起，如此等等，共连成 1 0 组。故c g 2 0 0 在一个扫描周期内输出1 0 个视频信号，每个视频信号是该组内 2 0 个二极管的光电信号的平均值。用c g 2 0 0 器件接收图2 4 ( a ) 所示的正弦形光栅 条纹像( 不是莫尔条纹像) 时，假定光学系统使每一个栅距正好对准1 0 个光电二极 管( a po 2 m m ) ，则c g 2 0 0 输出的视频信号是2 0 个栅距的光栅条纹信号的“平均效 果”。从图2 4 上可以看出，同一组内的2 0 个二极管，分别位于空域上正弦形光强 信号的“同相位点”上，故它们产生的光强信号是互相叠加的。正因为如此，用c g 2 0 0 器件构成的自扫描光栅位移传感器，有“自对准”功能：即只有当它的2 0 0 个二极管 正妊对准2 0 个橱距的线纹象时，输出视频信号的调制度最大。这释“自对准”功能 给粗线纹光栅光学系统的调试以及光栅尺的接长对准带来方便。 h _ 厂 飞也v i v t ( a ) ( b ) 图2 4 接收的光强及器件的连接关系示意图 f i g u r e2 4 t h er e c e i v e dl i g h ti n t e n s i i ya n dd e v i c ec o n n e c t i o n 可见，视频信号的包络是一个正弦波，即前面讲到的c l 信号。它由视频信号经放 大。峰值保持，滤波后再放大得到。 2 3 系统的工作原理 如前所述，当c g 2 0 0 接收的光强信号为( 见图2 4 ( a ) ) 0 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 i = l 血2 万=( 2 3 ) f 式中o 光强变化的振幅，础光栅尺方向的坐标量，r 光栅的栅距。 则由光电传感器接收后的信号为： 1 一 c l = c os i n 竺( 珞+ 功f( 2 4 ) r 式中c - - - c g 2 0 0 的光电转换系数，珞c g 2 0 0 相对于光栅尺的扫描速度，矿传 感头相对于光栅尺的移动速度( 也就是本文中的系统跟踪速度) 。 本测量系统采用专用自扫描光电二极管列阵作为接收器，它由2 0 0 个光电二 极管组成，并且能以固定频率轮流接通( 即自扫描) 各二极管，相当于一个二极管 以速度名= s o ( 岛为相邻二极管中心距) 相对于传感头移动。若设置光学系统的 放大倍率鬈为；一个光栅栅距正好覆盖m 个二极管( c g 2 0 0 的m = 1 0 1 ，即： k = m s o f ( 2 5 ) 而二极管列阵又装入传感头内，如图2 5 所示。则当传感头以速度v 运动时，根 兜 l 曩辘 刊聿 0 删 侍摹曩 图2 5 钡量原理示意图 f i g u r e2 5 t h ep r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n t 据速度合成法，每个光电二极管相对于光栅尺的绝对速度为： 咯= 珞+ v( 2 6 ) 式中圪表示二极管相对于光栅尺的速度，即为列阵c g 2 0 0 的扫描速度珞折算到 光栅尺的速度，即 比= = 挚 式中k 为光学系统放大倍数，m 是一个栅距覆盖的二极管数堤是二极管扫描频率， 即时钟f 1 f 2 的频率，石是c g 2 0 0 的起始信号频率，即起始脉冲s 的频率，显然有： 兀= m ( 2 8 ) 9 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 因此从c g 2 0 0 输出的视频信号c l 可表示为 c l = c i o s i n 等( 珞+ 哪= 爿胁2 石( 警+ r = 彳s i n ( 2 n f ，r + 2 万争 c z 圆 式中x = v t 表示传感头在时间f 内相对于光栅尺的位移量，也就是我们需要检测的 位移量。 由( 2 9 ) 式，我们可以得出结论：测量信号c l 中包含着位移量工的信息，即位 移x 发生变化时，c l 的相位( 或周期) 发生变化，只要能求出这个变化量，就能求 出相应的位移量。 以上分析从理论上证明了粗光栅测量理论的正确性，以下讨论传感头位移量 与c 信号相位变化的对应关系。对( 2 9 ) 式作进一步分析讨论得到 1 、当x ：o 时；即传感头静止时，由上式可知c l = a s i n2 r o r s t ，c l 的周期 不变乃。= 1 五，如图2 6 中的曲线。 2 、当传感头运动的方向与二极管列阵扫描方向一致时，扫描一个栅距所用的 时间缩短，即c 的周期减小。周期的减小量r = 乃一乃o 0 ，其增加的 周期量对应这段时间传感头运动位移量。如图2 6 中的曲线 4 、位移量的方向可由t 的正负来确定。 由上面的讨论可得出结论：只要找出t 与x 的关系，并测出t 及符号，然 后由t 与x 的关系即可计算出传感头的位移量。 当c l 变化一个周期时，由式( 2 9 ) 得： 2 ，r f , t d + 枷 l o 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 则+ 卿 善= 孕r 这就z 1 0 了一个周期t o , 内的位移膏与周期t o 的定量关系。工与周期的改变量 a t = t t d 成正比a 因此只要测出c l 的周期t a ，就可以方便的算出该周期内的 位移量x 。然后对每个周期的工进行动态辨向，累加，即可得到传感头移动的位移 量。 2 4 细分辨向原理 在传统的光栅测量系统中，细分是为了提高系统的分辨率，而辨向是因为光 橱系统是相对测量，没有绝对零位，需要判别位移的方向。传统的细光栅测量系 统常常采用在一个莫尔条纹间距上安放几个光电传感器来实现硬件细分，在微处 理器引入仪器仪表行业之后，出现了软件和硬件相结合的细分方法。即将硬件细 分后的信号再采集到微机系统中，用软件来实现高倍细分。 租光栅系统的细分方法就是软硬结合的方法。详细分析请见下章。 对栅距为0 6 3 5 m m 的光栅尺，根据测量系统内部分辨率的要求，可以用程序 设定细分倍数。例如若要求位移分辨率为a s ，则细分倍数为n = r a s 。要对周期 信号t s 进行细分，就是用高频的脉冲对其计数，若要实现n 倍细分，则细分脉冲 的频率为： 厂= 丢州砉 即细分脉冲频率是扫描频率1 i t s 的n 倍，代入( 2 1 0 ) 式得到 以= 警一( 训专= ( 圳丛 ( 2 1 2 ) 其中 u ：一个c l 周期内( 即t a 内) 的计数脉冲数 。u ：一个位移当量所对应的周期 霸；一个c l 周期内的位移量 可见，只要将每个e l 周期内的脉冲数读出，由式( 2 a 2 ) 1 1 1 1 可求出每个周期对应的 位移量五，妫的正负代表了位移的运动方向。对每个周期的j 0 进行动态辨向， 累加，即可得到传感头总的移动的位移量x 。 1 1 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 2 5 影响粗光栅系统精度与跟踪速度的因素 为了对现有的租光栅测量系统进行改进，提高其测量精度和速度，需要先分 析影响其测量精度和跟踪速度的因素由上述对系统测量原理的分析可知，位移 测量原理是基于对c l 信号周期或相位变化的判别。因此，测量的精度首先取决于 预处理后的正弦型电压c l 的波形质量，即其是否能高精度的还原光强的正弦型分 布。若传感头输出的信号本身就不准确，则无论后续处理电路的精度多高，速度 多快，都不能实现高精度的位移测量。 接下来从图像传感器的结构和时序要求以及系统工作原理出发讨论系统精度 与跟踪速度问题。 测量精度 设图像传感器中光电二极管的中心距为岛，静止时，调整图2 1 中光学系统的 放大倍率置使一个栅距的正弦像冈g 好覆盖槐个光电二极管，则有 k = 删杉两个相邻光电二极管扫描时间间隔为乃，则有= 壶鲁= ：暑， 若传感头以速度矿( y 远小于珞，在一个扫描周期之内，v 可视为匀速) 运动，则 相当于两个相邻二极管间距变为& i + v t o ，则此时要完成一个光强周期的扫描，输 出的电脉冲个数，l 为 疗一皇2 ( 2 1 3 ) s o + 阳； 因此，在一个扫描周期m 1 o 内，传感头的位移量 s = m t o v = m s o ( 一1 ) ( 2 1 4 ) 式中，m 和岛在光学系统和传感器确定之后就是定值，故位移的测量只需要获取 挖值，而一值的估计与预处理后的电压正弦波的波形质量相关。在不考虑信号预处 理误差和充分满足采样定理的条件下，可利用离散电脉冲序列有效地恢复正弦波 像，从而得到高质量的c l 波形。位移的测量精度与刀的测量精度有关。根据( 2 1 4 ) 式，由n 的测量误差a n 引起的位移量的误差s 为： 丛= 州2 岛等= # ) 2 s o a n ( 2 1 5 ) 可见，在不考虑c l 波形失真的情况下，可以通过细分来减小a n ，从而减小丛， 提高测量精度。另一个提高测量精度的途径是减小m n 的比值。从( 2 1 3 ) 式可知， m n 的减小可通过降低传感头的移动速度矿和提高光电阵列的扫描频率，也即减小 死来实现。也就是说，光栅测量系统的精度和跟踪速度是一对相互矛盾的量，很 多情况下高精度是由牺牲跟踪速度来实现的。但计量光栅系统的跟踪速度也是极 重庆大学硕士学位论文2 基于图像传感器的粗光栅测量系统 为重要的指标。例如机床加工过程中的振动、启动、快速退刀等都对测量系统的 晌应( 跟踪) 速度有较高要求。 跟踪速度 由前述可知，测量原理要求采样输出的离散电脉冲必须能够恢复光强的正弦 型。传感头静止时，采样脉冲数为m ，输出正弦电压c l 周期为7 c 工= m t o ，如图 2 6 中曲线1 。传感头运动时，采样脉冲数为n ，此时c l 周期为丁h = 护乃。当传 感头运动方向与传感器扫描方向一致时，疗 m ，c l 周期拉长，如图2 6 中曲线3 。当传感头运动方向与传感器扫描方向相同时，由于采样点数变少，传感 器的移动速度受到采样定理的限制。由采样定理，要求： 矿 3 4 t o ( 定时，计数器0 ) 1 3 5 t i ( 定时，计数器1 1 p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( ，f 部数据存储器读选通) 此外，p 3 口还接收一些用于f l a s h 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 - r s t ：复位输入。当振荡器工作时，r s t 引脚出现两个机器周期以上高电平将 使单片机复位。 a l 谳：当访问外部程序存储器或数据存储器时，a l e ( 地址锁存允许) 输 出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，a l e 仍以时钟振荡频率的l ，6 输出 固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访 问外部数据存储器时将跳过一个a l e 脉冲。对f l a s h 存储器编程期间，该引脚还用 于输入编程脉冲( f 趸石己) 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器( s f r ) 区中的8 e h 单 元的d o 位置位，可止a l e 操作。该位置位后，只有一条m o v x 和m o v c 指令才能 将a l e 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置该禁 止位无效。 - p s e n ：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当a t 9 9 c 5 5 由外 部程序存储器取指令( 或数据) 时，每个机器周期两次p s e n 有效，即输出两个脉冲。 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件设计 在此期间，当访问外部数据存储器。将跳过两次p s e n 信号 r