（机械电子工程专业论文）精密光栅数据处理系统的研究.pdf

摘要 光栅传感器是现代精密测量领域中广泛应用的一种传感器，尤其是 在线位移和角位移的测量中发挥着重要作用。由于受刻划工艺与光电转 换器件体积等影响，开展电子学计数与细分技术是目前提高光栅测量精 度的主要途径，采用软件设置与硬件结合定义采集系统功能和工作方 式，最大限度开放给用户是精密光栅测量的发展方向。本文基于p c i 总线技术进行的精密光栅数据处理系统设计，实现了微机对光栅位移测 量的采集及数据处理，本文采用的光栅信号数字细分技术，能够实现光 栅信号的不同倍数细分，便于用户根据需要的测量精度进行选择。 本文简要介绍了光栅精密测量的国内外发展情况，详细分析了光栅 传感器的工作原理，对光栅莫尔条纹信号的辨向和数字细分技术进行了 系统分析和研究。在详细分析系统功能基础上，进行了系统硬件电路设 计和系统软件设计。对p c i 总线协议进行了分析和研究，采用p c i 9 0 5 0 接口芯片设计了p a 总线接口卡，编写了接口卡的驱动程序。 本文设计的基于p c i 总线的光栅传感器接口卡具有小型化、便携式 智能化等优点。实验证明整个系统工作稳定、可靠，基本满足了所提出 的设计要求，实现了对光栅信号的5 0 细分和1 0 0 细分，并且只需改变 细分软件就可提高光栅信号细分数 关键词：光栅尺莫尔条纹数字细分p c i 总线 a b s t i t a c t t h e g r a t i n g s e n s o ri s w i d e l y u s e di nt h em o d e mp r e c i s i o n m e a s n r e m e n tt e r r i t o r y ， e s p e c i a l l y i nt h em e a s n r e m e n to fl i n e a r i t y d i s p l a c e m e n ta n da l l g l ed i s p l a c e m e n t , w h i c hh a sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e l i m i t e db rt h es c r a t c h i n gt e c h n o l o g ya n dv o l u m eo fo p t i c a la n de l e c t r i c s w i t c h i n ge q u i p m e n t s ，t h em a i nw a y o fm e a s u r i n gp r e c i s i o ni m p r o v e m e n ti s t oi m p r o v ee l e c t r i c a lc o u n t i n ga n dd i v i n i n gm e t h o r d b ys o f t w a r e c o n f i g u r a t i o na n dh a r d w a r et od e f i n ea c q u i s i t i o n s y s t e mf u n o t i o na n dw a y o fw o r k i n g ，a n dm a x i m i z et h eo p e n n e s si st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff i n e g r a t i n gm e a s u r e m e n t t h cd e s i g nt h a tb a s e do nt h ep c ib u st e c h n i q u eo fp r e c i s eg r a t i n gd a t a p r o c e s s i n gs y s t e mo ft h i sa r t i c l er e a l i z e sm i c r o c o m p u t e rc o n t r o la b o u t g r a t i n gd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta n dd a t ap r o c e s s i n g b ya p p l y i n gg a t i n g s i g n a ld i g i t a ld i v i s i o nt e c h n o l o g yw ec a nd i v i d et h eg r a t i n gs i g n a li n t o m u l t i p l ew a y s ，w h i c hi sv e r yc o n v e n i e n tf o rt h ec u s t o m e r s t h ep a p e ra n a l y z e sb r i e fd e v e l o ps t a t u si nt h ew o r l do ft h eg r a t i n g s e n s o r ，a n di n t r o d u c e sr a s t e gm o l es t r i p es i g n a ld i f f e r e n t i a t e sa n df i g u r e s u b d i v i d e dt e c h n i q u e , a n di nt h em e a n t i m e ，d e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r eo ft h es y s t e m b a s e do ns y s t e mf u n c t i o na n a l y s i s , w ed e s i g n e d s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds y s t e ms o f t w a r e w es t u d ya n da n a l y z ep c i b u sp r o t o c o la n da p p l yp c i 9 0 5 0 ，si n t e r r a c ec h i dt od e s i g nt h ei n t e f f a c ec a r d 0 fp c ib u sa n dc o m p i l ed r i v es o f t w a r eo fi t si n t e r f a c ec a r d t h eg r a t i n gs e n s o ri n t e r f a c ew h i c hi sb a s e do np c ib u so ft h i sp a p e r h a sal o to fm e r i t s , s u c ha sm i n i a t u r i z e d p o r t a b l ea n di n t e l l i g e n ta n ds oo n 1 n b ct e s td e m o n s t r a t e st h a tt h ee n t i r es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n d e s s e n t i a l l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n tw h i c ht h ep a p e rw a se x p e c t e d p r o p o s c t h es o f t w a r ec a nd r i v eg r a t i n gs i g n a l5 0s u b d i v i d e s o r1 0 0 s u b d i v i d e , m o r e a ) v c li ti sm e r e l yr e q u i r et or e v i s es u b d i v i d e ds o f t w a r et o a d dt h eg r a t i n gs i g n a ls u b d i v i d e df i g u r e k e yw o r d s ：g r a t i n gr u l e r m o l es t r i p e f i g u r es u b d i v i d e s p c ib u s 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精密光栅数据处理系统的 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， 均已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 扭吐趟l 卫均已曼且妯 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：驾拉卫2 玺曼且业 指导导师签名：缢匪 茔宰生兰目乏翌目 第一章绪论 1 1 课题研究背景及国内外研究现状 光电位移精密测量技术是精密测试计量技术与仪器、精密仪器与机 械两个学科的一个重要分支，又是高等院校、科研院所、工矿企业、计 量测试与质量监督等部门中的主要技术和工艺基础之一。位移测量的方 法很多，如：光学法、机械法、电子学法( 电容和电感) 、电磁法、光 电法、光纤法、力学法、热学法等等，它们各有优缺点和不同的应用场 合。其中光电位移测量法具有高分辨力、高精度、高稳定度、高智能化、 无接触测量、动态测量等明显的特点，应用面广，普及率高。光电位移 测量的技术基础是光栅莫尔条纹技术、光栅制造与检测技术、光栅读数 头及其光学技术、光电信号的提取处理技术和倍频技术以及结构设计优 化技术等。 2 0 世纪6 0 年代激光的问世以及后来的计算机技术的迅猛发展，给 光电位移测量这一现代测量技术及其测量设备增添了无限生机和活力， 极大地加速了它的发展，测量原理和技术不断创新，测量器具和设备日 新月异，测量方法和操作越趋简明，为科学发展、技术创新、经济繁荣 和社会进步做出越来越大的贡献。 计量光栅作为一种高精度的位置传感器已经广泛的应用于各种位 移测量系统中，特别是在数控机床的测量系统上。计量光栅有很多种分 类方法：根据测量位移量的不同可分为长光栅和圆光栅，其中根据功能 的不同又派生出零位光栅；根据形成的莫尔条纹原理的不同，分为衍射 光栅和几何光栅；根据栅距的大小不同又分为粗光栅和细光栅两种。还 有很多光栅分类方法，这里不在赘述。 微电子和计算机技术的发展，使采用光栅传感器作为长度、角度检 测元件的自动检测技术在自动控制、数控机床、仪器仪表及计量仪器等 领域得到了普遍应用。光栅传感器具有性能稳定、可靠性好、测量精度 高、测量范围大、使用方便、价格适中等优点，因而已经成为我国工业 现代化的重点推广技术。 在当今国际市场上光栅测量系统占到整体测量系统的8 0 9 6 以上，发 达国家在七十年代末期就能生产出高精度光栅数显装置。我国在这个领 域起步研究较晚，加之国外技术封锁，使我国与发达国家的研究水平差 距较大，这在很大程度上影响了我国工业现代化的进程。 目前我国普遍应用于机床工业的光栅数显表多为5l lm 分辨率，采 用光栅位移传感器，配以四细分电路，其优点是结构简单，跟踪速度高， 工作可靠。但这种光栅数显表己不能满足现代工业和测量的要求，如磨 床加工要求有1 0 pn l 的精度，刻划机要求有0 1 p i l l 的精度等，要实现 高精度测量，如何提高计量光栅系统的分辨率是关键技术；另一方面， 计量光栅系统的跟踪速度也是极为重要的指标。例如机床加工过程中的 振动、启动、快速退刀、军事雷达的目标搜索、跟踪等都会因测量系统 的速度响应低造成误差，甚至无法应用。但光栅理论中的结论为：光栅 系统的分辨率与跟踪速度是互为矛盾的。光栅系统的分辨率可以通过提 高光栅的刻划密度和光栅信号细分倍数来提高，光栅的刻划密度受工艺 的限制，而且线数越多，成本越昂贵，因此本文采用数字细分方法在不 增加光栅刻线数的情况下提高光栅信号的分辨率。 我国的光电位移精密测量技术和光栅计量测试设备的研究起步较 晚，经历了起步、发展、提高三个阶段。1 9 6 4 年中国科学院长春光机所 制造出我国第一块编码盘和圆光栅，并成功地应用于靶场光电经纬仪上 实现了数字测量角度。随后很多科研机构陆续开展了光栅莫尔条纹理论 研究、光栅尺和圆光栅及编码盘制造与生产、光栅计量测试仪器设备的 研究与生产工作。经过几十年的努力，目前无论在光栅制造技术及设备、 光栅计量测试仪器及装置，还是光栅莫尔条纹理论都取得了可喜的成 果，得到了广泛应用。其技术水平和设备装置的性能都达到了相当高的 程度，有的已经赶上了国际先进水平。 光栅测量系统和其他测量系统相比有着明显的优势，在当今国际市 场上光栅测量系统占有很大比重。目前全世界能制造光栅测量系统的国 家除了我国外还有德国、日本、美国、英国、西班牙、奥地利、俄国、 韩国和印度等，年产量超过7 0 万套，其中以德国h e i d e n 姒i n ( 海德汉) 公司最为著名，半个世纪以来，它的技术、品种产量都绝对领先于其他 国家。典型的光栅传感器有西班牙f a g o r 公司制造的光栅传感器，北京 正开仪器有限公司生产的j c x 系列光栅传感器，德国瑞克的l j c l g 系列 光栅传感器以及o l g 系列测量式光栅传感器，北京莱格超精密光电研究 所研制的密封式光栅移动传感器，英国r e n i s h a w 公司推出的精密光栅 位移传感器“。 目前，光栅位移测量技术的发展趋势是： 1 向更深、更广的应用空间发展； 2 向高分辨率和高稳定度发展； 3 向小型化、系列化、智能化、多用化发展； 4 向实用性、经济性、可靠性、综合性方向发展。 1 2 本论文主要工作 本课题需要设计一套精密光栅数据处理系统。该系统以光栅尺传感 器为检测装置，对光栅尺传感器的输出信号进行处理，在设计的过程中， 2 为了得到高分辨率的光栅位移信号，需要将光栅尺输出的正弦信号进行 细分。本文提出了一种新的软件细分方法，通过改变软件该法可实现多 种细分。在实际设计中我们实现了对光栅信号的5 0 细分以及1 0 0 细分。 同时为了便于与微机接口，设计基于p c i 总线的数据采集卡。 主要完成工作如下： 。 1 根据光栅尺工作原理及读数头原始信号设计与系统机接口的采 集、处理系统； 2 根据系统总体方案，进行系统硬件电路的设计。通过软件实现 光栅信号的5 0 细分，1 0 0 细分； 3 系统硬件电路的调试； 4 系统软件的编制及调试。单片机软件采用c 5 1 进行编制，而p c 机软件采用v c + + 编制； 5 系统的典型抗干扰设计。 1 3 系统设计要求 1 适用光栅规格为2 5 对线m m ，5 0 对线m m ，1 0 0 对线m m 。光栅线 位移速度小于l o m m i n ，最终要求系统的分辨率达到0 1l lm 2 通过软件可实现光栅信号5 0 细分、1 0 0 细分； 3 具有动态过零计数功能； 4 系统具有自检功能； 5 基于p c i 总线。 1 4 系统总体设计方案 单片机控制功能强、体积小、功耗低，并且具有一定的数据处理能 力，数字化仪器中采用微型计算机或单片机，可以比较容易地将计算机 技术与测量控制技术结合在一起。并且单片机能够满足本设计光栅信号 的采集、整周期计数以及软件细分功能，可以达到系统设计要求，故选 用单片机作为本系统的控制器。 由于i s a 总线已经逐渐推出了历史舞台，替代i s a 总线的是p c i 总 线，因此开发基于p c i 总线的插卡势在必行。由于p c i 总线协议比i s a 总线协议要复杂的多，其接口电路使用起来并不容易，但采用通用的 p c i 接口芯片却较好的解决了这个问题。p c i 接口芯片完全符合p c i 总 线协议的要求，大大减轻了设计者的工作强度。现有的p c i 总线接口芯 片主要有p l x 9 0 ) 【) 【系列和a m c c 公司的5 9 x x 系列。通过各方面性能的比 较我们选用p l x 公司的p l x 9 0 5 0 。由于现在流行的操作系统都是视窗操 作系统，数据采集卡要工作在视窗操作系统下就要开发相应的驱动程 序。，因此，我们采用j u n g o 公司的w i n d r i y e r 软件来开发驱动程序，该 3 软件具有操作简单，不需要内核知识等特点，特别适合于硬件开发人员 为自己开发的硬件编写程序。图1 1 为系统总体设计框图 l - 一一j 图1 1 系统总体设计框图 4 第二章光栅尺传感器工作原理及细分辨向设计方案 2 1 光栅尺传感器的工作原理及位移测量系统设计方案 光栅按工作原理可分为物理光栅和计量光栅“”。物理光栅可作为 散射元件进行光谱分析及光波长的测定，而计量光栅的刻线较物理光栅 粗，利用光栅的莫尔条纹现象进行位移的精密测量和控制。光栅尺即长 光栅是计量光栅的一种。 光栅传感器主要是由光源、照明系统、主光栅、指示光栅、接收光 学系统、光电接收元件等组成，如图2 1 所示。 幺i旷厥舔 拶剀 囵也划1 l 1 光源2 照明系统3 主光栅4 指示光栅5 接收光学系统6 光电接收元件 图2 1 光栅传感器的组成 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，转换成反映莫尔条纹特征的电信号供光电 计数及细分用。 莫尔条纹有横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹、光闸莫 尔条纹等嘲。光栅传感器测量位移主要是利用光闸莫尔条纹原理来实现 的。工作时光栅传感器的主光栅、指示光栅之问留有很小的间隙并相对 叠合当主光栅和指示光栅相对移动时，透过光栅副的光做明暗相间的 变化，这种作用如同闸门一样而形成光闸莫尔条纹。奠尔条纹的形成， 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涉的结果。 由于作为计量用的光栅，它们的光栅常数一般都较大( 光栅常数大于入 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，照亮接收区，由于两 块光栅间的相对移动，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主光栅和指示光栅相对移动一个栅距， 5 光强度变化一个周期。其移动过程和光强度变化如图2 2 所示： 图图图圈 ( a ) 最大光量 图留国图 ( c ) 中问光量 鼎热 ( e ) 最小光量 圈忍民恐 p ) 中问光量 图图图图 ( d ) 最大光量 光量与光栅位移关系 图2 2 光栅运动及光强变化曲线 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w 2 ( 即指示光栅的透光部分) 、问隙为o 时，得到三 角波，如图2 3 ( a ) 所示。但是在实际结构中，由于总是存在一定的间 隙、光线的不平行性和光的衍射作用、刻线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 3 ( b ) 所示。 6 ( a ) 理想信号 乙 = 尘塑堕!一 ( b ) 实际信号 图2 3 光栅输出的理想信号与实际信号 当光电元件接收到如图2 3 ( b ) 所示的明暗相间的正弦信号时，便 根据光电转换原理将光信号转变为电信号，此对仍为正弦波，类似于图 2 3 ( b ) ，该正弦波可用式( 2 1 ) 表示。 “+ 三h 豳岸+ 堡j ) ( 2 1 ) “。口+ i h ，- ，5 m ( 了+ 7 功 2 1 式中4 光电元件输出信号 w 光栅栅距 x 位移 u p _ p 信号峰峰值 口。直流电平 光栅测量就是利用此正弦曲线，经过整周期计数、辨向、细分、小 数计数处理，最终实现位移的测量。计量光栅是一种增量式编码的光学 标准器，以栅距w 为增量，其测量公式为： l - n w + 6( 2 2 ) 式中l 一光栅的位移量 一光栅的栅线数 _ h ，一光栅栅距 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 只需要对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 7 光 。叫 一z 坠一羔型 木工：i ib 进行整周期计数即可获得。 根据式( 2 2 ) ，可以设计出数字式光栅测量系统的原理方案图，如 图2 4 所示。 取分 一整数计数编码卜 计 数 样离琏 电 电算 路路 一细分电路卜 显 不 图2 4 数字式光栅测量系统原理框图 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 别经整数计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实现) 最后，显示测量结果。这种 方案适用于高精度快速测量。 2 2 光栅尺传感器的选用 该传感器是由北京正开仪器有限公司生产的j c x 型光栅尺传感器。 其精密元件采用该所研制的带有零位窗口的铬线玻璃光栅尺此传感器 体积小、重量轻、可靠性好此光栅尺传感器外形如图2 5 。 1 - 冠尺2 - 动尺3 佰号电羁及接d m f l ： 图2 5j c x 光栅尺传感器外形 该传感器的性能指标如下： 1 传感器的规格为1 0 0 对线m m ，有效测量行程为1 2 0 0 r a m ； 2 传感器的工作电源为+ 5 v ； 3 传感器具有零位脉冲输出及两路正弦信号输出。两路正弦信号 幅值为3 5 v ，同时叠加了直流电平；相位相差9 0 。，超前还是滞后取决 于光栅尺的运动方向。该传感器的信号电缆接插件管脚说明如表2 - 1 所 示。 8 表2 - 1 电缆接插件管脚说明 管脚正弦波 1 0v 2 5v 3a ( 信号1 ) 4b ( 信号2 ) 512v 6a bs ( 零位脉冲) 7 屏蔽层 2 3 莫尔条纹辨向技术和细分技术 2 3 1 莫尔条纹辨向设计方案 线位移或角位移的测量中，物体运动并非是单向移动。它有正向， 也有逆向，但单个光电元件只能给出脉冲数，而不能辨别移动方向。为 了辨别光栅的移动方向，可以在相距四分之一莫尔条纹的两个位置上设 置两个光电元件，两路输出信号相差9 0 。，是滞后还是超前完全取决于 光栅的运动方向，从而根据相位差便能区别运动方向。图2 6 为辨向电 路的原理方案图。其中u 1 ，u 2 为光栅尺输出的原始信号经信号调理后所 获得的两路相位差9 0 。的正弦信号。 ( a ) 辨向原理 9 瞳7 八瓜啪 吣u n 7 时r 广 一 厂 厂 干r 几 门队m 式w u 厂 广 一 u 4 厂 厂 丁nr ( b ) 前进( c ) 后退 图2 6 光栅辨向电路原理图 由图2 6 可以看出两路信号u 1 ，u 2 经整形后得到方波u 3 和u 4 。 当主光栅后退时，u 3 的微分信号与u 4 相与得到正向移动脉冲，从与门 y 1 输出；而u 3 反相后的微分信号在与门y 2 与u 4 相与。由于在u 3 反 相微分脉冲出现时，u 4 是低电平，故y 2 无输出脉冲当主光栅前进时， u l 信号相位超前u 2 信号9 0 。，u 3 的反相方波经微分后，在与门y 2 上与 u 4 相与；u 3 微分信号与u 4 在与门y l 上相与。其结果正好和后退情况 相反，y 1 无脉冲输出，y 2 有脉冲输出。利用单片机对与门y l ，y 2 输 出的脉冲进行中断计数，就可以实现对光栅尺运动的方向辨别及整周期 计数。 2 3 2 莫尔条纹细分技术 莫尔光栅测位移中，待测物体移动一个栅距，输出一个光脉冲。如 果对其直接进行脉冲计数，位移分辨率就是一个栅距，如用每毫米2 5 0 对线的光栅，测量精度可达4 i l m 。要进一步将测量精度提高到l 0 1l im 或更高，若增加刻划密度由于受到工艺限制是行不通的。因此， 只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进行进一步细分，才可能获 得更高的测量分辨率。所谓细分就是对计数脉冲间隔进行细分，即对一 个莫尔条纹，可对应输出多个计量脉冲。莫尔条纹的细分方法归纳如图 2 7 所示。 1 0 细分方法 电子细分法 r 幅度调制细分 i 乘法倍频细分 硬件细分法j 幅度分割电子细分 i 相位调制电子细分 i 光源调制电子细分 软件细分法 光学一机械细分法 图2 7 莫尔条纹细分方法归纳 由图2 7 可以看出光栅的细分方法有光学机械细分、电子细分和程 序细分即软件细分法等啪。光学机械细分是从空间域上通过相位信号的 测量达到细分的目的；光栅信号电子细分( 倍频) 的目的是为了将栅距分 成n 等分，它是从时间域上通过相位信号的测量达到细分目的；软件细 分法是将莫尔条纹电信号经量化处理后，再借助于编程软件，根据相应 的算法来细分。光栅信号电子细分法较常见的有直接细分法“”、移相电 阻链法、幅值分割电阻链法、锁相细分法“”和载波调制法等。直接细分 法( 4 细分) 电路简单，对信号无严格要求，可用于静态和动态测量，但 细分数低：移相电阻链法( 1 0 6 0 细分) ，细分数大些，但电路随之复 杂，对信号正交性要求严，精度受零漂影响；幅值分割电阻链法( 4 0 8 0 细分) ，细分数较大精度较高、精度受信号波形与幅值变化影响较小， 可用于动态和静态测量，但电路更复杂；锁相细分法( 1 0 0 1 0 0 0 细分) ， 细分数大而电路简单、对信号波形要求不严、可用于细分数要求大、仅 用于动态测量的场合，但对光栅运动匀速性要求高；载波调制法( 1 0 0 1 0 0 0 细分) ，细分数大、精度高，但电路复杂、对波形及正交性要求 严格。由以上分析可知，当系统要求细分数较高时，若仍然采用硬件电 路来实现细分，则电路较复杂，用纯硬件来实现细分显然不适用。 随着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，即软件细分法也应运而生。微处理器 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，增强了仪器功能，提高了仪器的精度。微处理器数字细分具有以 下几个特点： 1 对不同细分数，在a d 转换器位数满足精度的前提下，只需要 改变软件即可，并不会增加硬件的复杂性； 2 可以利用微处理器，方便地进行误差修正，从而提高系统精度； 3 抗干扰性好； 4 适用于高细分数的静态测量和动态测量； 1 1 5 使系统的体积减小，操作更方便。 目前光栅测量的软件细分法有：直接细分法、正切( 或余切) 查表法、 反正切查表法、平行四边形内插法、准三角波查表法等。前三种细分法 均没有考虑信号的线性问题、对a d 转换的精度要求高、引入的细分误 差较大；平行四边形内插法数据量多、计算量大、程序长，因而不便于 快速显示；准三角波查表法充分考虑了信号的线性问题、运算量适中， 对由 d 转换输出的两路正弦信号进行细分。该法采用由光栅尺输出的 相位差9 0 。的两路正弦信号去构建一新的线性函数( a p 准三角波函数) 的 方法，用查询表的方式获得细分后的最小读数。 2 3 3 本论文细分设计方案 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，但由于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，还会有各次谐波分量，并且各谐波分量的大小还 随光栅测量系统的使用情况而变化。这样一来，直接从输出信号的大小 和正负来推求位移量的办法就会带来难以控制的误差。所以我们采用差 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 n o 和c o s p ，对基频信号采用同步采样技术进行同步 采样。来自光栅的信号如图2 8 所示。 狳厂。 心矿 图2 8 光栅信号 用同步采样技术可对两信号同步采样，根据采样值的极性及绝对值 的大小可判别其所属象限区间，即可实现8 细分，如表2 2 所示。 表2 - 2 各象限区间采样值极性及绝对值差 o 区间号u s i n 0u c o s 0 p s 口l l 【，s i n 口i o o 4 5 。1+ 4 5 09 0 。2+ 9 0 。- 1 3 5 03+ 1 3 5 0 - 1 8 0 。 4+ 1 8 0 。r 2 2 5 0 5+ 2 2 5 0 砣7 0 。 6 2 7 0 。8 1 5 。7+ 3 1 5 。一6 0 。8+ 在实际应用中，为消除幅值波动误差及减少制表数量，在各象限区 间内由两信号绝对值的比值t 9 0 和e t 9 0 实现n 细分。由对称性知，t g 日 或c t 9 0 无论在哪一象限都可转化为0 , 4 5 。内，故只需制肌4 5 。细分表即 可，且充分利用t 9 0 或c t 9 0 在4 5 。范围内斜率不大于1 的特性。使细分 精度在各个象限内变化一致。此外，对同一光栅而言，两路信号的温漂 基本一致，采用比值细分，基本上消除了温漂影响。 实现n 细分的方法是在0 , - 4 5 。范围内，把4 5 * 角均匀分成n 个角度 值，分别为0 0 ，0 l ，一，0 n - l 等。分别求取t g e i ( i = o ，1 一，n - 1 ) 的值， 将0 j 和对应的t 9 0 i 的值事先存入微机的e p r o m 内即为n 细分表。因 t 9 0 在04 5 。范围内是单调上升的，则t g o i 的值随i 不同而不等。采样 时微机判限后，再根据采样得到的t 9 0 i 的值查n 细分表，查出该幅值 对应的角度，即可换算出位移量。测量时，记忆信号周期起始值及p 起 始值，用软件累加信号周期数得到光栅移动x 个栅距对应的位移量， 根据光栅最终信号的象限和0 值，得到在最后一个栅距内的微位移量。 光栅的总位移量d 可表示为： d k w + ( ，一1 ) 4 + m o , e ( 2 3 ) 其中七一莫尔条纹变化的整周期数 ，一象限区间号，f = l ，2 ，一8 a 一口- - w 8 为信号变化一个象限的相当位移量 m 一坍= ，8 n 为信号变化一个角度值的相当位移量( 相当于 脉冲当量) e e = 4 5 n 为细分角度值 该式不难用程序实现。在实际应用中，用软件记忆周期数使编程复 杂且占用微机时间，降低了采样速度。为此我们把光栅信号整形成方波， 1 3 通过鉴相倍频电路用单片机的计数器进行整周期计数。 在做软件细分时，我们首先应实现查询表的编制。表格越大，细分 数越大，光栅的分辨率越高。但是表格划分的越细就要求微处理器的内 存越大，因而会增加硬件的成本。其次，表格中数据越多，c p u 需要访 问、比较的数据就越多，运算量就越大，因而就要求微处理器具有较快 的速度。实际上c p u 系统存储容量的大小和工作频率的高低决定细分数 的大小因此，在制表时应综合考虑。在制作查询表时，我们应注意到 新建信号的特点。由于所构建的线性函数在所有信号段的灵敏度相同， 并具有对称性。所以只需要制作其中一段函数的表，其余各段做相应的 线性变换即可。 这种细分方案是利用判别区问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函 数，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。 1 4 第三章系统硬件电路设计 3 1 单片机系统硬件电路设计 从系统总体设计中，可以看出硬件电路所要完成的功能包括：与系 统软件相结合完成光栅尺信号的辨向、实现整周期计数；通过a d 转换 实现软件细分即小数计数；完成系统设计所要求信号的输入以及数据的 显示、掉电存储和通讯等功能；实现系统的复位等。由系统功能可知系 统硬件电路主要由时钟电路、复位及看门狗电路、整形、辨向电路、 d 采集电路、数据存储电路、显示电路、通讯电路、译码电路及输入输出 接口电路等组成。图3 1 为单片机系统硬件框图，图3 2 为原理图。 下面将针对主要的电路设计详细介绍。 图3 1 单片机系统硬件电路框图 图3 2 单片机系统硬件电路原理图 3 2m c s - 5 1 单片机简介 单片机s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，即m i c r o c o n t r o l l e r ， 是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机“。 主要包括了微处理器( c p u ) 、存储器( r o m ，r a m ) ，输入输出口和定时器 计数器、中断系统等功能部件。单片机自7 0 年代出现以来，已经有了 很大的发展，被广泛应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和 智能仪表等许多领域。例如：单片机与传统的机械产品相结合后简化产 品结构，实现控制智能化，成为新一代的机、电一体化产品；利用单片 机来构成各种工业控制系统、数据采集系统等；在大型工业测控系统中， 单片机进行接口的控制与管理，与计算机主机并行工作，可以大大提高 系统运行速度。 m c s - 5 1 单片机双列直插式封装为4 0 引脚( p i n ) 芯片，如图3 3 所 示。按功能其引脚可分为三部分： iu 2嚣 3嚣 盯 6 6 t朝 凇 i o3 l i i舯 1 2 1 32 5 1 4” 1 5 i 2 5 1 7铋 埔 伸露 2 02 1 图3 3m c s 一5 1 d i p 封装引脚图 1 i 0 口；p 0 、p 1 、p 2 、p 3 共4 个8 位并行口，其中p 3 端口是双 功能口，具有的第二功能如图中所示。r ) ( d 为串行输入口，t x d 为串行 输出口，哪、i i n f r l 分别为外部中断o 、1 的输入，t o 、t 1 分别为定 时器计数器的外部输入，w r 对应于外部数据存储器的写选通，r d 则 对应于外部数据存储器的读选通。 2 控制线：p s e n ( 片外取指控制) 、a l e ( 地址锁存控制) 、e a ( 片 外存储器选择控制) 、r e s e t ( 复位控制) 3 电源以及时钟v c c 、v s s 、x t a l l 、x t a l 2 。 本系统选用的单片机a t 8 9 c 5 1 是a t m e l 公司生产的一种带4 k 字节 闪烁可编程可擦除只读存储器( f p e r 0 卅吓a l s hp r o g r a m l a b l ea n d e r a s a b l er e a do n l ym e m o r y ) ，低电压，高性能c m o s 8 位微处理器。该 器件采用a t m e l 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 m c s 一5 1 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位c p u 和闪烁存储 器组合在单个芯片中，a t m e l 的a t 8 9 c 5 1 是一种高效微控制器，为很多 嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3 3 系统复位及看门狗电路设计 单片机应用系统工作时，要求复位电路能准确、可靠地工作。复位 电路的核心就是必须保证r e s e t 引脚上出现持续一段时间的稳定的高 电平。系统复位工作有两部分，一是上电初始化复位，二是运行过程中 1 7 出现异常情况时手动按键复位。 当单片机在运行过程中出现死机、程序跑飞等现象时，最简单的方 法是人工复位。但这种方法需要人的参与，而且复位不及时。实际上可 以设计一种模仿人工监测的“程序运行监视器”，俗称“看门狗” ( w a t c h d o g ) 。看门狗的主要功能是当程序由于种种原因出现死机、跑 飞并且该时间超过了所规定的时间时，输出复位信号，使单片机复位。 看门狗类似于手工复位。看门狗有软件看门狗、硬件看门狗等由于后 者较前者可靠，故本系统采用硬件看门狗。 本系统中的复位及看门狗电路由一片k l a x i m 公司的m a x 8 1 3 l 芯片完 成。m a x 8 1 3 l 是美国m a x i m 公司生产的低价格单片机监控电路。它减少 了在微处理器系统中采用分离元件来实现监控功能所用的元器件数量 和复杂性，并能提高系统的可靠性和准确性。它除有看门狗作用以外， 还有电源电压检测和上电( 手动) 复位的功能，图3 4 为其内部框图。 图3 4 姒x 8 1 3 l 内部框图 m a x 8 1 3 l 是一个低功耗的u p 监控芯片。它的功能如下： 1 在系统上电、电源电压降低到门限值以下时，产生r e s e t 输出。 2 具有一个独立的看门狗定时器。系统在1 6 秒之内未反转定时 器输入w d i ，芯片的w d o 引脚将变低。通过将w d o 和m r 短接，可以使 芯片产生r e s e t 输出。 3 具有一个手工复位输入端m r 将m r 通过复位按钮接地或将 其接到低电平上，可以使芯片产生r e s e t 输出，从而使系统复位。 4 具有监控电压输入端p f i 当电压下降时，p f o 变低。不用时， 可将p f i 接地或v c c 。根据以上分析，本系统采用如图3 5 所示的复位 及看门狗电路。图中i 丽为人工复位的输入端、w 1 ) i 为看门狗的定时器 输入端接单片机p 1 4 口、r e s e t 接单片机的复位引脚。 m a x 8 1 3 l 图3 5 系统复位及看门狗电路 3 4 数据存储电路设计 单片机的特点之一是在其芯片内部驻留有一定数量的r a l 和r o m 。 a t 8 9 c 5 1 是片内驻留存储器的芯片，它有各自独立的4 k 字节的r o l d 和 1 2 8 字节的r a m 。本系统根据所需的程序存储空间扩展了一片a t 9 3 c 4 6 芯片。9 3 c 4 6 是1 k 位串行e e p r o _ i 储存器。每一个储存器都可以通过 d i d o 引脚写入或读出。它的存储容量为1 0 2 4 位，内部为1 2 8 8 位或 6 4 x1 6 位。9 3 c 4 6 为串行三线s p i 操作芯片，在时钟时序的同步下接收 数据口的指令。指令码为9 位十进制码，具有7 个指令，读、擦写使能、 擦除、写、全擦、全写及擦除禁止。该芯片擦写时间快，有擦写使能保 护，可靠性高，擦写次数可达1 0 0 万次。引脚说明见表3 1 表3 - 1 t 9 3 c 4 6 引脚说明 管脚名称功能 c s片选信号 s k时钟输入 d i串行数据输入 d o串行数据输出 v c c电源 g n d接地 0 r g存储器结构选择 n c空脚 p e写入保护 a t 9 3 c 4 6 与系统连接如图3 6 。 p 1 p 1 p 1 + 5 v c sv c c s kp e d io r g d 0g n d 图3 6a t 9 3 c 4 6 9 i 脚说明及电连接图 3 5 鉴相倍频电路设计 在实际应用过程中，为了提高反馈信息的精度以及实现光栅尺整周 期计数，通常要对光栅尺的输出脉冲进行鉴相倍频处理，这样可以用一 般精度的光栅尺加上鉴相倍频电路替代高精度的昂贵的光栅尺，具有显 著的经济效益1 。而利用阻容元件实现的鉴相倍频电路的稳定性、可靠 性不够理想。所以本设计采用专用的鉴相倍频集成电路p d c 9 3 0 l ，它可 以替代以往使用的阻容电路。p d c 9 3 0 1 的管脚图及说明如图3 7 。 1 1 6 21 5 31 4 4 1 3 5 1 2 6 1 1 7加 89 臂脚说明， 2 t 口时钟 3 4 s ，b 相输入 5 6 zs s 2 倍叛选择 乳v 彗数字地 l l ，l2 反向，正向倍菝脉冲输出 1 6 ；v 电潭 ：表示无用靖 图3 7p d c 9 3 0 1 管脚图及说明 鉴相倍频电路p d c 9 3 0 1 是一种多用途专用集成电路。该电路是基于 对两个正交的输入信号就其相位变化可以检测出机械位置的方向，并相 应产生相对该方向位移的倍频脉冲信号( 1 倍频、2 倍频、4 倍频) 。本 系统选择1 倍频信号。 它采用3p 硅栅c m o s 工艺制作，其信号的输入与输出完全与t t l 电平兼容。在通用5 v 电压下工作。其封装型式为通用双列直插式1 6 线 塑封。s 。，s ：倍频选择见表3 - 2 。 2 0 表3 - 2s ，s 。倍频选择 s 1s 2倍频数 开路开路 1 v s s 开路 2 开路v s s 4 v s sv s s 从实际使用情况看，鉴相倍频电路p d c 9 3 0 1 完全可以替代r c 阻容 元件构成的鉴相倍频电路。而且具有许多优点： 1 用一块p d c 9 3 0 1 芯片替代r c 元件组成的鉴相倍频电路。大大地 减少了电路面积，工作更稳定； 2 因不用电容、电阻元件极大提高了电路的抗干扰能力。保证 了信息反馈的可靠性，且减少了接口卡对微机的干扰。 3 6a d 采集电路设计 对a i ) 转换电路的要求： 1 a d