（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式光栅数显测量系统的研究.pdf

哈尔演理t 人学t 学硕f ：学位论文 嵌入式光栅数显测量系统的研究 摘要 从2 0 世纪7 0 年代以来，随着微电子、激光技术、传感技术、计算机技 术等前沿科技的迅猛发展，数显量具的水平也迅速发展起来，并逐步开始替 代传统机械量具。同时，随着计算机技术的进步，在工业生产及人们的r 常 生活中有很多设备和装置中都内置了计算机系统，使这些设备或装置具有很 高的自动化性能和某种程度的智能性，从而极大的满足了人们生产和生活的 需要。目前，随着这种应用的迅速普及，一项被称为“嵌入式系统”的技术 应运而生了。 本文在依据光栅位移测量原理，采用嵌入式系统设计方案，设计了一种 新型的嵌入式光栅数显测量系统。 本文根据系统设计要求，确定了嵌入式光栅数显测量系统的总体硬件设 计方案。本文设计的嵌入式光栅数显测量系统采用h c t l 2 0 3 2 作为正交解码 芯片，完成对计量光栅传感器、光栅尺等测量设备输出的两路相位差9 0 。 的正交解码脉冲信号进行数字滤波、正交解码、计数等工作。并采用 p h i l i p s 公司的嵌入式微处理器l p c 2 2 1 0 作为中央处理器，对h c t l 2 0 3 2 通 过系统数据总线传送的计数值进行数据处理。同时系统还集成了u s b 通 讯、串行通信、l c d 显示、并行接口打印等功能。 在软件方面，本文采用在嵌入式硬件平台上移植源代码公开的嵌入式操 作系统i t c o s i i 作为系统的操作系统。l a c o s i i 对嵌入式光栅数显测量系 统进行多任务管理、外围设备管理及内存管理，能有效地组织系统任务和应 用程序，并使系统高效的运行。 实验证明，本系统具有高可靠性、高稳定性等特点，完全可以满足高精 度的线位移测量要求。 关键词光栅；莫尔条纹；嵌入式系统：g c o s i i ；位移测量 哈尔演理t 人学t 学硕f j 学位论义 ! 詈詈詈詈皇詈= 詈詈毫皇喜皇詈皇暑皇詈皇= ! 皇! 詈= 詈! ! ! = ! = = ! ! = 詈= 皇= = 詈= 鼍= = = 暑= = 詈- 。 mmm 皇皇暑皇暑詈詈穹暑毫詈暑皇皇穹暑暑鼍暑皇宣 r e s e a r c ho ne m b e d d e dg r a t i n gd r o m e a s u r e m e n ts y s t e m a b s t r a c t s i n c e19 7 0 s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs u c hf r o n ts c i e n c e sa sm l c r o e l e c t r o n ，l a s e rt e c h n o l o g y ，s e n s i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ye t c ， t h el e v e lo fd r om e a s u r eq u i c k l yg r o w s ，g r a d u a l l ys u b s t i t u t i n g f o rt h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lo n e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ep r o g r e s so fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，t h ec o m p u t e rs y s t e mi se m b e d d e di nl o t so fe q u i p m e n ta n dd e v i c e s i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dp e o p l e sd a i l yl i f e ，a l l o w i n gt h o s ee q u i p m e n t a n dd e v i c e st oh a v ev e r yh i g ha u t o m a t e dp e r f o r m a n c ea n di n t e l l i g e n c eo ns o m e d e g r e e ，s oa st og r e a t l ym e e tt h ed e m a n d s o fp e o p l e sp r o d u c t i o na n dl i v i n g a t p r e s e n t ，w i t ht h er a p i dp o p u l a r i z a t i o no ft h i sa p p l i c a t i o n ，at e c h n o l o g yc a l l e d e m b e d d e ds y s t e m ”i sa r i s e na tt h eh i s t o r i cm o m e n t o nt h eb a s i so fg r a t i n gd i s p l a c e m e n tp r i n c i p l e ，t h i sa r t i c l ed e s i g n san e w e m b e d d e dg r a t i n gd r om e a s u r e m e n ts y s t e m ，b yt h ed e s i g n p l a no fe m b e d d e d s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs y s t e md e s i g n ，t h i sa r t i c l ed e t e r m i n e st h e o v e r a l lh a r d w a r ed e s i g np l a no fe m b e d d e dg r a t i n gd r om e a s u r e m e n ts y s t e m t h a tu s e sh c t l 2 0 3 2a sq u a d r a t u r ed e c o d e r i tc a no p e r a t et h ew o r ko fd i g i t a l w a v ef i l t e r i n g ，q u a d r a t u r ed e c o d i n ga n dc o u n t i n ge t c ，b yf i n i s h i n gq u a d r a t u r e d e c o d i n gi m p u l s es i g n a lo ft w oc h a n n e l sp h a s ed i f f e r e n c e9 0 。o u t p u tb ym e a s u r e g r a t i n gs e n s o ra n dg r a t i n gr u l ee t c a n d ，l p c 2 2 10e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r o fp h i l i p si su s e da sc e n t r a lp r o c e s s o r ，p r o c e s s i n gt h en u m e r i c a lv a l u e t r a n s m i t t e db yh c t l - 2 0 3 2t h r o u g hs y s t e md a t ab u s a tt h es a m et i m e r s y s t e ma l s oi n t e g r a t e su s bc o m m u n i c a t i o n ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，l c d d e m o n s t r a t i o na n dp a r a l l e li n t e r f a c ep r i n t i n ge t c o nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，t h i sa r t i c l eu s e sp u b l i ce m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mp c o s i i o ft r a n s p l a n t i n gs o u r c ec o d eo ne m b e d d e dh a r d w a r e p l a t f o h a g c o s - i ic o n d u c t sm u l t i - t a s km a n a g e m e n t ，p e r i p h e r a le q u i p m e n t i i - m a n a g e m e n ta n dm e m o r ym a n a g e m e n tt oe m b e d d e dg r a t i n gd r o m e a s u r e m e n t s y s t e m ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yo r g a n i z es y s t e mt a s ka n d a p p l i c a t i o np r o c e d u r e ， a n dm a k et h es y s t e mo p e r a t e e f f i c i e n t l y 1n e e x p e n m 如tp r o v e st h a tt h i s s y s t e mh a ss u c hf e a t u r e sa s h i g h r e l i a b i l i t y ，h i g hs t a b i l i t ye t c ，w h i c hc a nd e f i n i t e l ym e e tt h ed e m a n do fl i n e a r d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gi nh i g h p r e c i s i o n k e y w o r d s g r a t i n g ； m o i r e f r i n g e ；e m b e d d e d s y s t e m ； “c o s i i ， d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文嵌入式光栅数显测量系统的研究，是本人 在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本 人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期：妙芳年物多日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 嵌入式光栅数显测量系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师 指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容 不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在，年解密后适用授权书。 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：日期：o g 年y 月3e t 导师繇阵；白蔓嗍。8 年年月弓日 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学化论义 1 1 课题背景 第1 章绪论 当今信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。如 何用先进的信息技术来提升、改造我国的传统制造业、实现生产力跨越式发展 的战略结构调整，是装备制造业面临的一项紧迫任务【。测量技术是信息化制 造技术的关键和基础。数字化测量技术已经成为数字化制造技术的一个不可或 缺的关键组成部分，采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升我 国装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向【2 1 。 近年来，数显量具和数字测量仪器仪表有了较快的发展：技术水平提高， 产品性能增强，品种规格丰富，满足不断发展的先进制造业的需求，成为当今 测量仪器仪表的主流；先进的数字测控技术和数字数显量具量仪，集成并融合 于数字制造系统，构建成先进的闭环制造系统，为“零废品”制造奠定了基 础；数字化数显化的在线、在机测量技术及其量具量仪，已经成为批量生产质 量保证的重要手段，它们所具有的产品质量统计功能( s p c ) 、生产过程分析监 控及故障诊断功能及智能化，j 下在得到推广应用【3 】。 在数字化数显位移传感技术和产品中，当今主要有光栅、感应同步器、容 栅、磁栅和球栅等。几大类产品各有优势、互为补充，在竞争中都得到不同程 度的发展；而在通用数显量具方面，性价比高的容栅数显位移传感技术和产品 得到最为广泛的应用f 4 l 。 容栅数显量具的产量大，应用广泛。各类数显卡尺、数显百分表、数显千 分表、数显千分尺以及数显内、外径表等等，品种繁多，性能各异；在计算机 信息技术、自动化数字测量技术快速发展的今天，数显量具在各种制造业、尤 其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成 为生产现场使用中占主导的先进测量器具。日本三丰、瑞士t e s a 和s y l v a c 、 德国m a h r 以及英国b o w e r s 等世界著名量具制造厂商开发的数显量具技术，引 领着该领域的发展趋势，数显量具产品在国外工业发达国家的制造业生产现场 中已经得到推广普及；同样，在我国汽车制造业、压缩机、家电制造业等产品 零部件的先进生产流水线上，数显量具也得到了很好应用【5 】。由于具有良好防 水防尘性能、测量数据图形显示和输出、测量数据统计处理分析和故障诊断 哈尔演理t 人学t 学硕f j 学位论文 等优异使用功能，同时又具有可靠的精度，适于在生产现场使用，使电子数显 量具量仪成为提高机械制造精度和加工效率的重要工具和手段【6 】。 在经济全球化的今天，世界制造业的中心正逐步向亚洲和中国转移。改革 开放、国民经济的快速发展，尤其是我国进入了w t o ，促进了我国制造业的 蓬勃发展；汽车制造业、航空制造业、家电制造业、模具制造业的发展，大大 推动了我国精密数字测量控制仪器和数字数显测量与控制量具的发展。数显量 具的国内外市场空间巨大，发展前景良好。尽早将我国从数显量具量仪的制造 大国转变成为数显量具量仪制造强国，我国工具行业任重而道远。 1 2 本课题研究的目的和意义 目前，大多数国内自主研发的光栅数显测量系统基本上都是基于单片机的 低端产品，采用数码管进行人机交互界面显示，并且提供的功能相对比较少， 因此很难与国外的高端数显产品进行竞争。然而，随着科学的发展与计算机技 术的进步，人们在工业生产及r 常操作中越来越需要一种测量精度高、测量时 间短、提供功能多、软硬件可裁剪的数显测量系统，从而在工业生产中能够显 著的提高测量精度、提高生产效率。因此，本课题研究的目的主要就在于设计 研发一种能够满足工业生产中测量精度高、测量时间短、软硬件可裁剪的测量 要求的嵌入式光栅数显测量系统。 我国目前机床行业实现全面的数控化还需要一段漫长的路程，各种传统机 械量具还在大量使用。因此，研发嵌入式光栅数显测量系统是我国改造普通机 床、实现全面数控化的必由之路。同时，研发嵌入式光栅数显测量系统虽然投 入成本少，但能大大地提高测量精度和生产效率，具有较大的经济效益和社会 效益，这也正是本课题的研究意义之所在。 首先嵌入式光栅数显测量系统能够较大地提高加工精度，保证产品的质 量；其次，由于数显装置能精确而直观地显示工件和刀具的相对位置，节约测 量定位时间，避免因尺寸换算带来的差错，从而大大提高了生产效率；最后， 在我国机床行业对外合作和对外生产中，国外客户和厂家为了保证产品的质量 特意在工艺文件中标明要在数显数控机床中加工，因此研发嵌入式光栅数显测 量系统能够促进我国机床行业的对外合作和对外生产，提高我国机床行业在国 际上的竞争力。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 1 3 国内外相关技术发展现状 1 3 1 国外相关技术发展现状 从2 0 世纪7 0 年代以来，数显量具随着微电子、激光技术、传感技术、计 算机等前沿技术的迅猛发展而迅速发展起来，并逐步开始替代传统机械量具， 同时由于光刻、复制技术和微电子技术的发展，使光栅测量系统生产成本大大 下降，可靠性增高，测量长度和精度也得到迅速提高，因此国外在7 0 年代光 栅测量系统就用于数显和数控机床，从当初占机床测量系统的1 0 发展到今天 占到8 0 1 7 j 。目前全世界能制造光栅测量系统的国家有德国、日本、英国、西 班牙、意大利、奥地利、俄国和韩国等。 目前国外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、钢板、钢带；几何光栅的栅距是4 0 p m 和2 0 1 t m ，测量长度 可达3 0 m ，一些生产厂商可订做1 0 0 m 左右的光栅尺，衍射光栅的信号周期是 4 9 m 和2 p m ，测量长度直到1 5 m ：光栅测量系统的准确度有1 0 0 m ，5 1 t m ， 3 1 t m ，_ _ _ 2 1 a m ，l i t m ，0 5 p m 和0 1 i t m ；最小步距从5 p m ，l p m ，0 5 p m ，0 1 p m 直 到l n 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 m i n ；最大传输距离已达15 0 m t 8 l 。 在数显装置方面，国外的数显装置发展按照元件进步划分，经历了分离原 件、集成电路和微机三个阶段；按功能划分可分为普通型、功能型、智能型三 类。其中智能型数显装置可按人的意志编制程序并根据环境变化自动修正误 差，因此国外的数显装置发展已经达到了一个很高的水平。以德国的海德汉公 司为例，其技术、品种和产量都领先于其他国家1 9 1 。其产品利用可编程器件 p l c 将电路集成于控制系统，具有较高的稳定性。该公司产品可达到四轴，最 高细分倍数可达1 0 2 4 ，分辨率一般o 1p m 、l p m 、5 p m 、1 0 1 t m 。该公司的最新 产品n d 7 0 0 对于每毫米5 0 线的光栅，误差范围为1 0 p m ，分辨率为0 1 i t m 、 l l a m 、1 0 p m 。该系列产品具有刀具长度补偿、收缩补偿、线性和非线性( 多于 6 4 个测量点) 补偿功能，并具有可编程功能来帮助操作者完成位置检测及特殊 显示功制1 0 l 。 目前国际数显高端产品市场仍由欧美及日本企业垄断。德国海德汉垄断高 档光栅传感器及其测量系统的生产与销售，2 0 0 3 年销售额达7 亿欧元，占全世 界6 0 以上的光栅数显产品市场；日本三丰公司是世界最大容栅量具量仪生产 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论义 厂，占世界容栅量具市场5 0 ，2 0 0 3 年销售额高达8 亿美元【l l 】。 1 3 2 国内相关技术发展现状 中国数显量具行业起步于2 0 世纪8 0 年代，经过长时间的发展，我国量具 行业已经初步形成产品门类比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体 系，成为全球除日本外第二大量具生产国。据不完全统计，2 0 0 6 年我国工量具 生产企业总数为4 0 0 多家，其中以生产量具为主的企业约为1 0 0 多家。2 0 0 6 年 我国量刃具工业总产值2 4 4 8 9 亿元，与2 0 0 5 年同比增长2 8 3 ；产品销售收 入2 3 0 4 5 亿元，与2 0 0 5 年同比增长2 7 7 。我国已迅速发展成为世界第二大 的数显量具生产基地1 1 2 1 。 近两年来国内的镀膜、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 米以内的光栅尺，准确度在4 - 1 0 i t m 的基础 上向4 - 5 1 a m 提高，测量速度也由4 8 m m i n 提高到了6 0 m m i n ，其中信和公司 l 肛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 1 t m ，2 0 1 a m 和1 0 1 a m ；分辨率： 1 0 1 t m ，5 “m ，i g m 和0 5 9 m ；最大测量长度：3 m ( 接长可至1 2 m ) ；系统准确度： 4 - 1 0 9 m m 、4 - 5 1 a m m ；测量速度：4 8 m m i n ，6 0 m m i n 。 在光栅数显表的硬件方面，国内的生产厂商普遍采用可编程逻辑器件( p l d ) 及现场可编程门阵y l j ( 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。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 刀仪等。 历届中国国际机床展览会上参展的国产数显量具产品，展示了我国机械量 具电子数显化发展的历程。我国工具行业在相关电子行业、研究院所、高等院 校的通力合作下，经过多年来不懈地努力，从引进、消化、吸收，直到自行研 究并开发出拥有自主知识产权和专利的先进电子传感数显技术，批量生产出电 子数显量具的系列产品，取得了骄人的成就。国产数显量具从前几年简单的条 形液晶数字显示发展到较为复杂的面形液晶动态模拟的图像显示，容栅的分辨 率从0 0 1 m m 发展到0 0 0 1 m m ，测量的精度和可靠性都有了显著提高【l4 】。不断 哈尔滨理t 人学丁学硕l ：学位论文 提高的防水防尘性能( 从i p 5 4 提高到i p 6 5 ，目前已可达到i p 6 7 ) ，增强了国产 数显量具的市场竞争能力。我国容栅数显卡尺近年大量出口，在国际市场已经 占有了举足轻重的地位，就是一个最好的实例。 我国数显行业初步形成了与国际一流企业竞争的基本条件，进入了良性循 环的态势，加之国际数显市场良好的前景，不难预见，在未来五年，我国整个 数显行业将步入发展的快行i 酋【1 5 l 。 1 4 课题来源和本文主要研究内容 1 4 1 课题来源 本课题是北京中科恒业中自技术有限公司的产品开发项目。本课题除部分 内容属于理论研究范畴外，其它主要内容均属于应用研究范畴。 1 4 2 本论文主要研究内容 本文在依据光栅位移测量原理，采用以l p c 2 2 1 0 为中央处理器的嵌入式 硬件设计方案；并在硬件平台上移植嵌入式操作系统j _ t c o s i i 对系统进行多 任务管理、外围设备管理及内存管理。 本文的主要研究内容： 1 光栅位移测量原理了解和深入掌握了光栅位移测量原理并深入研究了 一辨向和细分电路。为嵌入式光栅数显测量系统的总体设计奠定了理论基础。 2 硬件系统设计首先根据系统设计要求，研究了嵌入式光栅数显测量系 统的总体硬件设计方案。同时，运用正交解码芯片h c t l 2 0 3 2 设计了系统的光 栅位移信号采集部分的硬件电路；另外对嵌入式系统的最小系统进行了细致地 研究并分别确定了各个部分的硬件设计方案。最后在细致研究总体硬件设计方 案的基础上，设计研究了嵌入式光栅数显测量系统的u s b 通讯、串行通信、 l c d 显示、并行接口打印等硬件电路。 3 系统软件设计首先细致研究了源代码公开的嵌入式操作系统i _ t c o s i i 的主要特点、主要功能以及体系结构。同时，设计了嵌入式操作系统l a c o s i i 向嵌入式硬件平台移植的主要移植方案和移植步骤，并且设计编写了嵌入式系 统的移植代码。同时设计了在嵌入式操作系统下的各个子程序，包括计数值采 集处理程序、显示控制程序、键盘控制管理程序。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论义 第2 章光栅测量原理及辨向电路 2 1 光栅测量原理 2 1 1 光栅的分类和结构 光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍 射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光 栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分 辨力。 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、主光栅、指 示光栅、光电元件三大部分组成。光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电 池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间 距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光团6 1 。 计量光栅的结构图如图2 1 所示。 光源 图2 - 1 透射式光栅 f i g 2 - 1t r a n s m i s s i o ng r a t i n g 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 2 1 2 莫尔条纹 下面以透射式黑白光栅为例来分析光栅测量位移的工作原理。 把长短两块光栅重叠放置，但中间留有微小的间隙6 ( 一般6 = d 2 x ，九为 有效光波长；d 是相邻两条刻线间的距离，称为光栅栅距) ，并使两块光栅的刻 线之间有一很小的夹角p ，如图2 2 所示。当有光照时，光线就从两块光栅刻 线重合处的缝隙透过，形成明亮的条纹，如图2 2 中的a - a 所示。在两块光栅 刻线错开的地方，光线被遮住而不能透过，于是就形成暗的条纹，如图2 2 中 的b - b 所示。这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹，其方向与光栅刻线近似垂 直，相邻两明亮条纹之自j 的距离b n 称为莫尔条纹间距【l 7 】。 图2 - 2 莫尔条纹 f i g 2 - 2m o i r ef r i n g e 2 1 3 光栅测量位移的工作原理 若标尺光栅和指示光栅的刻线密度相同，即光栅栅距d 相等，则莫尔条纹 的间距见式( 2 - 1 ) 。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j ! 学位论文 即壶万d ( 2 - 1 )2 s i n 二 2 由于口角很小，故莫尔条纹间距粕远大于光栅栅距d ，即莫尔条纹具有放 大作用。 测量时，把标尺光栅与被测量对象相联结，使之随其一起运动。当标尺光 栅沿着垂至于刻线的方向相对于指示光栅移动时，莫尔条纹就沿着近似垂直于 光栅移动的方向运动。当光栅移动一个栅距d 时，莫尔条纹也相应地欲动一个 莫尔条纹间距粕。因此，可以通过莫尔条纹的移动来测量光栅移动的大小和 方向l 憾i 。 对于一个固定的观测点，其光强随莫尔条纹的移动，亦即随光栅的移动按 近似余弦的规律变化，光栅每移动一个栅距，光强变化一个周期。如果在该观 测点放置一个光电元件( 一般用硅光电池、光敏二极管或三极管) ，就可把光 强信号转变成按同一规律变化的电信号，即由公式( 2 2 ) 所示。 虬w = + s i n ( 三+ 了2 7 l x ) = + s i n ( 缈+ 9 0 。) ( 2 - 2 ) 一信号的直流分量( ： 虬一信号变化的幅值( 。 j 卜标尺光栅的位移( m m ) ； 缈一角度( ) ，矿：孕石：堑 工。 口 口 可以看出，在莫尔条纹自j 距b h 的1 4 ，3 4 处信号变化斜率最大，灵敏度 最高，故通常都以这些点作为观测点。 通过整形电路，把正弦信号转变成方波脉冲信号，每经过一个周期输出一 个方波脉冲，这样脉冲数就与光栅移动过的栅距数相对应，因而位移 j 降 口。 2 2 辨向电路 对于一个固定的观测点，不论光栅向哪个方向运动，光照强度都只是作明 暗交替变化，光敏元件总是输出同一规律的变化的电信号，因此仅依该信号是 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 无法判别光栅移动的方向的。为了辨别方向，通常在相距b 4 的位置安放两个 光敏元件l 和2 ，如图2 3 所示，从而获得相位相差为9 0 0 的两个币弦信号。然 后把这两个电压信号u ，和u 2 输入到图2 4 所示的辨向电路进行处理。 2 图2 3 相距b 4 的两个光敏元件 f i g 2 - 3t w op h o t o s e n s i t i v ec o m p o n e n t sf r o mb 4 图2 _ 4 辨向电路 f i g 2 - 4c i r c u i tf o ri d e n t i f yd i r e c t i o n 当标尺光栅向左移动，莫尔条纹向上移动时，光敏元件l 和2 分别输出图 2 - 5 ( a ) 所示的电压信号u l 和u 2 ，经放大整形后得到相位相差9 0 0 的两个方波信 号“，l 和u f 2 。ur i 经反相后得到u ”i 方波。“，l 和“，l 经r c 微分电路后得到两组 光脉冲信号u7 1 w 和u ，1 w ，分别输入到与门y i 和y 2 的输入端。对与门y l ，由 于u7 1 w 处于高电平时，u 2 总是低电平，故脉冲被阻塞，y i 无输出；对与门 y 2 ，u7 ，1 w 处于高电平，u 2 也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控 制触发器使之置”l ”，可逆计数器对与门y 2 输出的脉冲进行加法计数。同理， 当标尺光栅反向移动时，输出信号波形如图2 5 ( b ) ，与门y 2 阻塞，y l 输出脉 冲信号使触发器置”0 ”，可逆计数器对与门y l 输出的脉冲进行减法计数。这样 klf。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数即 代表光栅位移瓜 - l 丐 _ 孓，i文 ： 、氏 义夕义? f l l ll ，r r， 一 l l ， r l l ll ll - l ，魄 隈k ，除厂 仁 ? k ，。 i f fl ，- ， ill r r tk l fl a ) 正向b ) 反向 a ) p o s i t i v ed i r e c t i o n ”r e v e r s ed i r e c t i o n 图2 5 光栅移动时辨向电路各点波形 f i g 2 5w a v e f o r mo fe a c hp o i n ti nt h ec i r c u i tf o ri d e n t i f yd i r e c t i o nw h e ng r a t i n gm o v i n g 2 3 本章小结 本章在详细阐述莫尔条纹的基础上全面研究了光栅位移测量原理，同时对 辨向电路的硬件结构以及辨向电路对光栅信号的处理过程进行了深入的研究， 为嵌入式光栅数显测量系统的设计提供了理论依据。 一。 吒 呔 屹 y 、 尉 t t 叱 嗉 x x 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 第3 章光栅数显测量系统的硬件设计 本文所设计的嵌入式光栅数显测量系统在研发阶段采用s g c 2 型光栅尺 作为光栅线位移传感器，该光栅尺的输出信号是幅值为1 v 左右的正弦信号。 并采用h c t l 2 0 3 2 作为正交解码芯片，完成对光栅尺输出的两路相位差9 0 。的 正弦信号进行数字滤波、正交解码、计数等工作。同时，目前大多数国内自主 研发的光栅数显设备基本上都是基于单片机的低端产品，采用数码管进行人机 交互界面显示，并且提供的功能相对比较少，很难进行后续的功能扩展与改 进，阻此本系统采用功能比较多、外围接口资源丰富的嵌入式微处理器 l p c 2 2 1 0 作为中央处理器，对h c t l 2 0 3 2 通过系统数据总线传送的计数值进行 数据处理。同时系统还集成了u s b 通讯、串行通信、l c d 显示、并行接口的 打印机打印等功能。 嵌入式光栅数显测量系统的硬件功能框图如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件功能框图 f i g 3 - 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fs y s t e mh a “l 忸r e 3 1 光栅位移信号采集部分电路硬件设计与原理 3 1 1 正交解码芯片h c t l 2 0 3 2 h c t l 一2 0 3 2 内部集成正交解码、双通道可逆计数等功能模块，并提供了八 1 1 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 位的数据总线接口。同时芯片内部还集成了施密特触发器和噪声滤波器，用于 抑制f 交信号内部的噪声，因此此芯片具有良好的滤波和降噪功能。同时芯片 内部还提供三种可编程计数模式，可实现不同的最小分辨率。另外由于h c t l 2 0 3 2 能够处理两路光栅信号并提供3 2 位的可逆计数器与锁存器。因此，此芯 片完全符合本设计的双坐标和3 2 位计数要求。 3 1 2 芯片h c t l 2 0 3 2 工作原理及内部结构 在光栅数显测量系统中，光栅尺的输出信号是两路相位差9 0 。的正弦信 号。根据正交解码信号之间相位的超前与滞后关系，把正交信号转换为另外两 路信号，分别为代表正交信号任一路脉冲数的脉冲序列以及代表正交信号相位 关系的控制信号。它们分别送到可逆计数器的计数输入端和加减控制端。根 据可逆计数器的计数值可获得测量系统所需要的位移等测量结烈1 9 l 。 h c t l 2 0 3 2 内部包括数字滤波器、j 下交解码逻辑电路、可逆计数器、数据 锁存器以及总线接口，由计量光栅传感器、光栅尺等测量设备输出的两路相位 差为9 0 。的正交解码脉冲信号经c h a x ，c h b x ( 1 吼) ，c h a y ，c h b y ( 2 1 ) 正交解 码信号输入引脚输入芯片后，首先经过施密特触发器和数字滤波器进行整形滤 波，将正交信号内的噪声滤除，然后送入正交解码逻辑电路进行解码，其解码 方式( 4 x ，2 x 或l x ) 可通过设置e n l ，e n 2 进行选择，解码后的数字信号由 3 2 位的二进制可逆计数器进行计数，最后计数值经过3 2 位的二进制数据锁存 器锁存以及数据缓冲器缓冲，由于h c t l 2 0 3 2 提供8 位总线，因此3 2 位的计数 值数据需要通过设置s e l l ，s e l 2 以及o e ，分四次进入开放式的系统总线传 送到嵌入式系统的微处理器进行数据处理。 h c t l 2 0 3 2 的工作原理、内部结构及对正交解码信号的处理流程如图3 2 所 不。 鬻b ( x 轴) r _ 8 位数据总 数字滤波 冷 正交解码叭计数器 锁存器 ( 四细分) 叫 ( 3 2 位)( 3 z 位) 鬻睁 ( y 轴) r 图3 - 2h c t l 2 0 3 2 简单逻辑框图 f i g 3 - 2s i m p l i f i e dl o g i cb l o c kd i a g r a mo f h c t l 一2 0 3 2 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 3 1 3 内部正交解码模式选择以及数据锁存器的数据输出模式 h c t l 2 0 3 2 内部具有正交解码逻辑电路，并且提供了4 x ，2 x 或l x 三种解 码方式可供选择。解码方式由e n l 、e n 2 的组合值进行控制。当选择4 x 解码 模式时，正交解码逻辑电路在一个采样周期内对输入信号进行4 次采样。同 理，如果选用2 x 或l x 解码模式时，正交解码逻辑电路在一个采样周期内分别 对输入信号进行2 次采样或1 次采样。因此，采用不同的解码模式，可实现不 同的最小分辨率。 e n l 、e n 2 组合控制解码模式如表3 1 所示。 表3 1h a l 2 0 3 2 解码模式表 t l b l e3 1c o u n tm o d e so fh c t l 2 0 3 2 计数模式 e n le n 24 x2 x1 x 0o 未定义 10o n olo n 11o n 正交解码脉冲信号经过数字滤波器、j 下交解码逻辑电路、可逆计数器、等 一系列逻辑电路处理后，送入数据锁存器。但是，由于h c t l 2 0 3 2 提供8 位数 据总线，因此3 2 位的计数值数据需要通过设置s e l l ，s e l 2 以及o e ，分四次 进入开放式的数据总线传送到嵌入式系统的微处理器进行数据处理。 s e l l ，s e l 2 组合控制锁存器3 2 数据传送模式如表3 2 所示。 表3 - 2h c t l 2 0 3 2 总线数据传输模式表 m l b l e3 2d a t at r a n s m i s s i o nm o d e so fd a t ab u s 字节选择 s e l ls e l 2 一m s b 2 n d3 r dl s b o l d 4 lld 3 0od 2 l0d l 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 3 1 4 正交解码芯片与微处理器的硬件连接 由于正交解码芯片内部不集成晶体振荡器，因此需要在芯片外提供一个 3 3 m h z 的有源晶振，同时c h a x ，c h b x ( 1 吼) 、c h a y ，c h b y ( 2 喇) 分别连接x 轴和y 轴的光栅信号。八位的数据总线d 0 d 7 应相应的连接到系统微处理器 l p c 2 2 1 0 的最低位数据端上；至于s e l l 、s e l 2 等其他一些控制信号端应该相 应的连接到微处理器l p c 2 2 1 0 的i o 接口上；另外，由于要对光栅信号进行四 细分操作，所以e n l 、e n 2 要分别接高电平和低电平。 正交解码芯片h c t l - 2 0 3 2 与微处理器l p c 2 2 1 0 的硬件连接图如图3 3 所 示。 i j 2 0 3 2u l 1 54 x 轴光钼信号 1 4 cha工do 3 l1 0 5 d o c h b 工d l 3 0l d l 1 6 d 2 2 9l o s d 2 c k a y d 3d 3 硝由光橱信号 1 32 21 0 9 c l - i b y 1 2 4 2 l1 1 4 d 5 2 01 1 5 d 5 i i c t l - 2 0 3 2 d 6 1 01 1 6 d 6 l _ p c 2 _ 2 1 0 d 7 72 l d 7 y2巧v o e 3 22 5 p 0 2 5 14t x 吖 62 3 p o2 8 v c cs e l l m 3 2 p o2 7 235 s e l 2 1 26 p o 2 9 + c l kr s t xp 02 3 - 5 l l s 3 0 m h ztc h l1 r s t o 2辈： p 0 2 4 v d de n l h 卜- 堡_v s s 磷22 。2 。南 图3 3h c t l - 2 0 3 2 与系统微处理器硬件连接图 f i g 3 - 3a nh c t l - 2 0 3 2t om c u i n t e r f a c e 3 2 嵌入式最小系统的硬件设计 3 2 1 嵌天式最小系统的定义 以a r m 内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的f l a s h 电路、 s d 洲电路、j t a g 电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线 扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统【2 蚴】。 本文所设计的光栅数显测量系统是一个典型的嵌入式系统，一个嵌入式处 理器必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号还要加上存储器系统，然后 哈尔演理t 人学t 学硕l 。学位论文 嵌入式处理器芯片才可能工作。大多数a r m 7 微处理器都有调试接口，这部 分在开发时是必需的，所以也把这部分也归入最小系统中。 最小系统原理框图如图3 - 4 所示。 图3 4 最小系统框图 f i g 3 - 4m i n i m u ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 3 2 2 电源部分的设计 本文设计的嵌入式光栅数显测量系统在电源末级部分采用s i p c x 的 s p x l l l 7 作为j 下向电压调节器。 s p x l l l 7 是一个低功耗的j 下向电压调节器，可以用在一些高效率，小封装 的低功耗设计中。s p x l l l 7 有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为 1 1 v 。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。s p x l l l 7 可调 节，以选择1 5 v ，1 8 v ，2 5 v ，2 8 5 v ，3 0 v ，3 3 v 及5 v 的输出电压。 由于嵌入式微处理器l p c 2 2 1 0 的内核和i o 接口分别要求1 8 v 和3 3 v 供 电，因此需要两组电源输入器。 电源系统的末级电路设计如图3 5 所示。 u l l t n 2 g p x l1 1 7 玉凸1 暑g 欧111 7 姬3j j r j r 图3 5 电源系统末级电路图 f i g 3 - 5l a s ts t a g ec i r c u i td i r g r a mo f p o w e rs y s t e m 哈尔滨理t 人学t 学顾l j 学位论文 3 2 3 时钟部分的设计 目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数 微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微处理器内部的晶体振荡器，但