双光栅干涉表面轮廓测量传感器-毕业设计(论文).doc

I 双光栅干涉表面轮廓测量传感器 摘 要 随着现代制造朝着高精密方向发展 满足一般实验和生产条件下的低成本 方便实用的高精密位移计量测试手段和测量传感器面临紧迫的需求 本文中介绍了一种低成本 高精度的接触式微位移传感器 该装置由半导体 激光器 双光栅干涉单元 干涉条纹光电接收与信号处理电路 计数细分与位移 数显单元等组成 首先 文中讲到了光栅干涉单元的选用 传感器所用激光器的介绍及由日本 滨松公司生产的型号为 S6695 01 的四象限光电探测器介绍 紧接着讲述了由信号 前置放大所得两路正交信号滤波 消除直流偏置和差分放大 及整形为方波信号的 各部分电路的具体设计及 GAL16V8 进行四倍频细分和辨向处理 最后送到 AT89C51 单片机实现干涉条纹计数 并用共阴极七段数码管显示出计数值的具体 电路设计及计量位移程序设计 并画出了相应的电气原理图和 PCB 板图 在各部分分完成之后进行程序的软件模拟调试及全文总结 关键词 双光栅干涉 高精度 四象限光电探测器 四倍频细分 II DOUBLE GRATING INTERFEROMETER SENSOR FOR SURFACE PROFILE MEASUREMENT ABSTRACT With the development of modern manufacturing high precision measuring and displacement sensor is used more urgently which is low cost and convenient in normal experiment and production conditions This paper introduces a low cost high precision micro displacement sensor contacts The sensor is made up of semiconductor laser double grating interference cell photoelectric receiver the signal processing circuit and so on Firstly this paper specifically introduces double grating interferometer units the laser used in sensor and the four quadrant optoelectronic detector produced by the Japanese company Hamamatsu model S6695 01 Secondly I explain the specific design of each part of the circuit including the signal filtering about the two orthogonal signal from preamplifier circuit eliminating DC bias and differential amplification shaping for the square wave signal using GAL16V8 for four sub frequency and identifying the direction sending the square wave signal to the MCU AT89C51 to count and using the common cathode seven segment LED to display the count At last I need to write the program of measuring displacement and draw electrical schematics and PCB boards Software simulation test of the programs and summary of full paper are carried out after the completion of each part of the design KEY WORDS Double grating interference High precision Four quadrant optoelectronic detector Fourth harmonic subdivision III 目 录 前 言 1 第 1 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器工作原理 2 1 1 微位移传感器概况及本课题研究内容 2 1 1 1 微位移传感器发展概况 2 1 1 2 本课题研究内容 2 1 2 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构 3 1 2 1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器原理 4 第 2 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器光学系统设计 5 2 1 双光栅光学系统简介 5 2 1 1 光栅光学系统定义 5 2 1 2 光栅光学系统应具有的一般性能 5 2 1 3 光栅光学系统组成 5 2 2 双光栅光学系统设计 5 2 2 1 激光器的选择 5 2 2 2 双光栅干涉单元 6 2 2 3 光电接收单元 6 第 3 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器控制电路设计 7 3 1 传感器光电信号处理的设计 7 3 1 1 传感器光电信号处理综述 7 3 1 2 四象限光电探测器前置放大电路设计 7 3 1 3 两路信号消除直流偏置和信号放大的电路设计 8 3 1 4 整形电路的简单设计 9 3 1 5 干涉条纹信号的辨向和硬件细分 10 3 1 6 干涉条纹信号的计数 11 3 1 7 LED 显示驱动电路设计 12 3 2 电路设计中的芯片简介 13 3 2 1 LM324 芯片 13 3 2 2 LM339 芯片 14 IV 3 2 3 编程逻辑器件 芯片 GAL16V8 15 第 4 章 程序设计 18 4 1 GAL16V8 的变向与细分程序的设计 18 4 1 1 程序设计 18 4 2 该系统的位移计量及显示程序设计 19 4 2 1 程序流程图的设计 19 4 3 位移计量显示程序的调试 21 结 论 24 谢 辞 25 参考文献 26 附 录 27 1 前 言 表面计量技术是近年来国内外摩擦学和表面计量学领域的一个重要研究方向 基于迈克尔逊干涉原理的位移传感器 测量受空气成分 压强 湿度的影响 使用 时必须对空间位置及工件的温度进行实时测量及补偿 其测量精度取决于稳频的 精度和环境条件 使用起来十分不便 对此文中提出了一种基于光栅干涉原理的新型微位移传感器 该传感器具有 使用方便 计量精度高 抗干扰性强等特点 本课题是基于 能够解决实际工程 问题 的指导思想 并结合三年来所学机电知识及国内外文献和王淑珍老师的指 导 来完成该传感器的设计 该课题能够很好的把自己三年来所学机械设计理论 自动控制理论及机电一 体化技术三者融合 以此来锻炼自己能够解决简单的实际工程问题的能力同时也 可以为将来走向工作岗位时能够承担关于机电设计的工作打下基础 在该课题设计中我的主要目标就是掌握双光栅干涉轮廓测量传感器的工作原 理 设计传感器基本控制电路和传感器的位移计量显示电路 并画出相应的电气 原理图和 PCB 板图 位移计量程序及程序的软件模拟调试 2 第 1 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器工作原理 1 1 微位移传感器概况及本课题研究内容 1 1 1 微位移传感器发展概况 传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业 它以其技术含量高 经济效益好 渗透能力强 市场前景广等特点为世人瞩目 那些高精度 快响应 高可靠性 宽温度范围 微型化 微功耗及无源化 智能化 集成化 网络化的 传感器将成为未来市场中的新星 传感器的应用领域涉及机械制造 工业过程控制 汽车电子产品 通信电子 产品 消费电子产品和专用设备等 就世界范围而言 传感器市场上增长最快的 是汽车市场的需求 占第二位的是过程控制市场 前景看好是通讯市场 而且由于传感器是光仪电系统的 感觉器官 是测量系统中的一种前置部件 它将输入变量转换成可供测量的信号 传感技术综合了物理 化学 生物 电子 和微电子 材料 精密机械 微细加工和实验测量等方面的知识和技术 中国 美 日 英 法 德等国都把传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一 1 1 2 本课题研究内容 本课题介绍了光栅干涉单元 传感器所用激光器及由日本滨松公司型号为 S6695 01 的四象限光电探测器作为光电接接收并对信号前置放大的设计 所得两 路正交信号滤波 消除直流偏置和差分放大 及整形为方波信号的各部分电路的具 体设计 GAL16V8 进行四倍频细分和辨向处理 然后送到 AT89C51 单片机实现干 涉条纹计数 并有共阴极七段数码管显示出计数值的具体电路设计及计量位移程序 设计及调试 3 1 2 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构 该传感器主要由透射型全息衍射正弦相位光栅 平行簧片机构 触针及测杆 半导体激光器 光电探测器及信号处理电路组成 传感器结构如图 1 1 所示 平行簧片机构由一对带夹板的片簧 平移架和固定架成 衍射光栅安装在平行 簧片机构的平移架上 在测量过程中 触针随工件轮廓起伏运动 使杠杆绕其支点 转动并通过刀口带动安装在平移架上的光栅上下平移运动 激光器发出的激光束 入射到第一全息衍射光栅上 产生 l 级衍射光 当 1 级衍射光经过第二全息衍射 光栅利用一定的光学方法使其产生的衍射光发生干涉现象 形成明暗相间的干涉 条纹 当光栅上下移动时 干涉条纹跟随移动 条纹移动量由光电探测器件测出 图 1 1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构示意图 复位弹簧的作用是对平移架施加预拉力 使传感器复位 当触针与工件轮廓 接触时 杠杆受到测量力的作用 该力通过刀口传递到平移架上 与复位弹簧的 预拉力一起使上下两个片簧发生变形 1 2 1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器原理 双光栅干涉表面轮廓测量传感器采用的计量系统 即双光栅干涉计量 4 系统基本原理如图 1 2 图 1 2 双光栅干涉系统基本原理 当光栅常数相同 刻线平行的两个透射式衍射光栅的平行放置在一起时 如 果单色平行光对第一光栅 G1 的入射角为 从 G1 产生的第 p 级衍射光经过 G2 后产生 q 级衍射光 则从光栅组合出射的这一衍射光束的等级序列就可表示为 p q 从光栅组合出射的两衍射光 如果它们的等级序列之和相等 即 p1 q1 p2 q2 r 1 1 则它们将以相同方向出射 相当于单光栅的第 r 级方向的出射光 在双衍射 光栅计量系统中 单色平行光对第一光栅 G1 的入射角为 0 p1 q1 1 0 和 p2 q2 0 1 两束光将以相同方向出射 相当于单光栅的第 r 1 级方向的出射光 其强 度将由此方向上 1 0 和 0 1 两束光干涉的结果决定 当两个光栅不完全平行时 1 0 和 0 1 两束光之间会有一个会聚角 从而发生干涉现象 5 第 2 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器光学系统设计 2 1 双光栅光学系统简介 2 1 1 光栅光学系统定义 光栅光学系统是指形成莫尔条纹光学系统 包括拾取莫尔条纹的光电接收元 件 它的作用是把标尺光栅的位移转换为光电元件的输出信号 2 1 2 光栅光学系统应具有的一般性能 1 系统结构简单 装调方便 工作可靠 具有良好的抗干扰能力 2 系统结构参数的变化对莫尔条纹信号质量的影响不显著 3 光学系统的输出信号能够实现高倍频电子细分的要求 4 系统输出多相信号 在一个莫尔条纹信号周期 能输出两路或四路相位 相差 90 的信号 以满足计数 以及电子细分等的要求 2 1 3 光栅光学系统组成 光栅传感器的光学系统主要有照明系统 光栅副 光电接收原件和机械部件 组成 对它的设计主要是对上述各部件的制作材料的选择 某些尺寸的计算 一 些元器件的选用以及某些结构应具有的性能等等 2 2 双光栅光学系统设计 2 2 1 激光器的选择 由于激光的相干性较普通光源好 因此采用激光作为光源 激光器提供位移 传感器中发生衍射 干涉所需要的光源 目前比较常用的有半导体激光器和 HE NE 激光器等 与 HE NE 激光器等其他激光器相比 半导体激光器体积小 重量 轻 相干性高 可靠性高 可单片集成化 价格便宜 虽然温度特性差 容易产 生噪声 但是由于半岛体激光器做衍射干涉的光源对温度特性及噪声要求不高 并且目前集成化以后可以解决输出光发散的问题 综合以上原因考虑 并结合双 6 光栅干涉位移传感器构架较小等现实原因 采用半导体激光器来满足系统需要 2 2 2 双光栅干涉单元 双光栅干涉单元主要是用来接收激光发生装置所产生的激光束 并对激光束 衍射 干涉后 形成等间距 高反差的干涉条纹 干涉条纹移动 反映双光栅相 对位移 双光栅干涉单元的特点是两块光栅平行放置 而且两光栅的栅线走向一 致 采用的衍射光栅是从长春市恒宇光电科技有限公司购买的高精度透射型计量 光栅 槽密度为 1000 线 mm 激光束从一侧垂直入射至双光栅干涉单元时 在另 一侧干涉屏上可以看出在 0 级 1 级 1 级主极大位置出现激光光斑 而 2 级 2 级及以上位置由于光强较弱则很难看到 调节双光栅之间的距离 并且 调整栅线走向始其保持一致 则可以明显看到 1 级 1 级主极大位置出现高反差的干涉条纹 0 级主极大位 置的由于有 0 级光的掩盖 则不会出现高反差的干涉条纹 肉眼看上去只是一个 光斑 干涉条纹间距与双光栅之间的距离及栅线间距有关 2 2 3 光电接收单元 采用日本滨松公司型号为 S6695 01 的四象限光电探测器作为光电接收装置 S6695 01 一共有 4 个光电接收单元 每个单元都可独立接收光信号 4 个光电接 收单元成田字型排列 总体的感光面积为 2 2mm 因为有 4 个光电接收单元 因此光电转化之后则有 4 路电流信号输出 这 4 路电流信号的强弱分别代表 4 个 光电接收单元光信号强弱 若把四象限光电接收器以一定的角度卡在干涉条纹的 一个周期内 则相当于平行放置的光电探测器阵列 当干涉条纹在光电接收器上 发生持续移动的时候 这 4 路光电接收单元输出的电流信号成正弦分布 只是相 位相差 2 7 第 3 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器控制电路设计 3 1 传感器光电信号处理的设计 3 1 1 传感器光电信号处理综述 双光栅干涉光栅是基于衍射光束的干涉原理 参与干涉的衍射光束是经过衍射 后形成的 对于正弦型相位光栅 除去集中在 0 级极大处 90 以上的光能外 最后参 与干涉的光能量较小 为了高信噪比地接受干涉条纹 本传感器采用四象限光电探 测器接受光栅干涉信号 由四象限光电管接收的两路正交信号经前置放大 滤波 消除直流偏置和差动放大后 整形为方波信号后送入 GAL16V8 进行四倍频细分和 辨向处理 然后送到 AT89C51 单片机实现干涉条纹四细分计数 并将计数值 N 送给 LED 显示装置 从而直观的读出所测数值 3 1 2 四象限光电探测器前置放大电路设计 光电二极管响应速度快 被广泛应用于光学通信中 为了消除光电转换中背 景光强所产生的直流信号 光电信号采用差分接入方式 光电探测器前置放大电路 如图 3 1 所示 PIN1 PIN2 PIN3 PIN4 分别对应接收干涉条纹的四个光电管 sin cos 为理论相位相差 2 的两路差分信号 外加反向偏置电压用来提高光 电管的响应频率和线性 假设各光电管输出电流分别为 I1 I2 I3 I4 在干涉 条纹稳定状态下 运算放大器输出端电压分别为 Usin I1 I2 R Ucos I3 I4 R 3 1 8 图 3 1 四象限光电探测器前置放大电路 3 1 3 两路信号消除直流偏置和信号放大的电路设计 从光栅位移传感器得到的两路信号在实际中两路信号是相差近似为 90 幅 值不等 直流漂移不同 为了得到满足莫尔条纹计数的信号 需要对这两路信号 进行去直流 放大处理 得到两路幅值相同 直流漂移为零的信号 图 3 2 所示 的是对 Usin Ucos 信号处理的电路原理图 根据运算放大器的虚短和虚断性质 电路的输出电压分别为 3 2 12 11152316 121116 cos 11152316 1612 2 12 22156 326 sin 22156 63 1 U RRRR RRR U RRRR RR U U RRRR RRR U RRRR RR U 其中 R24 R23 R22和 R21为可调电阻 通过调节 R24和 R22的大小可改变 Usin 和 Ucos 的直流漂移 调节 R23和 R21的大小可改变 U1和 U2的幅值变化 调 节这四个电阻来达到莫尔条纹信号的有效范围 9 图 3 2 Usin Ucos 信号的放大 去直流原理图 3 1 4 整形电路的简单设计 图 3 3 整形电路原理图 这里的整形电路是一个单限比较器 输入信号为经过差分电路放大之后的正 弦电压信号 U1 即待比较电压 它加到比较器的同相输入端 5 在反相输入端 4 10 接一个参考电压 门限电平 这里选择 4 端接地 即参考电压为 0 如图 3 3 3 1 5 干涉条纹信号的辨向和硬件细分 对于双衍射光栅计量系统 当光栅移动了一个光栅节距时 干涉条纹相位变 化 2 1 个条纹常数 由于采用的是 1000 线 mm 的衍射光栅 光栅常数为 1 m 当干涉条纹移动一个周期时对应的标尺光栅位移量为 1 m 这对于测量 系统的要求来说远远不够 还需要对条纹信号进行进一步的细分 硬件细分就是一种电路细分方法 为提高电路系统的速度和可靠性 减少元 器件的数量 辨向和细分由可编程逻辑控制器 GAL16V8 实现 辨向细分的电路原理图如图 3 4 示 Usin Ucos 经过过零处理后变为两路相 差为 90o的方波信号 Ua Ub 一个周期方波信号对应干涉条纹交替变化一次 对 方波进行计数 可实现对位置的测量 对方波信号进行倍频细分 可提高测量的 分辨率 由于工作台可以在正 反两个方向移动 所以在进行计数和细分电路设 计时要综合考虑辨向的问题 本系统所采用的四细分辨向电路中 输入信号为具 有一定相位差 通常为 90o 的两路方波信号 这两路信号在一个周期内具有两 个上升沿和两个下降沿 通过对边沿的处理实现四细分 辨向是根据两路方波相 位的相对超前和后的关系作为判别依据 1 2 3 4 差分放大 LM324 整形电路 LM339 四细分及 辨向处理 GAL16V8 计数 AT89C51 LED显示电路 差分放大 LM324 整形电路 LM339 图 3 4 干涉光栅条纹信号辨向细分原理框图 利用 GAL 实现干涉条纹的细分 辨向的原理是 方波信号 Ua Ub 分别经过 D 触发器整形 经过一级触发器后变为方波信号 A1 B1 经过二级触发器后变为方波信号 A2 B2 如图 3 5 所示 当干涉条纹前 进时 相超前 B 相 90o 后退时 Ua 相落后 Ua 相 90o D 触发器能对信号进行整 形 消除了原始输入信号中的尖脉冲的影响 因而提高了电路系统的抗干扰性 11 A1 A2 B1 B2 P P 前进 A1 A2 B1 B2 P P 后退 图 3 5 方波信号倍频辨向波形图 两种情况下所能得到的 A1 B1 A2 B2 的逻辑组合分别为 前进 1000 1010 1110 1111 0111 0101 0001 0000 后退 1101 1111 1011 1010 0010 0000 0100 0101 其中 0000 1111 1010 0101 是在前进和后退中都会出现的 不能用来进 行前进或后退的判断 考虑两种情况所出现的不同脉冲状况来看有 P A1Error 2Error 1Error 2 A1A2B1Error 2 Error 1A2B1B2 Error 1Error 2Error 1B2 P Error 1Error 2Error 1B2 A1Error 2B1B2 A1A2B1Error 2 Error 1A2 B1Error 2 这样 当目标前进时 从 P 输出四倍频的脉冲信号 P 无输出 目标后退时 从 P 输出四倍频的脉冲信号 P 无输出 而此时 一个脉冲信号就代表了干涉条 纹移动了 1 4 个周期 这样就实现了对干涉条纹信号的四细分 以上过程通过编 程器写入 GAL16V8 中 可得 P 和 P 输出 3 1 6 干涉条纹信号的计数 计数电路选用的是 AT89C51 从 GAL16V8 输出的 P P 方波信号分别送到 AT89C51 的两计数器端口 T0 T1 T0 T1计数器对两个方向的脉冲信号分别进 行累积 其累积计数结果的差即为所求结果 为了提高系统的测量范围 在 AT89C51 的 RAM 中开辟了两个寄存器 R0 R1 分别作为 T0 T1 的高 8 位 与 16 位计数器共同合成 24 位计数器 对高 8 位的计数器操作在计数器溢出中断子 程序中完成 16 位计数器每产生一次溢出中断 寄存器值就加 1 考虑到两计数 器相减结果为有符号数 这样每个计数器值也必须为有符号数 将计数器的最高 位设置为符号为 则它们最大允许计数值为 7FFFFFH 8388607 这对一般的表面 轮廓测量是足够的 12 3 1 7 LED 显示驱动电路设计 对计数结果的显示采用 AT89C51 直接驱动共阴极七段数码管来完成驱动电 路的设计 P2 口接七段数码管 P0 口接 PNP 型三极管 其设计电路图 3 6 图 3 6 LED 显示驱动电路 13 3 2 电路设计中的芯片简介 3 2 1 LM324 芯片 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器 与单电源应 用场合的标准运算放大器相比 它们有一些显著优点 该四放大器可以工作在低 到 3 0 伏或者高到 32 伏的电源下 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一 共模输入范围包括负电源 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必 要性 其外形引脚如图 3 8 所示 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 1 2 4 3 VCCGND 1 2 3 4 图 3 8 LM324 引脚图 参数描述 1 运放类型 低功率 2 放大器数目 4 3 针脚数 14 4 工作温度范围 0 C 70 C 5 封装类型 DIP 14 6 器件标号 324 7 变化斜率 0 5V s 8 3dB 带宽增益乘积 1 2MHz 9 电源电压范围 3V 32V 14 LM324 的特点 1 短路保护输出 2 真差动输入级 3 可单电源工作 4 低偏置电流 最大 100mA 5 行业标准的引脚排列 6 具有内部补偿的功能 7 共模范围扩展到负电源 8 每封装含四个运算放大器 9 输入偏移电压最大 7mV 3 2 2 LM339 芯片 LM339 类似于增益不可调的运算放大器 每个比较器有两个输入端和一个 输出端 其外形如图 3 9 所示 两个输入端一个称为同相输入端 用 表 示 另一个称为反相输入端 用 表示 用作比较两个电压时 任意一个输 入端加一个固定电压做参考电压 也称为门限电平 它可选择LM339 输入 共模范围的任何一点 另一端加一个待比较的信号电压 当 端电压高于 端时 输出管截止 相当于输出端开路 当 端电压高于 端时 输出 管饱和 相当于输出端接低电位 两个输入端电压差别大于10mV 就能确保 输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态 因此 把LM339 用在弱信号 检测等场合是比较理想的 LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶 体三极管 在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻 称为上拉电阻 选3 15K 选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值 因为当输出晶体三 极管截止时 它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值 另外 各比 较器的输出端允许连接在一起使用 LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器 该电压比较器的特点是 1 失调电压小 典型值为 2mV 2 电源电压范围宽 单电源为 2 36V 双电源电压为 1V 18V 3 对比较信号源的内阻限制较宽 4 共模范围很大 为 0 1 5V 15 5 差动输入电压范围较大 大到可以等于电源电压 6 输出端电位可灵活方便地选用 6 5 4 3 2 1 10 VCCGND 1 2 4 3 14 13 12 11 9 8 7 图 3 9 LM339 引脚图 3 2 3 编程逻辑器件 芯片 GAL16V8 可编程逻辑器件 PLD 由于兼有灵活性好 速度快的优势 深受数字系统 开发者的欢迎 与之相应的 EDA 技术近些年来得到了飞速的发展 GAL 器件 是早期 PLD 的典型代表 其外形结构图如图 3 10 1 GAL16V8 的特点 GAL16V8 是以 DIP 20 封装的器件 根据其结构特点可以归纳出其使用要点 如下 1 GAL16V8 最多有 16 个输入端 即前 8 个输入缓冲器对应的引脚 2 9 引脚 1 11 以及 8 个输出缓冲器中的 6 个对应的引脚 12 14 17 19 可作为输入 端 引脚 15 16 不能作为输入端 2 GAL16V8 最多有 8 个输出端 引脚 12 19 每个输出端都可以是带触发 器的输出 16 16 15 14 13 12 GAL16V8 10 GND CLK VCCOE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 20 19 18 17 图 3 10 GAL16V8 引脚图 2 PLD 文件语法 PLD 文件按顺序使用 5 个关键字 1 Pld 它必须起始于第一行第一列 以 pld 为前导 随后紧接器件型号 16V8 在 pld 与 16V8 间不留空格 其下数行为用户的说明或其他信息 如设计 日期 设计姓名 功能等 2 Signature 它仅用于 GAL 在 signature 下面的字符 不超过 7 个 将 写入 GAL 作为该芯片的设计信息 如设计日期 型号等 只要芯片不改写 即 便芯片已加密 这一信息仍可读出 因此叫电签名 3 Pindef 在此关键字后开始依次定义 GAL16V8 芯片全部 20 条引脚的标 号 引脚标号前不可加非号 各引脚标号后可加注释 但注释前必须加一个分 号 逻辑关系式中不用的引脚用 NC 作为标号 4 Equation 在此关键字后开始列写引脚间的逻辑关系式 列写时必须注意 如下几点 a 有效逻辑运算符为 和 三种 表示逻辑与 表示逻辑或 表示逻辑非 逻辑式内不能有括号 17 b 等式左边必须是器件的输出端 输入端的标号不允许出现在等式左边 c 等式左边的输出量取非值时 在有关的输出端标号加 表示它的逻辑 非 说明该输出端是低有效 即 逻辑式右边为 1 时 输出端为低电平 d 输出端构型为 O 或 R 时 等号允许有 8 个与项 输出端构型为 E 或 F 时 等号右边只允许有 7 个与项 另一与项专用作三态门控制 e 三态输出控制需要单列逻辑式编程 OE 控制 用如下格式 Output OE Expresion 其中 Output 为有关输出端的标号 等号右边的表达式 Expresion 中只能含一个与项 不允许有或项 f 当要求输出端带有触发器时 等号左端要加冒号 即 g 每一逻辑式后需加分号 分号后可写入少量说明文字 h 数字 1 与 0 也可作为与项 与项为 1 时 与阵列中有关熔点 全部断开 输出恒为高电平 如果要输出三态门保持打开时 便可令其 OE 控制 项等于 1 与项为 0 时 与阵列中有关熔点全部保持原状 可用它调整被编 程的与项位置 i 列写逻辑方程时 每行字符长度不宜超过 80 超过 80 的方程可以分行列 写 在 或 号前分行均可 5 End 此关键字表示逻辑列式终止 PLD 文件到此结束 18 第 4 章 程序设计 4 1 GAL16V8 的变向与细分程序的设计 4 1 1 程序设计 根据本设计的特点和 GAL16V8 的设计方法可知 在对该芯片编程时只需要 设置逻辑上的两个输入信号引脚 I1 I2 为两个输入接口分别对应信号 Ub Ua 和 两个输出信号引脚为 F1 F0 对应信号 P 和 P 其程序设计如下 GAL16V8 4DOUBLE FREQUENCY APRIL 7 2010 CLK I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 GND pin name NC F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 VCC EQUATIONS F6 F7 F7 I1 F4 F5 F5 I2 F3 I3 F1 OE VCC F1 F7 F6 F5 F4 F7 F5 F6 F4 F7 F6 F5 F4 F7 F5 F6 F4 F0 OE VCC F0 F7 F6 F5 F4 F7 F5 F6 F4 F7 F6 F5 F4 F7 F5 F6 F4 F2 OE VCC F2 F3 DESCRIPTION 19 4 2 该系统的位移计量及显示程序设计 4 2 1 程序流程图的设计 结合本设计的特点首先设计的是主程序流程图 其设计流程如图 4 1 所示 单片机初始化 扫描键盘 判断是否 按 下 是 程序开始 计数开始 调用显示子程序 返回重复执行 调用键盘子程序 返回主程序 否 图 4 1 主程序流程图 20 开始 判断是否由抖 动引起 计 数 开 始 计 数 暂 停 计 数 清 零 关 闭 显 示 否 是 返回主程序 调用延时程序 DL10 消除 软件抖动 程序返回 图 4 2 键盘扫描子程序流程图 在完成主程序流程图设计之后进行的是键盘扫描的流程设计 在该设计之中 主要有计数开始 暂停 清零 关闭显示四个键盘程序 设计流程如图 4 2 所示 21 开 始 把计数器的内容转化为字形码 存入显示缓冲区 35H 30H R0 指向开始检测的地址 R5 指向最左边三极管 R0 指向字 形码的起始地址 即把 35H 30H 的内容从最左边开始显示出 取出一行字形码 取出一行字形码 令显示熄灭消除残影 R0 指向下一字形码 R5 指向下一显示器 显示完否 返回主程序 否 是 图 4 3 显示子程序流程图 在显示子程序流程图的设计中主要采用共阴极七段数码管动态显示的方法来 显示所需内容 其设计流程如图 4 3 所示 22 4 3 位移计量显示程序的调试 该程序的调试主要依靠软件 Medwin 来实现 Medwin 是集编辑 编译汇编 在线及模拟调试为一体用来开发 80C51 系列单片机的工具 在该程序调试过程中 采用向储存计数结果的寄存器 R6 R3 R2 中赋予十 六进制数 4DFE2H 通过查看程序对该数的处理过程来判断程序是否正确 1 观察程序在执行完后是否把 4DFE2H 转化成十进制数存在 R1 R4 R5 中 首先我们可得知该数的十进制数为 319458 程序仿真调试结果如图 5 1 图 5 1 转化为十进制数程序仿真调试 从上图我们可以看出 R1 R4 R5 中分别储存着 31 94 58 说明该段程序 正确 2 观察程序能否把 319458 每位数转换成与共阴极七段数码管对应的字形码 并分别在 35H 30H 中对应的储存字形码 B0H F9H 90H 99H 92H 80H 程 序仿真调试结果如图 5 2 23 图 5 2 字形码转换程序仿真调试 从上图我们可以看出 35H 30H 中分别储存着 B0H F9H 90H 99H 92H 80H 说明该段程序正确 3 观察程序能否把储存在 35H 30H 中的字形码 B0H F9H 90H 99H 92H 80H 分别送至 P2 口显示出来 程序仿真调试结 果如图 5 3 1 2 3 4 5 6 图 5 3 字形码送至 P2 口程序仿真调试 从上图中我们可以看到 P2 口从 1 至 6 依次变化的动态过程 这说明程序是 24 正确的 25 结 论 本文主要做了双光栅干涉轮廓测量传感器信号处理电路的设计 由四象限光 电探测器对双光栅干涉信号探测 得到两路信号 然后由信号处理电路针对这两 路电路信号做出进一步处理 得到运动位移测量结果 并通过单片机控制 LED 显示出来 主要包括 前置放大电路 差分放大电路 整形电路 四细分辨向电 路 单片机处理电路以及数显电路等模块 但设计的不足之处是仅提出双光栅干涉轮廓测量原理 构建了简单的装置以 及信号处理电路板的设计 要将其真正实现产品化以推向实际应用 还有诸多工 作需要进一步改进 1 信号处理电路进一步完善 提高运算精度 转换速度 以便能适应更快 的移动速度 2 系统上进一步集成 使结构更加紧凑 最终完成系统的产品设计 以推 广应用 3 由于光栅传感器具有精度高 易于实现测量自动化和数字化等特点 在 光栅传感器的设计和调试中 应不断引入新技术 使其更加完善 以满足在精密 测量领域内对光栅传感器输出信号的质量愈加严格的要求 26 谢 辞 本设计是在王淑珍老师的亲切关怀和悉心指导下完成的 老师严谨认真的工 作态度 一丝不苟的工作作风 严谨的治学态度 和诲人不倦的敬业精神 都使 作为学生的我受益匪浅 在论文的选题 课题设计及论文撰写 修改的全过程中无不倾注着老师的心 血 在此 谨向尊敬的王老师致以崇高的敬意和深深的谢意 感谢我的同学任忠杰及同寝室的室友们给予的帮助和指导 向所有在成长道路上关心我 帮助我的老师和朋友们表示真诚的感谢 他们 的热情和爱心将永远珍藏在我的心中 27 参考文献 1 王淑珍 谢铁邦等 四象限光电探测器用于表面形貌测量的研究 武汉 中国机械工程 2008 年 10 月 第 19 卷第 19 期 2348 2350 2 张善钟 计量光栅技术 北京 机械工业出版社 1985 12 50 185 3 戴蓉 基于垂直扫描工作台的白光干涉表面形貌测量系统研究 博士学位 论文 华中科技大学 武汉 2007 22 34 4 刘阳阳 小型光栅位移传感器设计 硕士学位论文 长春 长春理工大学 2002 6 54 5 孙艳玲 基于垂直位移扫描的表面轮廓 硕士学位论文 武汉 华中科技大 学 2006 26 43 6 王选择 正交衍射光栅计量原理及在超精密工作台 博士学位论文 武汉 华中科技大学 2004 9 50 7 杨文萃 孔伟 单片机计数电路的应用 中国西部科技 2008 年 9 月 第 07 卷第 27 期 38 39 8 廖艳春 表面形貌测量中计量型工作台及参数评定研究 硕士学位论文 武 汉 华中科技大学 2006 12 20 9 陈晓辉 一种双光栅干涉位移传感器的研究 硕士学位论文 武汉 华中科 技大学 2007 9 38 10 杨旭东 大量程轮廓综合测量系统研究 博士学位论文 武汉 华中科技大 学 2007 50 63 11 曲伟 双光栅干涉仪数字式位移传感器的研究 传感器技术 2004 年第 23 卷第 10 期 22 23 12 王淑珍 一种基于相位光栅干涉微位移传感器的研制 仪表技术与传感器 2009 年第 10 期 13 王建平 靳保全 电工电子技术 北京 高等教育出版社 2008 20 104 14 张刚毅 彭喜元编著 单片机原理及接口技术 北京 人民邮电出版社 2009 9 193 15 蔡朝洋 单片机控制实习与专题制作 北京 北京航空航天大学出版社 2006 275 303 28 附 录 单片机计数及显示程序 ORG 0000H LOOP ACALL KEY1 扫描键盘 ACALL MAIN 计数开始 ACALL LOOP3 转换成字形码 并存入显示缓存区 35H 30H ACALL KILL0 去除无效 0 ACALL SCAN1 把显示缓存区内容显示出来 AJMP LOOP 重复执行程序 KEY1 MOV A 00H 扫描键盘子程序 MOV P1 A JNB P1 6 MAIN JNB P1 4 STOP JNB P1 2 CLEAR JNB P1 0 SHUT STOP ACALL DL10 调用延时子程序 延迟 10ms 消除软件抖动 JNB P1 4 STOP1 不是软件抖动 则调至 stop1 STOP1 CLR EA 停止计数 CLR TR0 CLR TR1 CLEAR ACALL DL10 JNB P1 2 CLEAR1 CLEAR1 CLR EA 清除计数 PUSH TCON CLR TR0 CLR TR1 SHUT ACALL DL10 关闭显示 JNB P1 0 SHUT1 SHUT1 MOV P2 11111111B 29 DL10 MOV R7 0AH 延迟 10ms DL MOV R6 0FFH DL6 DJNZ R6 DL6 DJNZ R7 DL RET MAIN CLR EA CLR TR0 CLR TR1 MOV TMOD 55H MOV TH0 0 MOV TL0 0 MOV TH1 0 MO