四细分光栅数显表设计沉阳工业大学

1、第一设计专题第一设计专题 四细分光栅数显表设计四细分光栅数显表设计1.1 1.1 光栅传感器的输出信号及四细分原理光栅传感器的输出信号及四细分原理 1.2 1.2 三种细分电路三种细分电路1.3 1.3 技术要求和实现方法技术要求和实现方法1.4 1.4 单坐标仪器系统框图单坐标仪器系统框图1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219 MAX7219 1.6 1.6 非易失存储器非易失存储器X24C45 X24C45 1.7 1.7 复位芯片复位芯片IMP810 IMP810 1.8 1.8 显示器设计显示器设计 1.9 1.9 键盘设计键盘设计1.10 1.

2、10 单片机管脚分配单片机管脚分配1.11 1.11 电源设计电源设计1.12 1.12 部分程序部分程序返回返回1.1 1.1 光栅传感器的输出信号及四细分原理光栅传感器的输出信号及四细分原理-1-1光栅传感器的结构光栅传感器的结构主光栅主光栅指示光栅指示光栅摩尔条纹摩尔条纹刻线密度刻线密度光栅传感器的输出信号波形：光栅传感器的输出信号波形：方波或正弦波方波或正弦波1.1 1.1 光栅传感器的输出信号及四细分原理光栅传感器的输出信号及四细分原理-2-2四细分原理四细分原理更多细分更多细分返回返回1.2 1.2 三种细分电路三种细分电路-1-1反相和微分电路反相和微分电路为什么要用为什么要用7

3、4LS1474LS14微分电阻的选择微分电阻的选择微分电容的选择微分电容的选择1.2 1.2 三种细分电路三种细分电路-2-2与或门电路与或门电路需要八个两输入与门，两个四输入或门。两片集成电路。需要八个两输入与门，两个四输入或门。两片集成电路。1.2 1.2 三种细分电路三种细分电路-3-374HC15374HC153需要一片集成电路。需要一片集成电路。专用集成电路专用集成电路需要一片集成电路。需要一片集成电路。返回返回1.3 1.3 技术要求和实现方法技术要求和实现方法-1-1分辨力与显示位数分辨力与显示位数对于对于5050刻线刻线/mm/mm的光栅尺，分辨力是的光栅尺，分辨力是0.05m

4、m0.05mm，最大显示范围定为，最大显示范围定为2m2m，显，显示器需要示器需要7 7位或位或8 8位。位。最大显示为最大显示为1999.9951999.995，最小显示为，最小显示为-1999.995-1999.995，对于，对于7 7位显示，其中位显示，其中-1-1在一个数码管上显示，对于在一个数码管上显示，对于8 8位显示，位显示，-1-1分别在两个数码管上显示。分别在两个数码管上显示。显示元件的选择显示元件的选择荧光显示器：光谱与阳光光谱差别较大，在明处和暗处均衡清楚。费荧光显示器：光谱与阳光光谱差别较大，在明处和暗处均衡清楚。费电，驱动电路复杂，电真空器件，属玻璃制品，易碎。获得困

5、难。电，驱动电路复杂，电真空器件，属玻璃制品，易碎。获得困难。液晶显示器：分为有背光才能亮和无背光也能亮两种。前者如兰屏液液晶显示器：分为有背光才能亮和无背光也能亮两种。前者如兰屏液晶和彩色液晶，强光下不清楚，后者如计算器的液晶，黄底黑字，不怕阳晶和彩色液晶，强光下不清楚，后者如计算器的液晶，黄底黑字，不怕阳光。液晶省电，驱动也复杂。适合汉字显示。获得容易。光。液晶省电，驱动也复杂。适合汉字显示。获得容易。LEDLED发光二极管显示器：分为红色和绿色两种，红色的还有一般亮度，发光二极管显示器：分为红色和绿色两种，红色的还有一般亮度，高亮度和超高亮度三种，建议采用超高亮度红色。高亮度和超高亮度三

6、种，建议采用超高亮度红色。LEDLED的特点是驱动简单，的特点是驱动简单，但其光谱特性导致在阳光下看不清楚。有各种尺寸的器件，获得容易。但其光谱特性导致在阳光下看不清楚。有各种尺寸的器件，获得容易。OLEDOLED场致有机发光二极管：各种颜色，清晰明亮，驱动复杂，面积较场致有机发光二极管：各种颜色，清晰明亮，驱动复杂，面积较小，适合汉字显示，获得困难。小，适合汉字显示，获得困难。1.3 1.3 技术要求和实现方法技术要求和实现方法-2-2计算原理计算原理每隔一定时间读取正向计数器和反向计数器的技术值每隔一定时间读取正向计数器和反向计数器的技术值P1P1和和N1N1，如果上，如果上一次读取的值分

7、别是一次读取的值分别是P0P0和和N0N0，则相邻两次采样期间光栅尺易懂的计数值，则相邻两次采样期间光栅尺易懂的计数值dxdx是是dx=(P1-P0)-(N1-N0)dx=(P1-P0)-(N1-N0)如果原来的坐标计数值是如果原来的坐标计数值是X0X0，则新的坐标计数值，则新的坐标计数值X1X1是是X1=X0+dxX1=X0+dx计算中，计算中，P0,P1,N0P0,P1,N0和和N1N1均为无符号整型数，均为无符号整型数，X0X0和和X1X1是有符号长整型数。是有符号长整型数。如果如果P1=100P1=100，P0=30P0=30，P1-P0=100-30=70P1-P0=100-30=7

8、0。如果如果P1=100P1=100，P0=65530P0=65530，P1-P0=100-65530=65536+100-65530=106P1-P0=100-65530=65536+100-65530=106。在模运算的方式下，显然计数器的溢出对计算没有影响。在模运算的方式下，显然计数器的溢出对计算没有影响。计数器有限位数对计算的影响计数器有限位数对计算的影响由于单片机的计数器的位数是由于单片机的计数器的位数是1616位，如果相邻两次采样读取计数值的位，如果相邻两次采样读取计数值的间隔时间过长，相邻两次采样间隔时间内的实际计数值超过间隔时间过长，相邻两次采样间隔时间内的实际计数值超过655

9、3665536，就会丢，就会丢失数据。因此光栅尺的最高位移速度和采样间隔之间有约束关系。失数据。因此光栅尺的最高位移速度和采样间隔之间有约束关系。1.3 1.3 技术要求和实现方法技术要求和实现方法-3-3最高跟踪速度最高跟踪速度如果光栅尺每秒钟最高的位移速度是如果光栅尺每秒钟最高的位移速度是SpmaxSpmax，光栅尺每毫米的刻线数是，光栅尺每毫米的刻线数是5050，采用四细分，则采样间隔时间（秒），采用四细分，则采样间隔时间（秒）INTmaxINTmax应满足应满足INTmaxINTmax* *SpmaxSpmax* *5050* *465536465536绝对坐标绝对坐标如果光栅测量系统

10、在应用中有一个绝对的坐标体系，在停电后重新通如果光栅测量系统在应用中有一个绝对的坐标体系，在停电后重新通电后，绝对坐标体系可以恢复，这样的光栅测量系统就不怕停电了。实现电后，绝对坐标体系可以恢复，这样的光栅测量系统就不怕停电了。实现的方法是在指示光栅上刻有伪随机的一组刻线，同时在主光栅尺上每隔一的方法是在指示光栅上刻有伪随机的一组刻线，同时在主光栅尺上每隔一定距离（例如每隔定距离（例如每隔100mm100mm）也刻上同样的伪随机刻线，当指示光栅上的刻线）也刻上同样的伪随机刻线，当指示光栅上的刻线与主光栅上的刻线完全对上时，光线可以透过两个光栅，在其他任何情况与主光栅上的刻线完全对上时，光线可以

11、透过两个光栅，在其他任何情况下都透不过去，主光栅上那一组刻线起作用，可用一个作用范围在下都透不过去，主光栅上那一组刻线起作用，可用一个作用范围在2mm2mm左右左右的位置开关来确定。这样每次重新通电后，光栅在这个绝对坐标原点处通的位置开关来确定。这样每次重新通电后，光栅在这个绝对坐标原点处通过一下，先是较大范围的位置开关信号有了，然后出现位置精度在刻线分过一下，先是较大范围的位置开关信号有了，然后出现位置精度在刻线分辨力程度上的绝对原点信号，两个信号共同作用将光栅数显表的绝对坐标辨力程度上的绝对原点信号，两个信号共同作用将光栅数显表的绝对坐标清零，建立起精确的绝对坐标。清零，建立起精确的绝对坐

12、标。1.3 1.3 技术要求和实现方法技术要求和实现方法-4-4相对坐标相对坐标如果相对坐标原点对应的绝对坐标值是如果相对坐标原点对应的绝对坐标值是abs0abs0，当前的绝对坐标值是，当前的绝对坐标值是absabs，对于当前的相对坐标值对于当前的相对坐标值incinc，有，有 inc=abs-abs0inc=abs-abs0绝对原点清零绝对原点清零在应用中，可能要在任何位置下对相对坐标清零，因此光栅数显表通在应用中，可能要在任何位置下对相对坐标清零，因此光栅数显表通常具有清零键常具有清零键置数置数在应用中，可能要在任何位置下将相对坐标设定为某一个树值，因此在应用中，可能要在任何位置下将相对坐

13、标设定为某一个树值，因此光栅数显表通常具有数码键，正负号键和置数键。光栅数显表通常具有数码键，正负号键和置数键。公英制变换公英制变换一般光栅尺按公制刻线，仪表内的绝对坐标和相对坐标按公制计算，一般光栅尺按公制刻线，仪表内的绝对坐标和相对坐标按公制计算，如果要显示对应的英制数值，按下式计算：如果要显示对应的英制数值，按下式计算：y=x/25.4y=x/25.4其中其中inin为单位为英寸的英制数值，为单位为英寸的英制数值，mmmm为毫米的公制数值为毫米的公制数值, ,如果英制的单如果英制的单位为位为0.0001in0.0001in，公制的单位为，公制的单位为0.001mm0.001mm，上述表达

14、式变为，上述表达式变为 y=x/2.54=100 x/254y=x/2.54=100 x/2541.3 1.3 技术要求和实现方法技术要求和实现方法-5-5对应的对应的C C语言计算表达式应为语言计算表达式应为y=100y=100* *x/254x/254上述表达式中计算的变量和全部为长整形，计算速度快，无累积上述表达式中计算的变量和全部为长整形，计算速度快，无累积误差。误差。断电保护断电保护显示显示键盘键盘供电供电返回返回1.4 1.4 单坐标仪器系统框图单坐标仪器系统框图返回1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-1MAX7219-1MAX7219M

15、AX7219特点：特点：10MHz Serial Interface10MHz Serial InterfaceIndividual LED Segment ControlIndividual LED Segment ControlDecode/No-Decode Digit SelectionDecode/No-Decode Digit Selection150150A Low-Power Shutdown (Data Retained)A Low-Power Shutdown (Data Retained)Digital and Analog Brightness ControlDigit

16、al and Analog Brightness ControlDisplay Blanked on Power-UpDisplay Blanked on Power-UpDrive Common-Cathode LED DisplayDrive Common-Cathode LED DisplaySlew-Rate Limited Segment Drivers for Lower EMI (MAX7221)Slew-Rate Limited Segment Drivers for Lower EMI (MAX7221)SPI, QSPI, Microwire Serial Interfac

17、e (MAX7221)SPI, QSPI, Microwire Serial Interface (MAX7221)24-Pin DIP and SO Packages24-Pin DIP and SO Packages1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-2MAX7219-2封装和应用电路封装和应用电路1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-3MAX7219-3关键电参数关键电参数1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-4MAX7219-41.5 LED1.5 LED数码

18、管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-5MAX7219-5串行数据格式串行数据格式1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-6MAX7219-6寄存器功能寄存器功能1.5 LED1.5 LED数码管显示驱动芯片数码管显示驱动芯片MAX7219-7MAX7219-7级联级联返回返回1.6 1.6 非易失存储器非易失存储器X24C45-1 X24C45-1 X24C45X24C451.6 非易失存储器X24C45-21.6 非易失存储器X24C45-31.6 非易失存储器X24C45-4返回返回1.7 1.7 复位芯片复位芯片IMP810-1 IMP

19、810-1 IMP810IMP8101.7 复位芯片IMP810-2返回返回1.8 1.8 显示器设计显示器设计-1-1亮度与颜色问题亮度与颜色问题要求在散射阳光下可以看清要求在散射阳光下可以看清, ,具有宽广的视角。具有宽广的视角。红光的红光的LEDLED器件在同样的工作电流下可获得更高的亮度。器件在同样的工作电流下可获得更高的亮度。最理想的是荧光显示器。最理想的是荧光显示器。尺寸问题尺寸问题最小也要最小也要0.50.5吋，可在吋，可在0.50.51.01.0吋间选择。吋间选择。静态显示静态显示可以采用串行移位寄存器构成的静态显示方案，成本低，占用可以采用串行移位寄存器构成的静态显示方案，成

20、本低，占用CPUCPU时间少，但时间少，但如果传输速度低会有漏光现象，另外版图上要有很多限流电阻，如果传输速度低会有漏光现象，另外版图上要有很多限流电阻，PCBPCB面积大。不过面积大。不过由于光栅数显表现显示器通常较大，由于光栅数显表现显示器通常较大，LEDLED中有很多空隙，布局并不困难。中有很多空隙，布局并不困难。动态显示动态显示可以采用动态显示，成本低，节省可以采用动态显示，成本低，节省PCBPCB面积。如果是专用控制器控制动态扫描，面积。如果是专用控制器控制动态扫描，CPUCPU占用时间少，如果是占用时间少，如果是CPUCPU控制，控制，CPUCPU占用时间多。不过在光栅数显表中占用

21、时间多。不过在光栅数显表中CPUCPU的工作的工作任务不多，问题也不大。任务不多，问题也不大。并行静态方案并行静态方案用并行输入输出的寄存器通过数据总线和译码信号锁存数据，由于在成本，用并行输入输出的寄存器通过数据总线和译码信号锁存数据，由于在成本，PCBPCB布局等方面均无可取之处，一般不采用。布局等方面均无可取之处，一般不采用。1.8 1.8 显示器设计显示器设计-2-2串行静态方案串行静态方案用用74HC16474HC164表贴芯片表贴芯片用电阻限制电流用电阻限制电流用供电电压限制电流。用供电电压限制电流。1.8 1.8 显示器设计显示器设计-3-3串行静态方案串行静态方案用用74HC1

22、6474HC164表贴芯片表贴芯片, ,用电阻限制电流或用供电电压限制电流。用电阻限制电流或用供电电压限制电流。1.8 1.8 显示器设计显示器设计-4-474LS16474LS164电特性电特性1.8 1.8 显示器设计显示器设计-5-5采用功率锁存器驱动的采用功率锁存器驱动的CPUCPU管理的动态方案管理的动态方案TCIP6B273TCIP6B273管脚管脚图图1.8 1.8 显示器设计显示器设计-6-6TCIP6B273TCIP6B273逻辑图逻辑图1.8 1.8 显示器设计显示器设计-7-7返回返回1.9 1.9 键盘设计键盘设计直接直接矩阵矩阵按键元件选择及安装工艺按键元件选择及安装

23、工艺返回返回1.10 521.10 52单片机管脚分配计算单片机管脚分配计算24C4524C45用用4 4个个键盘用个键盘用个计数用个计数用个对于对于CPUCPU管理的动态方案，总线用管理的动态方案，总线用8 8个，锁存个，锁存2 2个。个。绝对原点清零信号用个。绝对原点清零信号用个。键盘蜂鸣器用个。键盘蜂鸣器用个。返回返回1.11 1.11 电源设计电源设计-1-1总功耗计算总功耗计算为了获得较大的程序存储器容量，采用为了获得较大的程序存储器容量，采用P89C58P89C58。为了获得较高的计数率采用。为了获得较高的计数率采用18.432MHz18.432MHz的晶振。根据的晶振。根据P89

24、C58P89C58的手册，全速功耗在留有余地的情况下为的手册，全速功耗在留有余地的情况下为40mA40mA。24C4524C45为为10mA10mA。动态显示器段电流取动态显示器段电流取40mA40mA，限流电阻为，限流电阻为(5-0.5-1.6)/0.0475(5-0.5-1.6)/0.0475全不亮的电流为全不亮的电流为8 8(5-0.5)/75480(5-0.5)/75480蜂鸣器电流实测为蜂鸣器电流实测为25mA25mA。不算光栅尺，总电流不算光栅尺，总电流600mA600mA足够。足够。 光栅供电电压通常为光栅供电电压通常为12V12V。模拟电源方案模拟电源方案制作一个电源变压器，原

25、边制作一个电源变压器，原边220220绕组，原次边间加屏蔽，次边一个绕组的电压绕组，原次边间加屏蔽，次边一个绕组的电压整流滤波稳压为整流滤波稳压为12V12V，给光栅尺供电，电流估计，给光栅尺供电，电流估计100mA100mA左右差不多。次边另一个绕组左右差不多。次边另一个绕组的电压整流滤波稳压为的电压整流滤波稳压为5V5V，给单片机系统供电。由于单片机部分电流较大，模拟电，给单片机系统供电。由于单片机部分电流较大，模拟电源的源的5V5V稳压器发热明显，需加散热器。电源效率很低。稳压器发热明显，需加散热器。电源效率很低。模拟开关混合电源方案模拟开关混合电源方案制作一个电源变压器，原边制作一个电源变压器，原边220220绕组，原次边间加屏蔽，次边只有一个绕组的绕组，原次边间加屏蔽，次边只有一个绕组的电压整流滤波开关稳压为电压整流滤波开关稳压为12V12V，给光栅尺供电。再开关稳压为，给光栅尺供电。再开关稳压为5V5V，给单片机系统供，给单片机系统供电。由于采用开关稳压器，电源效率较高。电。由于采用开关稳压器，电源效率较高。1.11 1.11 电源设计电源设计-2-2开关电源方案开关电源方案采用采用TopSwitchTopSwitch芯片制作一个两路输出的开关电源，电源效率最高。由芯片制作一个两路输出的开关电源，电源效率最高。由