基于DSP的光柵信號處理實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建

黃 勇

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

光柵測距是以光柵傳感器輸出的莫爾條紋信號為基礎(chǔ)，光柵信號處理系統(tǒng)將輸出的信號通過細(xì)分、辨向和計(jì)數(shù)處理，從而將位移量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，通過數(shù)顯裝置或PC機(jī)，可以將測試結(jié)果顯示出來或?qū)崿F(xiàn)自動測量.因此，在整個(gè)光柵測距系統(tǒng)中，對于光柵信號的處理是整個(gè)測試系統(tǒng)的關(guān)鍵.對于光柵信號的處理，傳統(tǒng)的方法是采用單片機(jī)來處理，存在的主要問題是只能處理輸入信號頻率較低的信號，也就意味著在處理高頻率小位移的光柵信號時(shí)響應(yīng)不夠快，不能正確的進(jìn)行測量.針對上述問題，本文提出了構(gòu)建一種基于DSP處理器的光柵信號處理實(shí)驗(yàn)平臺，采用TI公司5000系列DSP處理器TMS320VC5402來實(shí)現(xiàn)對光柵信號的采集、濾波、細(xì)分、辨向和頻譜分析，該實(shí)驗(yàn)平臺具有多通道、智能化程度高的特點(diǎn).

1 光柵傳感器位移測量基本原理

圖1 光柵傳感器輸出信號

本實(shí)驗(yàn)平臺中采用的光柵傳感器輸出兩路正交信號，其中一路為正弦信號，另外一路為余弦信號，圖1給出了相差90°的兩路信號，其中u1(x)與u2(x)可以表示為：

圖2 光柵傳感器位移測量模型

式中:u1(x)代表光柵傳感器輸出的一路信號，U0代表信號中的直流分量，Um代表信號的幅度，x代表光柵中指示光柵與標(biāo)尺光柵的發(fā)生的相對位移，w代表光柵的柵距.

光柵測量系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)光柵輸出信號變化一個(gè)周期時(shí)，則發(fā)生的位移量為一個(gè)柵距w.通過計(jì)算輸出光柵信號的周期數(shù)，即可以測算出實(shí)際的位移量，從而實(shí)現(xiàn)測距[1].一般情況下，如果僅僅通過計(jì)算輸出信號的周期數(shù)來進(jìn)行位移測量，則系統(tǒng)的分辨率僅為光柵柵距w，如采用100線/mm的光柵，其分辨率也只有10 μm.因此，為了得到比光柵柵距更小的位移量，必須對光柵輸出信號進(jìn)行細(xì)分，具體辦法就是在一個(gè)信號周期給出N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，這樣系統(tǒng)的分辨率就提高了N倍.光柵位移測量模型如圖2所示.

光柵每移動?xùn)啪鄔，則計(jì)數(shù)值為N，當(dāng)實(shí)際計(jì)數(shù)值為k，則位移量x為：x=wk/N.

2 光柵信號的譜分析

由前述的光柵傳感器輸出的信號為周期信號，輸出信號u(x)可以展開成傅里葉級數(shù)為：

對光柵傳感器輸出的信號采用傅里葉分析法進(jìn)行頻譜分析，可以了解信號在整個(gè)時(shí)域內(nèi)的情況，據(jù)此可以判斷出光柵傳感器的測頭是否受到撞擊、摩擦等異常情況，從而為數(shù)據(jù)的分析提供直接依據(jù)[2-3].利用示波器對光柵傳感器輸出的信號進(jìn)行頻譜分析，圖3為正常情況下光柵傳感器輸出信號的頻譜，圖4為異常情況下光柵傳感器輸出信號的頻譜.

通過圖3、4可以得出，在光柵傳感器位移測量系統(tǒng)中分析信號的頻譜是有必要的，在本文所構(gòu)建的光柵信號處理實(shí)驗(yàn)平臺中，利用TMS320VC5402來實(shí)現(xiàn)該功能.

圖3 正常情況下光柵傳感器輸出信號的頻譜 圖4 異常情況下光柵傳感器輸出信號的頻譜

3 實(shí)驗(yàn)平臺硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由TI公司的16位定點(diǎn)DSP處理器TMS320VC5402、A/D轉(zhuǎn)換器MAX115、TI公司的異步通信芯片及其它的外圍電路構(gòu)成，其中TMS320VC5402是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的核心部分.實(shí)驗(yàn)平臺工作過程為：當(dāng)DSP處理器上電后，完成自身的初始化，然后對A/D轉(zhuǎn)換器MAX115進(jìn)行設(shè)定.當(dāng)DSP檢測到光柵傳感器輸出的零位觸發(fā)信號后，對計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)，DSP啟動MAX115對光柵傳感器輸出的兩路信號進(jìn)行快速同步采集，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DSP讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并進(jìn)行細(xì)分、辨向、計(jì)數(shù)處理，測量的結(jié)果通過TL16C750芯片、并經(jīng)過MAX232傳送的PC機(jī)顯示[4].

3.1 TMS320VC5402芯片簡介

TMS320VC5402芯片是TI公司推出的高性能、低功耗的16位定點(diǎn)DSP處理器，工作電源3.3 V，內(nèi)核電源1.8 V，操作速度達(dá)到100 MIPS，具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)(1條程序總線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線)，具有17bit*17bit的并行乘法器與40位專用加法器，帶有4K*16bit的ROM和16K*16bit的DARAM.其片內(nèi)外設(shè)主要包括：內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)(PLL)時(shí)鐘發(fā)生器、2個(gè)多通道緩沖串行口、1個(gè)8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個(gè)16位定時(shí)器以及6通道DMA控制器[5-6].芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)框圖 圖6 TMS320VC5402內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖7 電源電路

圖8 A/D轉(zhuǎn)換電路

3.2 電源電路

本文所構(gòu)建的光柵信號處理平臺需要考慮所有芯片的供電情況，設(shè)計(jì)時(shí)主要從系統(tǒng)電壓要求、電流要求和上電次序等三個(gè)方面考慮.對于TMS320VC5402而言，其GPIO引腳為3.3 V，CPU內(nèi)核電壓是1.8 V，結(jié)合到本系統(tǒng)其它芯片的供電情況，電源電路要求提供三種電壓：5、3.3和1.8 V.因此電源電路設(shè)計(jì)需要采用電壓轉(zhuǎn)換芯片，將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3和1.8 V，以供TMS320VC5402芯片使用.基于上述要求，本設(shè)計(jì)中選用電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301[7]，將5 V變?yōu)?.3 V和1.8 V，電路圖如圖7所示.

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了提高精度、降低整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的成本，對于光柵信號采集中的A/D芯片選用的是MAX115[8]，具有電路連接簡單、接口方便的特點(diǎn)，該芯片在使用雙通道情況下采樣速率為218ksps，可以較好的滿足設(shè)計(jì)要求.A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖8所示.

3.4 異步通信電路

TMS320VC5402沒有專門的UART(通用異步接收/發(fā)送裝置)接口，只有2個(gè)McBSP(多通道緩沖串口)，要實(shí)現(xiàn)異步串行通信，大多數(shù)情況下都是用軟件對TMS320VC5402的McBSP口編程來模擬的，這種方法軟件編程相對復(fù)雜，且占用很大系統(tǒng)資源.

在本設(shè)計(jì)中，采用TI公司生產(chǎn)的異步通信芯片TL16C750[9]來實(shí)現(xiàn)TMS320VC5402與PC機(jī)的連接通信，然后通過MAX232完成電平轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到PC機(jī)以實(shí)現(xiàn)DSP與PC的異步通信，該方法避免了用McBSP來模擬串口的缺點(diǎn).DSP與PC通過TL16C750和MAX232進(jìn)行串口通信的電路圖如圖9所示

圖9 串口通信電路

圖13 串口通信流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

光柵信號處理實(shí)驗(yàn)平臺軟件主要包括主程序、細(xì)分辨向子程序、頻譜分析子程序、串口通信程序等4個(gè)部分.

主程序流程圖如圖10所示，主要完成對各個(gè)硬件模塊的初始化，相關(guān)子程序的調(diào)用；細(xì)分辨向子程序流程圖如圖11所示，主要是通過A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果來分析和判斷當(dāng)前值處于哪個(gè)區(qū)間位置，以及指示光柵運(yùn)動的方向；頻譜分析子程序流程圖如圖12所示，主要是對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，檢測光柵傳感器輸出信號是否有異常；串口通信子程序流程圖如圖13所示，主要是設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)格式，向PC機(jī)發(fā)送測試數(shù)據(jù).

圖10 主程序流程圖 圖11 細(xì)分辨向子程序流程圖 圖12 頻譜分析子程序流程圖

5 結(jié)語

采用DSP處理器的光柵信號處理實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了對光柵信號的細(xì)分、辨向、頻譜分析等復(fù)雜處理，克服了傳統(tǒng)處理方法中存在的精度不高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，該平臺適合處理光柵輸出信號頻率較高的情況.經(jīng)過測試，實(shí)驗(yàn)平臺的分辨率為0.1 μm、系統(tǒng)精度±1 μm，應(yīng)用范圍較廣.

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