光柵數(shù)顯裝置的優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

李 昆，王瑞濤，何學軍

（1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 北京 100095；2.山東省黃河計量研究院 山東 濟南 250100）

在常見的幾何量測量設(shè)備中,常用光柵尺作為長度、位移或角度的檢測裝置。近些年隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，以及光柵刻制技術(shù)和光柵莫爾條紋細分技術(shù)的不斷改進，光柵技術(shù)也有了長足進步[1-2]。由于光柵位移測量系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、可靠性好、測量精度高、測量范圍大、使用方便等優(yōu)點[3]，因此被廣泛應(yīng)用于各類幾何量測量中。

而對于一套完整的光柵位移測量系統(tǒng)，與光柵尺相比，數(shù)顯裝置同樣必不可少。針對傳統(tǒng)的數(shù)顯裝置中出現(xiàn)的電路元器件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不高等問題，本文提出一種基于EPM240和STC90C51的數(shù)顯裝置的優(yōu)化設(shè)計方案，不僅簡化了硬件結(jié)構(gòu)，同時也保證了位移測量的準確性以及位移顯示的實時性。

1 光柵位移測量系統(tǒng)的基本原理

光柵位移測量系統(tǒng)主要由光柵尺（探頭）和數(shù)顯裝置兩部分組成。其中，信號調(diào)理電路、CPLD、單片機和外圍功能輔助電路共同構(gòu)成數(shù)顯裝置，如圖1所示。

圖1 光柵位移測量系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic grating displacement measurement system

根據(jù)光柵位移測量系統(tǒng)的運動位移及運動方向狀態(tài)，光柵尺（探頭）輸出兩路正交的TTL方波信號,然后經(jīng)信號調(diào)理電路將光柵尺輸出的差分信號進行合成處理[4]，進入CPLD后，進行計數(shù)和判相處理，最后外圍功能輔助電路配合單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，并由單片機的通信端口實現(xiàn)與上位機的通訊。

2 數(shù)顯裝置的硬件單元設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)數(shù)顯裝置的設(shè)計方案

作為光柵信號的處理單元，傳統(tǒng)的數(shù)顯裝置多采用分立的、多種類的電子元器件來實現(xiàn)光柵信號的檢測、辨相細分和位置計數(shù)功能。基于傳統(tǒng)設(shè)計方案的數(shù)顯裝置的組成框圖如圖2所示。

圖2 基于傳統(tǒng)設(shè)計方案的數(shù)顯裝置的組成框圖Fig.2 Block diagram of the conventional design solutions based on digital display devices

常見的光柵信號檢測電路由光敏三極管和比較器組成，接收來自光柵的莫爾條紋信號，并經(jīng)過相關(guān)信號調(diào)理電路[5-6]，輸出兩路正交的TTL方波信號，進入由PLD、74138選擇器和74573三態(tài)緩存器組成的辨相細分電路，然后由單片機或其它處理器組成的位置計算電路完成長度、位移或角度信息處理，最后由LED數(shù)碼管完成顯示。

基于傳統(tǒng)的數(shù)顯裝置設(shè)計方案，往往需要增加較多的可編程計數(shù)器，而且整個設(shè)計中所需電子元器件種類和數(shù)量較多，常帶來功耗增加、穩(wěn)定性不高等問題。

2.2 數(shù)顯裝置的優(yōu)化設(shè)計方案

針對傳統(tǒng)設(shè)計方案存在的問題，本設(shè)計方案主要從三方面進行了優(yōu)化與改進：1）辨相細分電路部分，將所需的74系列芯片功能，全部集成到了CPLD，不僅精簡了硬件電路結(jié)構(gòu)，還增強了電路的抗干擾能力；2）顯示部分，用LCD屏取代數(shù)碼管，使顯示的內(nèi)容更豐富了，而且根據(jù)實際工程項目應(yīng)用可考慮觸摸屏代替LCD屏和功能按鍵；3）通信部分，將傳統(tǒng)的RS232口改進成通用USB口，傳輸速度更快、更穩(wěn)定。

圖3 基于EPM240和STC90C51的數(shù)顯裝置的組成框圖Fig.3 Block diagram of digital display devices based on EPM240 and STC90C51

基于EPM240和STC90C51的數(shù)顯裝置主要由4個部分組成：1）信號調(diào)理電路。選用MC3486芯片，實現(xiàn)對原始信號的差分處理與電平轉(zhuǎn)換。差分信號和單端信號相比較，有著較強的抗干擾能力和能有效地抑制對外輻射電磁波；2）CPLD。選用ALTERA公司的EPM240芯片，實現(xiàn)光柵信號的細分、辨向和計數(shù)。EPM240具有采樣速率高，功耗小等特點，完全能夠滿足光柵位移測量系統(tǒng)體積小、功耗低等要求；3）單片機。選用STC90C51芯片，完成數(shù)據(jù)分析并實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與通信功能。STC90C51片內(nèi)置8位處理器，兼容標準的51指令系統(tǒng)；4）外圍功能輔助電路。主要包括控制端和通信口。其樣機裝置實物圖如圖4所示。

圖4 樣機裝置實物圖Fig.4 Prototype device

3 數(shù)顯裝置的軟件單元設(shè)計

數(shù)顯裝置的軟件主要由單片機程序設(shè)計和CPLD程序設(shè)計兩部分組成，其中單片機部分用C語言進行程序編寫，CPLD部分采用Verilog HDL編程語言。

3.1 單片機程序設(shè)計

單片機上電后，首先進行程序初始化，配置端口參數(shù)，然后進入測試模式，STC90C51的P1口輸出CPLD數(shù)據(jù)位選擇端控制信號，并由P2口實時讀取CPLD的低、中、高24位數(shù)據(jù)，然后計算得出要顯示的數(shù)值。在數(shù)據(jù)讀取中，單片機如收到上位機發(fā)出的相應(yīng)中斷指令后，將顯示數(shù)據(jù)發(fā)送至通信口。單片機程序控制流程如圖5所示。

3.2 CPLD程序設(shè)計

圖5 單片機程序控制流程圖Fig.5 Flow chart the software design based on microcontroller

CPLD作為數(shù)顯裝置的核心單元，主要實現(xiàn)光柵信號的細分、辨向和計數(shù)功能。其中CPLD的程序模塊（部分）框圖如圖6所示。

在Verilog HDL程序中，A、B信號是輸入波形；clk是系統(tǒng)時鐘信號；clr是系統(tǒng)復(fù)位信號；up_down_in是方向信息，該信號用來判斷光柵尺的移動方向，假如為高電平，則表示光柵是沿正方向運動，程序?qū)⒆黾臃ㄟ\算，反之沿反方向運動做減法運算。

用Modelsim軟件實現(xiàn)的24位計數(shù)器功能的仿真測試如圖7所示，其中輸入信號為時鐘信號clk，方向信號up_down_in；輸出信號為24位的高低電平信號。

4 樣機測試實驗

為驗證本設(shè)計方案的可行性和試驗樣機性能，分別開展了試驗樣機與雙頻激光干涉儀、某型號高精度數(shù)顯表與雙頻激光干涉儀的對比試驗，樣機實驗測試圖如圖8所示。

圖6 CPLD程序模塊（部分）框圖Fig.6 Block diagram of CPLD program module

圖7 Modelsim CPLD程序測試仿真圖Fig.7 Program testing simulation of Modelsim CPLD

其中，測試結(jié)果如表1、表2所示。

測試實驗證明，所設(shè)計的基于CPLD與單片機的數(shù)顯裝置的優(yōu)化設(shè)計方案可行，能夠滿足實時顯示、USB通信等要求，并且有著較高的測量精度，本試驗樣機在0-800mm測量范圍內(nèi)的測試偏差值不超過6 μm。

5 結(jié) 論

圖8 樣機實驗測試圖Fig.8 Prototype experimental test

文中針對傳統(tǒng)的光柵數(shù)顯裝置，提出了一種基于CPLD[7]與單片機的數(shù)顯裝置的優(yōu)化設(shè)計方案，在保證裝置完整功能的前提下，從體積、功耗和復(fù)雜程度上做了優(yōu)化設(shè)計，制作了樣機裝置，并進行了相關(guān)實驗，實驗證明所設(shè)計的數(shù)顯裝置能夠滿足實時顯示、通信等要求，該數(shù)顯裝置配合光柵讀數(shù)頭已成功應(yīng)用于某型校準試驗臺中。與傳統(tǒng)的數(shù)顯裝置相比，該設(shè)計不僅電路簡單、開發(fā)成本較低，而且性能穩(wěn)定，易于二次開發(fā)。

表1 樣機測試實驗對比數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental comparison of prototype testing

表2 某型號測試實驗對比數(shù)據(jù)表Tab.2 A model experimental comparison test

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