一種具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置

劉 佳，李 昆，何小妹，何學軍，王愛軍

航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095

在幾何量測量領域，特別是線位移、角位移的高精度測量與量值傳遞中，常用光柵尺作為重要的位移傳感器和標準器[1]。由于其具有精度高、穩(wěn)定性好、安裝簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于各類數(shù)控機床與測量儀器上，尤其對于高度自動化的數(shù)控機床設備和高精度運動控制系統(tǒng)，光柵尺更是必不可少[2-3]。目前，以光柵尺為反饋的數(shù)控機床或者坐標測量機的軸線運動系統(tǒng)的幾何參數(shù)校準還僅是“定點靜止”的靜態(tài)校準，而這些運動試驗系統(tǒng)或設備往往都是進行低頻往復運動，因此“連續(xù)不停頓”的動態(tài)校準更貼近實際需求。但通常的光柵數(shù)顯裝置普遍沒有同步觸發(fā)輸入功能，即無Sync_In接口，國內(nèi)的儀器儀表制造廠商在產(chǎn)品研制過程中，由于對設備可計量性要求不高，所研制生產(chǎn)出的光柵數(shù)顯裝置基本沒有同步觸發(fā)輸入功能，這就造成了難以開展對軸線運動系統(tǒng)的幾何參數(shù)動態(tài)測試的問題，尤其對于動態(tài)校準更是無從下手。文章根據(jù)光柵數(shù)顯裝置的常規(guī)功能，結合位移傳感器靜/動態(tài)校準過程中的實際要求，提出了一種以CPLD為核心的具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置設計方案。

1 裝置設計原理

以光柵尺為位置反饋的直線運動裝置，根據(jù)實際運動位移及運動方向狀態(tài)變化，光柵尺（位置編碼器）輸出兩路正交的TTL方波信號，然后經(jīng)信號調(diào)理電路將位置光柵尺（位置編碼器）輸出的差分信號進行合成處理[4]，進入CPLD后，進行判相和計數(shù)處理。當集成在CPLD中觸發(fā)鎖存模塊里的Sync_In接口端子檢測到同步觸發(fā)信號后，則CPLD的觸發(fā)鎖存模塊將當前時刻的計數(shù)值鎖存，并通過通信端口實現(xiàn)與上位機的通信。其中外圍功能輔助電路配合MCU控制器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理、顯示和存儲。具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置原理如圖1所示。

圖1 具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置原理示意圖

2 裝置各單元設計

基于CPLD的具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置主要由4個部分組成：（1）信號調(diào)理電路。選用TI公司的MC3486實現(xiàn)對原始信號的差分處理與電平轉(zhuǎn)換[5]。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處理模塊。選用ALTERA公司的EPM570芯片，其主要包括光柵信號的辨向/計數(shù)與觸發(fā)鎖存模塊兩部分。（3）MCU控制器模塊。選用STC15W4K60S4芯片，完成對CPLD輸出數(shù)據(jù)的讀取與數(shù)據(jù)分析處理。（4）外圍功能輔助電路。其主要包括同步觸發(fā)輸入接口、電源模塊、通信端口單元和顯示單元。其樣機裝置實物如圖2、圖3所示。

圖2 光柵數(shù)顯裝置實物正面照

圖3 光柵數(shù)顯裝置實物背面照

2.1 信號調(diào)理電路單元

前端信號調(diào)理單元主要選用美國Texas Instruments（德州儀器）公司生產(chǎn)的MC3486芯片，實現(xiàn)進行多路原始信號的差分處理與電平轉(zhuǎn)換[6]。差分信號相比單端信號有著較強的抗干擾能力和能有效地抑制對外輻射電磁波。其功能邏輯如圖4所示。

圖4 功能邏輯框圖

2.2 CPLD處理模塊

該設計方案在參考以往設計的基礎上，利用EPM570可編程邏輯器件的特點，將所需的74系列芯片的所有功能全部集成到EPM570器件里，不僅從結構上簡化了硬件電路的設計，還提高了電路的抗干擾能力。EPM570是Altera公司推出的MAXII系列CPLD，具有功耗低[7-8]（與上一代3.3V MAX器件相比，功耗降低90%）、成本較低（與上一代MAX器件相比，同樣的結構密度成本為1/8）的特點，最高可支持300MHz的內(nèi)部響應時鐘頻率[9]。

CPLD單元作為整個數(shù)顯裝置的核心組成部分，主要實現(xiàn)對光柵信號的辨向/計數(shù)與接收外部觸發(fā)信號觸發(fā)鎖存功能。因此，CPLD單元主要由辨相/計數(shù)功能模塊與觸發(fā)鎖存模塊組成，如圖5所示。

圖5 CPLD處理模塊框圖

基于Verilog HDL語言的辨相/計數(shù)功能模塊如圖6所示。

圖6 辨相/計數(shù)程序模塊框圖

基于Verilog HDL語言的辨相/計數(shù)功能模塊如下。

該系統(tǒng)的CPLD采用了50M高精度有源晶振，因此單個指令周期為20ns，因為CPLD內(nèi)部程序設計為只需一個指令周期即可完成對內(nèi)部位移計數(shù)值的鎖存，所以該系統(tǒng)從檢測到同步觸發(fā)信號的時鐘沿，到鎖存當前計數(shù)值，最快可到20ns。

基于Verilog HDL語言的觸發(fā)鎖存功能模塊如圖7所示。

圖7 觸發(fā)鎖存程序模塊框圖

該觸發(fā)鎖存Symbol功能模塊主要是當syn_tri_i端檢測到觸發(fā)信號時，完成對當前被檢測設備單軸系統(tǒng)的運動位移信息的鎖存，并輸出值CPLD內(nèi)部定義的臨時鎖存寄存器。

基于Verilog HDL語言的觸發(fā)鎖存功能模塊如下。

2.3 MCU控制器模塊

MCU控制器模塊主要選用STC15W4K60S4微處理器完成對CPLD輸出數(shù)據(jù)的讀取與進行數(shù)據(jù)分析處理。STC15W 4K60S4兼容標準的51指令系統(tǒng)，是當前國產(chǎn)芯片中性價比較高的單片機，并且內(nèi)置時鐘信號源，無須再外接晶振。

2.4 外圍輔助電路單元

外圍輔助電路單元主要包括同步觸發(fā)輸入接口、電源模塊、通信端口單元和顯示單元。同步觸發(fā)輸入接口電路如圖8所示。

圖8 同步觸發(fā)輸入接口電路

同步觸發(fā)輸入接口通過Syn_trig_i與GND兩個端子實現(xiàn)對外部觸發(fā)信號的輸入，當采集到的Syn_trig_i信號輸入之后，由電阻對信號進行上拉，確保信號的可靠性；對于電路中存在的不需要的信號由濾波電容對其進行濾除，從而減小了對有效信號的干擾，以免出現(xiàn)誤觸發(fā)狀況。其中，觸發(fā)信號技術參數(shù)可通過對同步觸發(fā)處理模塊程序的HDL語言進行修改，包括觸發(fā)脈沖激活沿類型（上升沿/下降沿）、最小脈沖寬度等參數(shù)。

在通信單元接口類型上，設計了基于PL-2303SA芯片的USB接口電路與基于MAX232的RS232串口輸出電路，接口的多樣性方便系統(tǒng)的二次開發(fā)與上位機/下位機的通信。

3 樣機測試實驗

為驗證此設計方案的可行性，搭建了光柵數(shù)顯裝置樣機，并在高精度角度運動平臺上進行了自研光柵數(shù)顯裝置樣機與標準器的比對測試試驗。

整個試驗系統(tǒng)主要由以下部分組成：（1）角度標準器。主要采用俄羅斯的圓光柵系統(tǒng)的測量值作為標準值，利用其光柵盒上的AUX_in接口端子接收外部觸發(fā)信號，鎖存當前位置值，并通過自帶的上位機軟件進行數(shù)據(jù)的采集、記錄，從而實現(xiàn)對標準值的記錄與輸出。（2）自研光柵數(shù)顯裝置樣機。主要完成對A、B信號的辨相/計數(shù)與接收外部觸發(fā)信號進行計數(shù)值鎖存[7]。（3）高精度角度運動臺。為整個試驗提供運動載體，試驗中提供5°/s的勻速轉(zhuǎn)動。（4）上位機軟件。與光柵同步采集系統(tǒng)配套使用，完成對俄羅斯的圓光柵系統(tǒng)與基于外部觸發(fā)的光柵同步采集系統(tǒng)輸出的計數(shù)值的顯示與存儲。（5）信號發(fā)生器。主要用來產(chǎn)生外部觸發(fā)信號，為俄羅斯的圓光柵系統(tǒng)與基于外部觸發(fā)的光柵同步采集系統(tǒng)提供外部觸發(fā)信號，試驗中提供1Hz的觸發(fā)信號輸出。樣機對比試驗數(shù)據(jù)如表1所示。示值誤差曲線如圖9所示。

圖9 示值誤差曲線圖

表1 樣機對比試驗數(shù)據(jù)表

續(xù)表

測試試驗表明，所設計的具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置樣機方案切實可行。功能上，具有較好的穩(wěn)定性，在連續(xù)多點觸發(fā)過程中能做到數(shù)據(jù)輸出不出錯、不丟數(shù)；性能上，從圖9可知，光柵數(shù)顯裝置樣機有著較好的重復性，并且其示值誤差在-0.5″～0.8″，因為運動轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性為10-5數(shù)量級，所以轉(zhuǎn)臺在試驗中提供5°/s的勻速轉(zhuǎn)動時，光柵數(shù)顯裝置在接受每秒觸發(fā)一次的條件下，由轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定性帶來的誤差為±0.18″。

4 結束語

文章針對光柵數(shù)顯系統(tǒng)中沒有同步觸發(fā)輸入功能而無法開展對軸線運動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺幾何參數(shù)的動態(tài)測試和校準的問題，提出了一種具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置的設計方案，制作了試驗樣機裝置，并開展了相關驗證試驗。測試試驗表明，所設計的具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置方案可行，不僅可以解決沒有同步輸入功能的光電編碼器（圓光柵盤）設備的動態(tài)測試與校準問題，還為有效開展以光柵尺為反饋的直線軸運動系統(tǒng)的幾何參數(shù)的動態(tài)校準提供了一種新思路。