周 洋，齊樹(shù)毅，丁進(jìn)軍

（1.中國(guó)人民解放軍92038部隊(duì) 山東 青島 266100；2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451；3.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，工業(yè)操作中對(duì)位移測(cè)量的精度要求越來(lái)越高。在迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動(dòng)下，位移檢測(cè)設(shè)備也發(fā)生了巨大的改變。在此背景下，光柵尺測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。光柵尺，屬光電傳感器，多運(yùn)用在精密機(jī)加工和數(shù)控機(jī)床上，用來(lái)精密測(cè)量物體的位移，是現(xiàn)代測(cè)量領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種傳感器。光柵尺測(cè)量系統(tǒng)以高精度、高穩(wěn)定性、大量程、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)今測(cè)量系統(tǒng)中占有明顯的優(yōu)勢(shì)，并成為我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化重點(diǎn)推廣的技術(shù)。

文中基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套數(shù)字光柵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)使用ATMEL公司的ATmega16L單片機(jī)作為核心的微控制器來(lái)控制各個(gè)功能模塊。主要功能模塊有定時(shí)器模塊、串口數(shù)據(jù)接口模塊。光柵尺每脈沖當(dāng)量為4 μm，要求其分辨率為1 μm。單片機(jī)對(duì)光柵尺傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采集，光柵位移細(xì)分，數(shù)據(jù)處理。位移量通過(guò)光柵的透射轉(zhuǎn)換成莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出，這樣，我們只要記錄脈沖信號(hào)的數(shù)目，以及位移停止時(shí)的最后一個(gè)狀態(tài)，就可以計(jì)算出位移量的大小，達(dá)到了1 μm的分辨率。

1 器件說(shuō)明

1.1 ATmega16單片機(jī)

ATmega16是ATMEL公司的生產(chǎn)的性價(jià)比比較高的單片機(jī)。ATmega16有如下特點(diǎn)：16 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1 k字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，1個(gè)SPI串行端口，以及6個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作[1]。

1.2 雙D觸發(fā)器74HC74

該器件內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的D觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）、復(fù)位輸入（、時(shí)鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、），和的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與輸入端的電平無(wú)關(guān)，當(dāng)和均無(wú)效（高電平）時(shí)，符合建立時(shí)間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端[2]。

1.3 數(shù)字光柵尺

光柵尺位移傳感器（簡(jiǎn)稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光柵尺輸出引腳信號(hào)如表1所示。

表1 光柵尺輸出輸入信號(hào)Tab.1 Output and input signals of grating ruler

A，B信號(hào)為輸出脈沖，每隔4 μm變化；Z信號(hào)為校準(zhǔn)脈沖，每隔50 mm輸出一個(gè)脈沖。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要思路：在本系統(tǒng)中，光柵尺的位移分為3部分：刻度脈沖、校準(zhǔn)脈沖和補(bǔ)償脈沖。

1）刻度脈沖：利用單片機(jī)的定時(shí)器比較匹配中斷功能可以檢測(cè)刻度脈沖，設(shè)置定時(shí)器的比較值為1，即來(lái)了一次上升沿脈沖后進(jìn)入匹配中斷進(jìn)行判別[3]。在中斷子程序里面首先置寄存器初始值，然后通過(guò)D觸發(fā)器送來(lái)的方向完成對(duì)刻度位移加減的計(jì)算?？梢赃x擇A或者B信號(hào)作為脈沖計(jì)數(shù)源。

2）校準(zhǔn)脈沖：光柵尺每隔一段位移有一個(gè)校準(zhǔn)信號(hào)Z，可通過(guò)外部中斷接入，在外部中斷子程序里面完成對(duì)校準(zhǔn)位移的計(jì)算和刻度脈沖的清零[4]。

3）補(bǔ)償脈沖：由于AB信號(hào)一共有4個(gè)狀態(tài)，通過(guò)讀取2個(gè)刻度脈沖的狀態(tài)并比較狀態(tài)值可以得出位移補(bǔ)償。光柵尺的位移為刻度位移、校準(zhǔn)位移和和補(bǔ)償位移之和。

上位機(jī)可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)，清零設(shè)置，存儲(chǔ)當(dāng)前值等功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 System design

2.1 光柵尺位移方向的獲取

光柵尺的運(yùn)動(dòng)不是單向移動(dòng)，但其接口只能給出脈沖數(shù)，而不能辨別移動(dòng)方向。因此系統(tǒng)采用D觸發(fā)器來(lái)辨別方向。其輸出信號(hào)如圖2所示。

圖2 光柵尺輸出的脈沖信號(hào)Fig.2 Output pulse of grating ruler

用A信號(hào)連接D觸發(fā)器的CP端，B信號(hào)連接D觸發(fā)器的D端，當(dāng)正向移動(dòng)時(shí)D觸發(fā)器Q端的輸出為1，反之為0。其原理圖如圖3所示。

圖3 方向原理圖Fig.3 Schematic diagram of direction

2.2 光柵尺位移的計(jì)算原理

根據(jù)光柵尺讀數(shù)原理，刻度脈沖為一個(gè)固定的位移[5]。這里為4 μm，即每次來(lái)一個(gè)正向脈沖，刻度位移增加4 μm，反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，刻度位移每次減小4 μm。所以在刻度位移計(jì)算的子程序中通過(guò)判斷位移的方向可以獲取相應(yīng)的刻度位移。.校準(zhǔn)刻度的計(jì)算也需要判斷當(dāng)前位移方向，當(dāng)光柵尺正向移動(dòng)時(shí)校準(zhǔn)脈沖變量加一，反之減一?？紤]零點(diǎn)是隨時(shí)改變的，故第一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處的刻度值需要用來(lái)做標(biāo)定。 光柵尺位移為刻度位移和校準(zhǔn)位移之和。

設(shè)置校準(zhǔn)位移變量為tNUM，刻度位移變量為sNUM，正向第一個(gè)點(diǎn)處標(biāo)定值為move_data00，反向第一個(gè)點(diǎn)處標(biāo)定值為move_data01。通過(guò)分析光柵尺位移的狀態(tài)我們知道，總共有4種位移計(jì)算情況，如表2所示。

2.3 補(bǔ)償位移

光柵尺的A，B脈沖可分為4種狀態(tài)00、01、10、11， 通過(guò)獲取該狀態(tài)值并比較可獲得0～4 μm的脈沖補(bǔ)償。正向和反向移動(dòng)時(shí)狀態(tài)均有16種情況，需要加以判別并得到補(bǔ)償位移。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)上電后初始化串口配置，端口等。查詢A、B狀態(tài)，等待串口命令和中斷信號(hào)[6]。位移信息通過(guò)中斷程序即可獲取，如串口需要獲取數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)入位移補(bǔ)償子程序?qū)ξ灰七M(jìn)行補(bǔ)償，最后經(jīng)過(guò)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后發(fā)給上位機(jī)。

表2 光柵尺位移計(jì)算Tab.2 Grating ruler displacement calculation

3.2 定時(shí)器中斷子程序

3.3 外部中斷子程序

4 實(shí)際電路的改進(jìn)

由于實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，脈沖干擾很擾很大，導(dǎo)致位移測(cè)量有一定的誤差。D觸發(fā)器也有一定的延時(shí)。為了改進(jìn)測(cè)量性能，可以加入光耦隔離電路或?yàn)V波電路。改進(jìn)后的電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的電路框圖Fig.4 Improved block diagram

5 結(jié)束語(yǔ)

文中基于M16設(shè)計(jì)了一個(gè)光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)，可以接受上位機(jī)信息控制讀取光柵尺位移信息，在工業(yè)測(cè)量控制中有一定的使用價(jià)值。

[1]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3]李長(zhǎng)林.AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]吳健.AVR單片機(jī)實(shí)用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與典型實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[5]葉盛祥.光電位移精密測(cè)量技術(shù)[M].四川：四川科技出版社.2003.

[6]ATMEL Corporation.ATmega16[EB/OL].[2011-09-27].http：//www.dzsc.com/datasheet/ATmega16_144718.html.