姜禮杰，王勇，徐健，劉建華

(合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥290003)

三維移動平臺是一種集光、電、機等多技術(shù)領(lǐng)域于一體的運動裝置，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、先進(jìn)制造、工業(yè)檢測、實驗設(shè)備等多個領(lǐng)域［1－2］。傳統(tǒng)的三維移動平臺常采用開環(huán)控制方式，根據(jù)控制器所發(fā)信息來控制運動平臺的運動，信息流是單向［3］。隨著定位精度要求的提高，這種控制方式已不能滿足人們增長的精密需求［4－6］。越來越多的平臺開始使用光柵尺進(jìn)行位置和速度的檢測，以構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式，從而取代開環(huán)控制方式［7］。這種方式主控制器需要對光柵尺輸出信號進(jìn)行濾波、鑒向、細(xì)分和計數(shù)等處理。這些處理可以由數(shù)字集成電路來完成，但這種設(shè)計方法所需芯片多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差［8－9］。也可以通過專用芯片 (如CPLD、FPGA等)和一些外圍電路來實現(xiàn)，但這種方法編程復(fù)雜，增加功耗，實時性差［10］。

傳統(tǒng)的8位或16位的單片機也很難滿足這種大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜算法控制方式的實時性要求，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，32位單片機廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、智能儀器、家電產(chǎn)品等領(lǐng)域［11－12］。文中探索了一種以STM32微處理器做主控制器的光柵尺信號處理方法，實現(xiàn)了外部信號直接與微處理器連接，不需要其他外部邏輯接口，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，并提高實時性。經(jīng)實驗證明，該方法具有編程簡單、可靠性高、實時性好等優(yōu)點。

1 微處理器處理光柵尺信號的問題

利用STM32微處理器進(jìn)行光柵信號處理雖簡單方便、實時性好，但也存在以下一些問題，限制這種使用范圍。

(1)一般光柵尺的信號輸出正弦信號或者脈沖信號，均屬于弱電信號。由于現(xiàn)場的電磁、噪聲、振動等干擾因素，使光柵信號帶有一些毛刺或抖動，會造成計數(shù)器計數(shù)不準(zhǔn)，甚至無法計數(shù)的現(xiàn)象。也就無法實時地將工作臺運動情況反饋給控制器，因此需要對光柵尺的信號進(jìn)行濾波處理。

(2)光柵信號選擇有效端口接入微處理器，微處理器設(shè)置在編碼器模式下，根據(jù)輸入有效邊沿和兩路信號的相對電平，進(jìn)行向上或者向下計數(shù)。但是，微處理器的計數(shù)器位數(shù)是16位，計數(shù)只能在0～65 535范圍內(nèi)進(jìn)行，最大計數(shù)值65 535，低于0或超過65 553會產(chǎn)生溢出。計數(shù)向上產(chǎn)生溢出，計數(shù)器會接著向下計數(shù);如圖1所示，假如工作臺向左運動，計數(shù)器計在點B到最大值65 535后，繼續(xù)向左運動至點C，則此時計數(shù)器值可能變成60 000;當(dāng)向下計數(shù)到0溢出后，會接著向上計數(shù)，這時候直接讀取計數(shù)器的數(shù)值當(dāng)做工作臺的運動位移量是不準(zhǔn)確的。

圖1 工作臺運動圖

(3)微處理器的計數(shù)器在編碼器模式下，依據(jù)兩個輸入信號的跳變順序，硬件實時地對控制寄存器中的DIR位進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。一般可以通過采取讀出DIR位的值，判斷工作平臺的運動方向。這種方法雖能確定工作臺的運動方向，但不能確定工作臺所處在機械原點的那個方向。如圖1所示，假設(shè)點O為機械原點，OA與OB是等距離的。開始時，工作臺處在機械原點，向右運動至點 A，計數(shù)值為50 000，DIR的值為1;然后向左運動至點C，計數(shù)器值為55 000，DIR的值為0;接著向右運動，至點B，則計數(shù)器的值也為50 000，DIR值也為1;此時，處在A、B兩點的計時器值和DIR的值都是相同的，主控制器則無法辨別工作臺到底是運動到點A還是點B。

2 光柵尺和微處理器的工作原理及其應(yīng)用

2.1 光柵尺工作原理

光柵尺是一種集光、機、電為一體的高性能數(shù)字化位置測量工具。它主要由標(biāo)尺光柵和指示光柵兩部分組成，二者發(fā)生移動時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋。光電器件將明暗相間的摩爾條紋，通過光電轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過放大器放大和整形電路整形后，得到兩路相位差為90°的正弦波。后續(xù)電路對正弦信號進(jìn)行濾波、插值等處理輸出脈沖信號。然后經(jīng)信號處理裝置的整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。

2.2 微處理器的鑒向、計數(shù)原理

該模塊所選用的STM32是一款32位基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。它的定時器主要由一個16位計數(shù)器和相關(guān)自動裝載寄存器組成，由可編程的預(yù)分頻器進(jìn)行驅(qū)動。這個計數(shù)器可選擇編碼器模式進(jìn)行向上/向下計數(shù)，如圖2所示。在編碼器模式下，將信號輸入微處理器的有效端口，根據(jù)輸入信號的跳變順序，產(chǎn)生計數(shù)脈沖和方向信號。當(dāng)有邊沿跳變產(chǎn)生時，硬件對定時器的控制寄存器TIMx_CR1的DIR位進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，DIR位會被置為0或1。當(dāng)DIR位為0時，計數(shù)器自動向上計數(shù)，直至自動重裝值－1，產(chǎn)生一個計數(shù)器溢出事件，接著向下計數(shù)，至0，則產(chǎn)生一個計數(shù)器下溢事件，接著向上計數(shù);而當(dāng)DIR位為1時，計數(shù)器計數(shù)情況類似。只要有邊沿跳變產(chǎn)生，就會重新計算DIR位，通過讀取DIR位的數(shù)值來判斷機床運動方向。當(dāng)定時器被設(shè)置在編碼器模式下，計數(shù)器的內(nèi)容是依照光柵尺運動速度和方向而被實時地自動修改。

圖2 定時器在編碼器模式下計數(shù)方式

2.3 光柵尺在三維移動平臺上的應(yīng)用

三維移動平臺要求定位精度高，使用光柵尺作為位置檢測器件進(jìn)行反饋。主控制器根據(jù)計數(shù)器采集到的光柵尺脈沖邊沿個數(shù)計算工作臺的實際位移量，以消除系統(tǒng)的傳動鏈誤差，減小系統(tǒng)的慣性，提高定位精度。三維移動平臺三軸的行程分別為150，150和50 mm，根據(jù)移動平臺的定位精度要求，為每個軸分別選配了分辨率為:0.5、0.5和0.1 μm的光柵尺。每個軸所選絲杠的導(dǎo)程均為5 mm/r。經(jīng)計算，一個導(dǎo)程光柵尺理論產(chǎn)生脈沖的邊沿數(shù)為10 000、10 000和50 000，而整個運動行程理論上產(chǎn)生的脈沖數(shù)邊沿數(shù)分別是280 000、280 000和50 000。這些值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過微處理器中計數(shù)器的最大計數(shù)值，無法準(zhǔn)確計算平臺移動位移量，不滿足光柵尺作為位置檢測元件的要求。

3 信號處理問題的解決

3.1 信號濾波問題的處理

光柵尺信號因現(xiàn)場的電磁、噪聲、振動等影響，可能會使TTL信號帶有一些毛刺或抖動，造成計數(shù)器計數(shù)不準(zhǔn)。根據(jù)信號的波形質(zhì)量，可選擇通過軟件設(shè)置數(shù)字濾波器的帶寬的方式，對輸入的信號進(jìn)行濾波處理。數(shù)字濾波器就是由一個事件計數(shù)器組成，它記錄到N個事件后會產(chǎn)生一個輸出的跳變。例如一個脈沖波形對高電平進(jìn)行判斷，在某個時間段內(nèi)進(jìn)行若干次檢測，這若干次中至少N次都為真則為真，產(chǎn)生一個跳變，否則認(rèn)為為假，不產(chǎn)生跳變?？梢赃@樣配置輸入濾波器對輸入波形信號進(jìn)行濾波處理。濾波器的濾波效果如圖3所示。

圖3 濾波器濾波效果圖

3.2 計數(shù)器的擴展與分辨位置問題的解決

采用定時查取計數(shù)器數(shù)值的方法，通過軟件編程使計數(shù)器擴展到32位，是一種簡單有效的方法。采用定時查取方式進(jìn)行擴展，根據(jù)機床的運動速度和實際測量需要設(shè)定查詢周期。假定每10 ms查詢一次，設(shè)S為光柵尺移動的實際位移量，a為計數(shù)器的實時值。每隔10 ms對計數(shù)器里的值進(jìn)行一次查詢，將計數(shù)器的值賦予a并清零，同時查詢控制寄存器的DIR的值。假如DIR=0時，S的值將變?yōu)镾加a的值，同時將a的值清零;如果DIR=1時，S的值將變?yōu)镾減a的值，同時將a的值清零。顯示器不斷地顯示S的值，S可為正值也可為負(fù)值。假如當(dāng)S的值大于零時認(rèn)為工作臺的位置處在機械原點的右邊，S的值小于零時認(rèn)為機床是在機械原點左邊，S的值為零時則處于機械原點。這樣不斷地進(jìn)行定時查詢直至機床停止工作。

4 信號處理方法的實現(xiàn)

4.1 查詢周期的選擇

主控制器對計數(shù)器的值定時進(jìn)行查取和清零，查取周期的選擇是該方法的一個關(guān)鍵。查取周期是依據(jù)平臺運動最大速度和光柵尺分辨率計算所得。根據(jù)運動平臺設(shè)計要求，三軸運動最大速度為30 mm/min，定位精度控制在0.01 mm以內(nèi)，三軸的光柵尺分辨率依次為0.5、0.5和0.1 μm。經(jīng)計算得，在每軸上每毫秒所產(chǎn)生的脈沖邊沿數(shù)分別為:1個、1個和5個，對應(yīng)的位移量均為0.5 μm。若要保證定位精度在0.01 mm以內(nèi)，則在每個查詢周期的運動位移不超過0.01 mm，根據(jù)最大速度計算，主控制器對計數(shù)器的查詢周期要小于20 ms，否則，光柵尺不能有效地發(fā)揮反饋作用。該平臺選擇的查詢周期是10 ms。

4.2 軟件的編寫

三位移動平臺的的運動控制系統(tǒng)主要是通過C語言編程來實現(xiàn)的，光柵尺信號的處理，也是通過C語言配置微處理器中寄存器完成信號處理。圖4是計數(shù)器位數(shù)擴展和辨向的主要程序的流程圖。

采用上述設(shè)計方案對光柵尺信號進(jìn)行處理，經(jīng)過單片機定量發(fā)出PWM脈沖進(jìn)行實際測試，實驗結(jié)果顯示計數(shù)器計數(shù)的個數(shù)與發(fā)出個數(shù)是一致的。另與數(shù)顯表對比結(jié)果顯示誤差在1/10 000內(nèi)。通過這兩個實驗，間接地驗證了該方法計數(shù)準(zhǔn)確。

圖4 計數(shù)器擴展算法部分流程圖

5 結(jié)論

經(jīng)驗證，基于STM32微處理器的光柵信號處理方法簡單可靠、技術(shù)準(zhǔn)確、靈活性好。滿足三位移動平臺的的定位精度要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目的，同時也為其他數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計提供了參考。

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