劉 佳，李 昆，何小妹，何學(xué)軍，王愛軍

航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095

在幾何量測(cè)量領(lǐng)域，特別是線位移、角位移的高精度測(cè)量與量值傳遞中，常用光柵尺作為重要的位移傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器[1]。由于其具有精度高、穩(wěn)定性好、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床與測(cè)量?jī)x器上，尤其對(duì)于高度自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床設(shè)備和高精度運(yùn)動(dòng)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(jī)床或者坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軸線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的幾何參數(shù)校準(zhǔn)還僅是“定點(diǎn)靜止”的靜態(tài)校準(zhǔn)，而這些運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)或設(shè)備往往都是進(jìn)行低頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此“連續(xù)不停頓”的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)更貼近實(shí)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(duì)設(shè)備可計(jì)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(duì)軸線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)試的問題，尤其對(duì)于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)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(jié)合位移傳感器靜/動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)過程中的實(shí)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(shè)計(jì)方案。

1 裝置設(shè)計(jì)原理

以光柵尺為位置反饋的直線運(yùn)動(dòng)裝置，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移及運(yùn)動(dòng)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(hào)，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將位置光柵尺（位置編碼器）輸出的差分信號(hào)進(jìn)行合成處理[4]，進(jìn)入CPLD后，進(jìn)行判相和計(jì)數(shù)處理。當(dāng)集成在CPLD中觸發(fā)鎖存模塊里的Sync_In接口端子檢測(cè)到同步觸發(fā)信號(hào)后，則CPLD的觸發(fā)鎖存模塊將當(dāng)前時(shí)刻的計(jì)數(shù)值鎖存，并通過通信端口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。其中外圍功能輔助電路配合MCU控制器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、顯示和存儲(chǔ)。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(shè)計(jì)

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(gè)部分組成：（1）信號(hào)調(diào)理電路。選用TI公司的MC3486實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的差分處理與電平轉(zhuǎn)換[5]。差分信號(hào)和單端信號(hào)相比較有著較強(qiáng)的抗干擾能力和能有效地抑制對(duì)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(hào)的辨向/計(jì)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(duì)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(jī)裝置實(shí)物如圖2、圖3所示。

圖2 光柵數(shù)顯裝置實(shí)物正面照

圖3 光柵數(shù)顯裝置實(shí)物背面照

2.1 信號(hào)調(diào)理電路單元

前端信號(hào)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(shí)現(xiàn)進(jìn)行多路原始信號(hào)的差分處理與電平轉(zhuǎn)換[6]。差分信號(hào)相比單端信號(hào)有著較強(qiáng)的抗干擾能力和能有效地抑制對(duì)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(shè)計(jì)方案在參考以往設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用EPM570可編程邏輯器件的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)密度成本為1/8）的特點(diǎn)，最高可支持300MHz的內(nèi)部響應(yīng)時(shí)鐘頻率[9]。

CPLD單元作為整個(gè)數(shù)顯裝置的核心組成部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵信號(hào)的辨向/計(jì)數(shù)與接收外部觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)鎖存功能。因此，CPLD單元主要由辨相/計(jì)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(jì)數(shù)功能模塊如圖6所示。

圖6 辨相/計(jì)數(shù)程序模塊框圖

基于Verilog HDL語言的辨相/計(jì)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(gè)指令周期為20ns，因?yàn)镃PLD內(nèi)部程序設(shè)計(jì)為只需一個(gè)指令周期即可完成對(duì)內(nèi)部位移計(jì)數(shù)值的鎖存，所以該系統(tǒng)從檢測(cè)到同步觸發(fā)信號(hào)的時(shí)鐘沿，到鎖存當(dāng)前計(jì)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(dāng)syn_tri_i端檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，完成對(duì)當(dāng)前被檢測(cè)設(shè)備單軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位移信息的鎖存，并輸出值CPLD內(nèi)部定義的臨時(shí)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(duì)CPLD輸出數(shù)據(jù)的讀取與進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。STC15W 4K60S4兼容標(biāo)準(zhǔn)的51指令系統(tǒng)，是當(dāng)前國產(chǎn)芯片中性價(jià)比較高的單片機(jī)，并且內(nèi)置時(shí)鐘信號(hào)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(gè)端子實(shí)現(xiàn)對(duì)外部觸發(fā)信號(hào)的輸入，當(dāng)采集到的Syn_trig_i信號(hào)輸入之后，由電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行上拉，確保信號(hào)的可靠性；對(duì)于電路中存在的不需要的信號(hào)由濾波電容對(duì)其進(jìn)行濾除，從而減小了對(duì)有效信號(hào)的干擾，以免出現(xiàn)誤觸發(fā)狀況。其中，觸發(fā)信號(hào)技術(shù)參數(shù)可通過對(duì)同步觸發(fā)處理模塊程序的HDL語言進(jìn)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(shè)計(jì)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(jī)/下位機(jī)的通信。

3 樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案的可行性，搭建了光柵數(shù)顯裝置樣機(jī)，并在高精度角度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行了自研光柵數(shù)顯裝置樣機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)器的比對(duì)測(cè)試試驗(yàn)。

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下部分組成：（1）角度標(biāo)準(zhǔn)器。主要采用俄羅斯的圓光柵系統(tǒng)的測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值，利用其光柵盒上的AUX_in接口端子接收外部觸發(fā)信號(hào)，鎖存當(dāng)前位置值，并通過自帶的上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、記錄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的記錄與輸出。（2）自研光柵數(shù)顯裝置樣機(jī)。主要完成對(duì)A、B信號(hào)的辨相/計(jì)數(shù)與接收外部觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)值鎖存[7]。（3）高精度角度運(yùn)動(dòng)臺(tái)。為整個(gè)試驗(yàn)提供運(yùn)動(dòng)載體，試驗(yàn)中提供5°/s的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）上位機(jī)軟件。與光柵同步采集系統(tǒng)配套使用，完成對(duì)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(jì)數(shù)值的顯示與存儲(chǔ)。（5）信號(hào)發(fā)生器。主要用來產(chǎn)生外部觸發(fā)信號(hào)，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(hào)，試驗(yàn)中提供1Hz的觸發(fā)信號(hào)輸出。樣機(jī)對(duì)比試驗(yàn)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(jī)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

續(xù)表

測(cè)試試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的具有同步觸發(fā)功能的光柵數(shù)顯裝置樣機(jī)方案切實(shí)可行。功能上，具有較好的穩(wěn)定性，在連續(xù)多點(diǎn)觸發(fā)過程中能做到數(shù)據(jù)輸出不出錯(cuò)、不丟數(shù)；性能上，從圖9可知，光柵數(shù)顯裝置樣機(jī)有著較好的重復(fù)性，并且其示值誤差在-0.5″～0.8″，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定性為10-5數(shù)量級(jí)，所以轉(zhuǎn)臺(tái)在試驗(yàn)中提供5°/s的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(tái)穩(wěn)定性帶來的誤差為±0.18″。

4 結(jié)束語

文章針對(duì)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(duì)軸線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺(tái)幾何參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試和校準(zhǔn)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(shè)計(jì)方案，制作了試驗(yàn)樣機(jī)裝置，并開展了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)試試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)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(shè)備的動(dòng)態(tài)測(cè)試與校準(zhǔn)問題，還為有效開展以光柵尺為反饋的直線軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的幾何參數(shù)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)提供了一種新思路。