检测与转换技术课程设计光栅位移传感器.docx

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检测与转换技术课程设计光栅位移传感器

检测与转换技术

课程设计

-----光栅位移传感器

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摘要

提出了一种基于89C2051单片机开发的光栅位移传感器对线性位移进行测量的方法。

其硬件设计包括数据采集、辨向、数据处理和数据显示。

把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器8253计数，利用89C2051单片机进行信号处理，最终转换成实际的线性位移值显示出来。

与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量精度。

光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。

光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量［。

将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。

关键词：

位移、计量光栅、莫尔条纹、辨向、细分、加/减计数器、89C2051单片机、光栅位移传感器光栅

1概述

位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。

小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。

其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

2总体方案设计

2.1设计目的

通过课程设计，使我们在实践环节中进一步理解和熟悉自动检测仪表的原理、组成和调试。

熟悉光栅传感器的原理，掌握常用的光栅传感器的使用方法。

掌握常用芯片的使用方法，熟悉四倍频电路光栅传感器与单片机的接口方法。

并培养动手能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，整理总结设计报告。

2.2设计方案及系统框图

光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。

光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量。

将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。

本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号，采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示。

本系统中使用的光栅传感器输出的是4路相位差为90°的正弦信号，因此需要对传感器的输出信号进行整形处理。

本设计中采用了由运放LM393构成的差分放大器，将光栅传感器输出的4路信号分别送入2个差分放大器的输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为90°，整个系统框图如图2--1所示。

将差分后的信号进行整形得到2路方波信号，得到的方波信号不能直接送入计数器中，在本设计中由EPM7128S完成4细分、辨向、计数的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理图的输入方式将上述模块组合成一个软件系统

2—1硬件原理图

2.3光栅位移传感器的原理

计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。

几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种花纹就是莫尔条纹。

一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。

计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。

下面以透射光栅为例加以讨论。

透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。

目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。

光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。

一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。

为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。

当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。

由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。

如图2--2，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。

每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。

由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。

由图2--2可得光电信号为

u0=U平均+Umsin（π/2+2πX/W）

式中u0—光电元件输出的电压信号；

U平均—输出信号的直流分量；

Um—输出信号中正弦交流分量的幅值。

从公式中可见，当光栅位移一个节距W，波形变化一周。

这时相应条纹移动一个条纹宽度B。

因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N，就可知道光栅的位移X即X=NW

图2--2光栅输出信号波形图

3各部分电路设计

3.1数字滤波电路

通过多次实验发现，光栅传感器输出的信号虽然经过了前级电路的预处理，但光栅发生抖动或测头被冲击时，仍然会产生噪声信号，从而影响计数的准确性，降低整个测试系统的精度。

为了消除噪声信号，在CPLD内部设计了一数字滤波电路模块米滤除抖动脉冲，防止计数器误计数。

图3--1是数字滤波电路图。

图3--1滤波电路

3.2辨向、细分与四倍频电路原理

3.2.1辨向原理

在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向。

为了辨向，需要有π/2相位差的两个莫尔条纹信号。

如图3--2，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号u01和u02，经过整形后得到两个方波信号u01’和u02’。

光栅正向移动时u01超前u0290度，反向移动时u02超前u0190度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。

图3--2相位差90度输出信号波形图

3.2.2细分技术

随着对测量精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。

所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减少脉冲当量。

如一个周期内发出n个脉冲，则可使测量精度提高n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。

由于细分后计数脉冲频率提高了n倍，因此也称n倍频。

通常用的有两种细分方法：

其一、直接细分。

在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差90º的电信号，用反相器反相后就得到四个依次相差90º的交流信号。

同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差90º的交流信号，实现四倍频细分。

其二、电路细分。

电路细分有很多种方法，图3--3是最基本的一种二倍频细分电路。

图3—3脉冲边沿检测器组成的二倍频电路

3.2.3四倍频电路设计原理

光栅传感器输出两路相位相差为90°的方波信号A和B.如图3--4所示，用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动．四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置.计数过程一般有两种实现方法：

一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数．

图3—4光栅传感器输出信号示意图

光栅信号A，B有以下关系．

当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B相90°，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：

00→10→11→01→00．这样,如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数,一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数．

当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90°，则一个周期内两相信号也有4次相对变化：

00→01→11→10→00．同理，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转

状态的四倍频计数．

当线路受到干扰或出现故障时,可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作．

综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图（见图3--5），其中“+”、“-”分别表示计数器加／减1,“0”表示计数器不动作．

图3—5处理模块状态转换图

3.3辨向与细分电路设计

3.3.1传统模拟细分电路

传统的倍频计数电路如图3--6所示，它由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路3部分组成．光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器LM339组成．来自光栅的莫尔条纹照射到光敏三极管Ta和Tb上，它们输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，从LM339输出电压信号Ua,Ub整形后送到辨向电路中．芯片7495的数据输入端Dl接收Ua，D0接收Ub，接收脉冲由单片机的ALE端提供．然后信号经过与门Y1,Y2和或门E1，E2，E3组成的电路后，送到由2片74193串联组成的8位计数器．单片机通过P1口接收74193输出的8位数据，从而得到光栅的位置．

图3—6基于传统方案设计的四倍频及辨向电路

采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降．

3.3.2基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计

采用CPLD实现光栅传感器信号的处理示意图如图3--7所示，即将图3中3个部分的模拟逻辑电路全部集成在一片CPLD芯片中，实现高集成化.由于工作现场的干扰信号使得光栅尺输出波形失真，所以将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波整形后再送入CPLD，由CPLD对脉冲信号计数和判向，并将数据送入内部寄存器．

图3—7光栅传感器信号A,B处理示意图

3.3.3CPLD芯片的选择

CPLD芯片选用ALTERA公司的MAX7000系列产品EPM7128S，该芯片具有高阻抗、电可擦、在系统编程等特点，可用门单元为2500个，管脚间最大延迟为5μs工作电压为+5V.仿真平台采用ALTERA公司的QUARTUSⅡ进行开发设计．

3.3.4四细分与辨向电路

四细分与辨向模块逻辑电路如图3--8所示，采用10MB晶振产生全局时钟CLK，假设信号A超前于B时代表指示光栅朝某一方向移动，A滞后于B时表示光栅的反方向移动．A，B信号分别经第一级D触发器后变为A＇，B＇信号，再经过第二级D触发器后变为A″，B″信号．D触发器对信号进行整形，消除了输入信号中的尖脉冲影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号A，B，因而提高了系统的抗干扰性能．在四倍频辨向电路中，采用组合时序逻辑器件对A＇A″，B＇B″信号进行逻辑组合得到两路输出脉冲：

当A超前于B时，ADD为加计数脉冲，MIMUS保持高电平；反之，当A滞后于B时，ADD保持高电平,MINUS为减计数脉冲．

图3—8四细分与辨向电路图

新型设计方法使用的器件数较传统方法大大减少，所以模块功耗显著降低.系统布线在芯片内部实现，抗干扰性强.由于采用的是可编程逻辑器件，对于系统的修改和升级只需要修改相关的程序语句即可，不用重新设计硬件电路和制作印刷电路板，使得系统的升级和维护的便捷性大大提高.

3.3.5四倍频细分电路模块的仿真

根据图3--5所示的状态转换图，利用硬件描述语言VerilogHDL描述该电路功能，编程思想为将A，B某一时刻的信号值的状态合并为状态的判断标志state，并放入寄存器prestate．当A，B任一状态发生变化时，state值即发生改变，将此时的state值与上一时刻的prestate进行比较，则能根据A，B两个脉冲的状态相对变化确定计数值db的加减，得出计数器输出值的加减标志．

仿真结果如图3--9所示．当信号A上跳沿超前于B时，计数值db进行正向计数；当A上跳沿滞后于B时，计数值db进行反向计数．即db将细分、辨向、计数集于一身，较好地实现了光栅细分功能．

比较两图可以看出，用FPGA设计信号处理模块，设计过程和电路结构更加简洁.另外,在应用中需注意FPGA时钟周期应小于光栅信号脉冲的1／4.

图3—9面向可逆计数器的四倍频及判向电路时序图

3.4计数电路

本系统中的计数器采用VHDL进行设计，输入信号定义为时钟信号和方向信号，输出信号定义为24位的计数结果。

用VHDL实现的24位可逆计数器功能的原程序如下：

3.5译码驱动和显示电路

本系统中要正确显示测量结果，需要译码驱动和显示电路模块，泽码电路用于转换24位的计数结果；显示电路需要6个LED显示数据，其中1个LED为符号位。

当正向运动时，符号位不显示符号，当反向运动时显示"-"号。

图3—10显示电路

4总体电路设计

下面介绍QA740210芯片最简单的用法——仅对两路正交信号进行四倍频处理的线路。

如图4--1，为光栅尺信号处理部分电路。

74LS193为双时钟十六进制同步加/减计数器，QA740210输出的两路正负脉冲信号（+CP0/-CP0）分别与第一个74LS193的加（CKU）/减（CKD）脉冲端相连，第一个74LS193的进位（CRY）/借位（BORR）分别与第二个74LS193的加（CKU）/减（CKD）脉冲端相连。

用单片机89C2051P1口的8位I/O口接两个计数器的8位数据线，第二个计数器的进位位（CRY）和借位位（BORR）分别接89C2051的外部中断INT0和INT1，这样累加或累减在256个以内的计数脉冲通过计数器和单片机的8位并行数据口传输，超过256个计数脉冲则由外部中断INT0和INT1进行中断响应处理，可以大大提高光栅的测量速度，根据实验，以目前的配置条件，最大测量速度至少可达5m/min，极大提高了光栅尺的应用范围。

通过对单片机适当编程完成了计数脉冲的加减、数据的显示及串口发送功能。

此系统采用硬件和软件相结合的方式，计数快，实时性强，稳定性高。

既克服了纯硬件线路复杂的缺点，又克服了纯软件计数慢的缺点，具有很好的实用性

图4—1光栅应用原理图

5总结与体会

经过一个星期的设计过程，我学到了很多东西，对一年以来所学过的电子方面的知识和智能仪表与检测也重新学习了一遍，也对自己在数字和电子面的能力有了更客观的评价，在这次设计过程中，从最基本的查元件，找资料做起，了解了完整的电子设计和检测设计的一般步骤，也和同学们共同探讨研究，学到了很多课堂上学不到的东西，也遇到了各种各样从没想过的问题，并认真的解决了它们，另外，对各种电子类设计的计算机辅助手段有了更深一的接触，可以说是为了以后的电子领域的道路做了一些有益的尝试，同时也使我增加了对电子方面知识的兴趣，也从中发现了自己的一些不尽如人意的地方，以后要多多改进。

6参考文献

［1］刘克非，张春林，等．光栅位移传感器在凸轮轮廓测线中的运用［J］．传感器技术，2002，（21）．

［2］李殿奎．光栅计量技术［M］．北京：

中国计量出版社，1987．

［3］李怀琼，陈钱．新型光栅信号数字细分技术及其误差分析［J］．电子测量与仪器学报，2001，15（3）．

［4］余永权．ATMLE89系列单片机应用技术［M］．北京：

北京航空航天大学出版社，2002．

7附录

7.1、电路特点

⑴、数字化微分电路：

4路微分信号脉宽由主频周期决定，因此，是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。

⑵、临界报警与过速报警两档速度提示：

可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。

在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。

⑶、绝对零位控制：

绝对零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断电后的重新定位等。

本电路有“到绝对零位开始计数”和“到绝对零位停止计数”，以及“与绝对零位无关”三种工作模式。

⑷、片选：

本电路设有片选端，可以构成多标数显系统。

⑸、COMS工艺：

输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。

7.2、各脚功能详解

管脚1：

振荡器0。

（X0）它既可以与X1、X2构成振荡器，也可以作为外部时钟的输入端。

管脚2：

正交信号1。

（0o）接收光栅尺传送过来的信号，也可以接收SJ0204（5细分电路）产生的信号。

这个信号应为方波。

本电路将对0o与管脚3接收的90o正交方波进行四倍频，并根据0o与90o之间的相位关系进行相位判别。

管脚3：

正交信号2。

（90o）本管脚接收一个与管脚2在相位上相差90o的方波号，（参见管脚2的说明）。

管脚4：

减计数脉冲输出。

（-CPo）此管脚常态为高电平，当有输出时，为一个与振荡器中X高电平等宽的负脉冲，此管脚应接双时钟可逆计数器的减计数时钟端。

管脚5：

加计数脉冲输出。

（+CPo）（参见脚4说明）此管脚应接双时钟可逆计数器的加计数时钟端。

管脚6：

负号输出端（MSo）可指示光栅尺与设定零位的相对位置，在片选时可由Msi予置，此时MSo与Msi同电平。

0o如超前90o则当全“0”信号输入后，此端为低，90o如超前0o则当全“0”信号输入后，此端为高，此端可直接驱动LED。

管脚7：

全“0”信号输入端。

（AZi）此管脚接收可逆计数器传送过来的一个正脉冲信号，（宽度≥1个主频周期），它的输入使本来－CPo有输出，变成＋CPo有输出。

管脚8：

负号输入端。

（MSi）

可逆计数器所显示数不为“0”的情况下，表1成立。

此端在片选选中时起作用。

管脚10：

清零输入。

（/CE）清除报错信号，并使ABS功能处于A模式，此端在片选时起作用，低电平有效。

管脚11：

片选输入（/CS）使用电路可以用于多坐标数显表，低电平选中，/CE、/ABSC及Msi才起作用。

管脚12：

绝对零位模式选择。

（/ABSC）本脚需要输入一个负脉冲。

片选并清零后，本脚输入负脉冲的个数决定ABS的三个模式：

输入0个脉冲，A模式，绝对零（ABSZ）输入不起作用；

输入奇数个脉冲，B模式，绝对零（ABSZ）输入后CPo才有输出；

输入偶数个脉冲，C模式，绝对零（ABSZ）输入后CPo停止输出。

管脚13：

绝对零输入。

（ABSZ）本脚需要输入一个正脉冲。

由光栅尺或0204电路给出，如果一个光栅尺有若干个绝对零位输出，则只有第一个起作用（参见管脚12）。

管脚14：

绝对零位标志。

（FABS）A模式时，FABS=1；B模式时，FABS=0；C模式时，FABS为一串脉冲，（与XO同频同相）

管脚15：

速度报警输出。

（WARN）设本电路主频（X2）为Fx,当0o（90o）的输入频率Fi﹤1/8Fx时，WARN=“0”,当1/8Fx≤Fi﹤1/6Fx时,WARN有正脉冲出现，宽度与0o输入的方波相同。

当Fi降到1/8Fx以下后，此端自动恢复为“0”，当Fi≥1/6Fx时，WARN=“1”，此“1”电平只有当片选选中且完成清零（即/CS=0且/CE=0）后才能恢复为“0”电平。

振荡器（X1）与X0、X2构成振荡器。

管脚17：

振荡器O。

（X2）与X0、X2构成振荡器。

也可用作主频输出。