基于PCI總線(xiàn)的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉利平，黃 勇，廖紅華

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

在現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，光柵傳感器作為精密測(cè)量的一種工具，已經(jīng)在需要進(jìn)行線(xiàn)位移、角位移測(cè)量的精密儀器、精密加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.然而，在目前通用的基于光柵傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)中，一般采用51系列的單片機(jī)及一些常用的定時(shí)計(jì)數(shù)器(如8253等)作為信號(hào)處理的主要部件、并且在與PC機(jī)的接口中采用ISA總線(xiàn)，這樣的系統(tǒng)一方面存在穩(wěn)定性不好的問(wèn)題；另一方面，在計(jì)算機(jī)ISA總線(xiàn)被淘汰的情況下，無(wú)法完成與計(jì)算機(jī)的接口，影響著系統(tǒng)的深入應(yīng)用[1].為了解決這些問(wèn)題，在充分考慮實(shí)際應(yīng)用的情況下，光柵傳感器的信號(hào)處理電路主要由CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)來(lái)完成[2]，同時(shí)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮當(dāng)系統(tǒng)單獨(dú)使用時(shí)，可以作為數(shù)顯光柵測(cè)長(zhǎng)儀的主板；當(dāng)該系統(tǒng)通過(guò)PCI總線(xiàn)與計(jì)算機(jī)接口時(shí)，可以構(gòu)成一個(gè)完整的光柵位移測(cè)量系統(tǒng).整個(gè)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，可以適用于不同的應(yīng)用需求.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于光柵傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示.該位移測(cè)量系統(tǒng)工作過(guò)程是：光柵傳感器將位移信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后，通過(guò)顯示電路可以直接顯示位移測(cè)量結(jié)果；如果通過(guò)計(jì)算機(jī)的PCI總線(xiàn)將處理后的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，則可以利用計(jì)算機(jī)為終端設(shè)備來(lái)完成數(shù)據(jù)采集后的處理，從而完成測(cè)量任務(wù).

(a)指示光柵正向運(yùn)動(dòng) (b)指示光柵反向運(yùn)動(dòng)

圖3 光柵傳感器信號(hào)處理電路

圖4 數(shù)字濾波電路

圖6 細(xì)分辨向電路仿真波形

2 光柵傳感器測(cè)量原理

光柵可分為物理光柵和計(jì)量光柵，在本系統(tǒng)中采用的是用于位移測(cè)量的計(jì)量光柵，主要是利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行位移測(cè)量.光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副(包含主光柵和指示光柵)、光電元件等構(gòu)成[3].當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在兩光柵的刻線(xiàn)重合與錯(cuò)開(kāi)方向上會(huì)分別形成明暗相間的條紋，當(dāng)指示光柵在水平方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也會(huì)不斷地產(chǎn)生移動(dòng)，若在條紋移動(dòng)的方向上放置光電元件就可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換.光柵尺的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后如圖2(a)和(b)所示.

將光柵尺輸出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，然后辨向，再送入可逆計(jì)數(shù)器.由于光柵傳感器輸出的兩路信號(hào)周期相同，相位差為90°，當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距w，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)間隔，如果能夠把變化的間隔數(shù)測(cè)量出來(lái)，就可以測(cè)出指示光柵與主光柵之間的相對(duì)位移.

3 信號(hào)處理及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在位移測(cè)量系統(tǒng)中，光柵傳感器輸出的信號(hào)是4路相位差為90°的正弦波，這4路正弦波經(jīng)過(guò)細(xì)分辨向電路轉(zhuǎn)換為脈沖波形，波形的疏密就代表了光柵運(yùn)動(dòng)速度的大小.光柵傳感器信號(hào)處理框圖如圖3所示[4].

3.1 數(shù)字濾波電路

大多數(shù)情況下，光柵傳感器輸出的莫爾條紋信號(hào)是緩慢變化的，對(duì)于這類(lèi)信號(hào)的處理比較容易，測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單.而當(dāng)光柵傳感器面對(duì)的是振動(dòng)的被檢測(cè)對(duì)象時(shí)，由于被測(cè)對(duì)象處于迅變的狀態(tài)中，因此變化量比較大，該情況下對(duì)于傳感器的干擾因素自然會(huì)增多，所以對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和處理將非常困難.本系統(tǒng)中，在CPLD器件內(nèi)部設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波電路，并用一個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠部分地防止振動(dòng)信號(hào)帶來(lái)的影響.圖4是數(shù)字濾波電路的電路圖.

數(shù)字濾波電路的仿真波形圖如圖5，在仿真階段要注意各個(gè)信號(hào)的頻率設(shè)置，若頻率設(shè)置不合理，仿真將不會(huì)成功.

3.2 細(xì)分辨向電路

對(duì)光柵傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)分與辨向是提高整個(gè)位移測(cè)量系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，在電路設(shè)計(jì)上是通過(guò)提取兩路方波信號(hào)的邊沿來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)分，在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中要綜合考慮辨向與細(xì)分的復(fù)雜性[5,6].本測(cè)量系統(tǒng)中是先細(xì)分、后辨向，在一定程度上提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度.電路仿真波形如圖6所示.

3.3 可逆計(jì)數(shù)電路

本系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)模塊采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真波形如圖7所示.

圖7 可逆計(jì)數(shù)電路仿真波形

圖8 PCI總線(xiàn)接口電路框圖

表1測(cè)試數(shù)據(jù)

Tab.1 Measuring data

序號(hào)激光干涉儀ML10示值/mm位移測(cè)量系統(tǒng)示值1/mm位移測(cè)量系統(tǒng)示值2/mm位移測(cè)量系統(tǒng)示值3/mm13.00003.00043.00023.000126.00006.00026.00046.000339.00009.00029.00019.0003412.000012.000412.000012.0002515.000015.000115.000515.0003618.000017.999717.999917.9996721.000021.000421.000321.0002824.000024.000324.000224.0007927.000027.000127.000324.00041030.000030.000130.000330.0001

3.4 PCI總線(xiàn)接口電路

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)的PCI總線(xiàn)接口芯片CH365來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI接口，該芯片是一個(gè)連接PCI總線(xiàn)的通用芯片，支持I/O端口映射、存儲(chǔ)器映射、擴(kuò)展ROM以及中斷；可將32位高速PCI總線(xiàn)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)便易用的類(lèi)似于ISA總線(xiàn)的8位主動(dòng)并行接口，用于制作低成本的基于PCI總線(xiàn)的計(jì)算機(jī)板卡.

CH365的存儲(chǔ)空間占用32KB，偏移地址0000H～7FFFH，且可以全部提供給外部設(shè)備使用；CH365的I/O空間占用256B，由于偏移地址F0～FFH是芯片自身的專(zhuān)用寄存器，所以可以提供240B給外部設(shè)備使用[7].由CH365構(gòu)成的接口電路原理如圖8所示，其中I/O擴(kuò)展芯片82C55提供異步數(shù)據(jù)交換，以一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)為單位在CH365和單片機(jī)間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換；CPLD7128給CH365提供地址、譯碼等信號(hào)；CH365的輔助電路主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)本地硬件定址和設(shè)置板卡ID.

由于接口電路的任務(wù)是將可逆計(jì)數(shù)器的輸出值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，同時(shí)接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，因此完成讀寫(xiě)操作是接口電路的基本功能.光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計(jì)完成后，將其安裝到計(jì)算機(jī)的PCI插槽中，開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)操作對(duì)應(yīng)的地址空間，就可以直接訪(fǎng)問(wèn)PCI總線(xiàn)上的信號(hào)處理電路[8].

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用英國(guó)RENISHAW公司的ML10激光干涉儀器進(jìn)行測(cè)試，將光柵傳感器輸出的信號(hào)加載到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取，然后與激光干涉儀的示值進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明：該采集系統(tǒng)的分辨率達(dá)到了0.1 μm；系統(tǒng)精度為±1 μm.測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用可編程器件CPLD7128設(shè)計(jì)的光柵傳感器信號(hào)處理電路，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、功能強(qiáng)、可靠性好、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期和設(shè)計(jì)成本；采用PCI接口芯片CH365將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成PCI卡，使之能夠借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了測(cè)量的智能化水平.由于電路板卡既可以單獨(dú)使用，又可以插在計(jì)算機(jī)PCI插槽上，因此提高了運(yùn)用的靈活性.目前該位移測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用到某坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中.在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的光柵信號(hào)處理技術(shù)有一定的局限性，整個(gè)系統(tǒng)雖然測(cè)量精度較高，但其動(dòng)態(tài)特性難以滿(mǎn)足振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)等高速變化信號(hào)的場(chǎng)景，這將是下一步研究的重點(diǎn).

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