基于ATmega16的數(shù)字光柵位移測量系統(tǒng)

周 洋，齊樹毅，丁進軍

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

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，工業(yè)操作中對位移測量的精度要求越來越高。在迅速發(fā)展的計算機技術和大規(guī)模集成電路技術的推動下，位移檢測設備也發(fā)生了巨大的改變。在此背景下，光柵尺測量系統(tǒng)應運而生。光柵尺，屬光電傳感器，多運用在精密機加工和數(shù)控機床上，用來精密測量物體的位移，是現(xiàn)代測量領域中廣泛應用的一種傳感器。光柵尺測量系統(tǒng)以高精度、高穩(wěn)定性、大量程、可實現(xiàn)動態(tài)檢測等優(yōu)點在當今測量系統(tǒng)中占有明顯的優(yōu)勢，并成為我國工業(yè)現(xiàn)代化重點推廣的技術。

文中基于AVR單片機設計了一套數(shù)字光柵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)使用ATMEL公司的ATmega16L單片機作為核心的微控制器來控制各個功能模塊。主要功能模塊有定時器模塊、串口數(shù)據(jù)接口模塊。光柵尺每脈沖當量為4 μm，要求其分辨率為1 μm。單片機對光柵尺傳感器輸出信號進行采集，光柵位移細分，數(shù)據(jù)處理。位移量通過光柵的透射轉換成莫爾條紋的運動，然后經(jīng)光電轉換成脈沖信號輸出，這樣，我們只要記錄脈沖信號的數(shù)目，以及位移停止時的最后一個狀態(tài)，就可以計算出位移量的大小，達到了1 μm的分辨率。

1 器件說明

1.1 ATmega16單片機

ATmega16是ATMEL公司的生產(chǎn)的性價比比較高的單片機。ATmega16有如下特點：16 k字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1 k字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程，3個具有比較模式的靈活的定時器計數(shù)器（T/C），片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，1個SPI串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉換時的開關噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，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，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作[1]。

1.2 雙D觸發(fā)器74HC74

該器件內含兩個獨立的D觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）、復位輸入（、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、），和的低電平使輸出預置或清除，而與輸入端的電平無關，當和均無效（高電平）時，符合建立時間要求的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（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應用于機床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。光柵尺輸出引腳信號如表1所示。

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

A，B信號為輸出脈沖，每隔4 μm變化；Z信號為校準脈沖，每隔50 mm輸出一個脈沖。

2 系統(tǒng)設計

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、校準脈沖和補償脈沖。

1）刻度脈沖：利用單片機的定時器比較匹配中斷功能可以檢測刻度脈沖，設置定時器的比較值為1，即來了一次上升沿脈沖后進入匹配中斷進行判別[3]。在中斷子程序里面首先置寄存器初始值，然后通過D觸發(fā)器送來的方向完成對刻度位移加減的計算。可以選擇A或者B信號作為脈沖計數(shù)源。

2）校準脈沖：光柵尺每隔一段位移有一個校準信號Z，可通過外部中斷接入，在外部中斷子程序里面完成對校準位移的計算和刻度脈沖的清零[4]。

3）補償脈沖：由于AB信號一共有4個狀態(tài)，通過讀取2個刻度脈沖的狀態(tài)并比較狀態(tài)值可以得出位移補償。光柵尺的位移為刻度位移、校準位移和和補償位移之和。

上位機可通過串口實現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)，清零設置，存儲當前值等功能。

系統(tǒng)結構如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)設計Fig.1 System design

2.1 光柵尺位移方向的獲取

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

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

用A信號連接D觸發(fā)器的CP端，B信號連接D觸發(fā)器的D端，當正向移動時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 光柵尺位移的計算原理

根據(jù)光柵尺讀數(shù)原理，刻度脈沖為一個固定的位移[5]。這里為4 μm，即每次來一個正向脈沖，刻度位移增加4 μm，反方向運動時，刻度位移每次減小4 μm。所以在刻度位移計算的子程序中通過判斷位移的方向可以獲取相應的刻度位移。.校準刻度的計算也需要判斷當前位移方向，當光柵尺正向移動時校準脈沖變量加一，反之減一?？紤]零點是隨時改變的，故第一個校準點處的刻度值需要用來做標定。 光柵尺位移為刻度位移和校準位移之和。

設置校準位移變量為tNUM，刻度位移變量為sNUM，正向第一個點處標定值為move_data00，反向第一個點處標定值為move_data01。通過分析光柵尺位移的狀態(tài)我們知道，總共有4種位移計算情況，如表2所示。

2.3 補償位移

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

3 軟件設計

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[6]。位移信息通過中斷程序即可獲取，如串口需要獲取數(shù)據(jù)，還需要進入位移補償子程序對位移進行補償，最后經(jīng)過十進制轉換后發(fā)給上位機。

表2 光柵尺位移計算Tab.2 Grating ruler displacement calculation

3.2 定時器中斷子程序

3.3 外部中斷子程序

4 實際電路的改進

由于實際工業(yè)環(huán)境中，脈沖干擾很擾很大，導致位移測量有一定的誤差。D觸發(fā)器也有一定的延時。為了改進測量性能，可以加入光耦隔離電路或濾波電路。改進后的電路如圖4所示。

圖4 改進的電路框圖Fig.4 Improved block diagram

5 結束語

文中基于M16設計了一個光柵尺位移測量系統(tǒng)，可以接受上位機信息控制讀取光柵尺位移信息，在工業(yè)測量控制中有一定的使用價值。

[1]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

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

[3]李長林.AVR單片機應用設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]吳健.AVR單片機實用C語言程序設計與典型實例[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5]葉盛祥.光電位移精密測量技術[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.