高精度光柵信號采集卡的設計

董珊珊+徐揚+湯捷

【摘 要】 設計了一款高精度光柵信號采集卡，以光柵尺輸出正交方波信號為基礎，采用細分與誤差修正相結合方式對光柵尺輸出信號進行處理，提高光柵測量系統(tǒng)的精度。用CPLD實現(xiàn)光柵信號四細分、辯向、可逆計數(shù)，用單片機讀取光柵細分計數(shù)值，并對其進行誤差修正。通過實驗驗證與對比，光柵測量系統(tǒng)的分辨率可達到1μm，經(jīng)誤差修正后的系統(tǒng)精度有顯著提高。

【關鍵詞】 光柵尺 信號處理 誤差修正

1 引言

光柵尺作為直線測量的精密儀器，由于其具有性能穩(wěn)定、高精度、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用在數(shù)控機床、機械加工等領域。隨著精密加工和微定位技術的發(fā)展，對光柵尺測量精度的要求也越來越高[1]。本文在光柵尺輸出正交方波信號的基礎上，設計了高精度光柵信號采集與誤差修正系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CPLD完成光柵信號的四細分、辯向、可逆計數(shù)，在單片機中用三次樣條插值算法對光柵細分計數(shù)值進行誤差修正，經(jīng)誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度有很大提高。

2 光柵信號采集系統(tǒng)

圖1所示為光柵信號采集系統(tǒng)總體框圖。本系統(tǒng)由USB供電，輸出電壓+5V，給光柵尺、CPLD及單片機供電。光柵尺輸出兩路相位差為90的方波信號A、B，輸出信號分辨率為4μm；CPLD芯片對兩路正交信號進行四細分、辯向、計數(shù)等處理；單片機LPC11U14是整個系統(tǒng)的核心，控制協(xié)調整個系統(tǒng)正常工作，負責向CPLD傳輸控制信號，并從其讀取光柵細分計數(shù)值，用誤差修正算法對光柵計數(shù)值進行誤差修正，將修正后的光柵位移值通過USB傳給上位機顯示。

3 光柵信號處理

（1）光柵細分、辯向原理。光柵尺運動時，在一個周期內，A、B兩路信號的電平在同一時刻共有四種狀態(tài)：10、11、01和00，基于此原理對光柵信號進行四細分。光柵尺正向運動但在某個時刻反向時，A、B兩信號的狀態(tài)轉換為：10→11→01→00→10→11→11→10→00→01，從兩信號狀態(tài)轉換順序可知在11狀態(tài)時，光柵尺發(fā)生變向。從光柵尺發(fā)生變向時兩信號狀態(tài)轉換順序可看出，光柵尺正向運動時，A的狀態(tài)總和前一時刻的B狀態(tài)不同；當光柵在11狀態(tài)發(fā)生變向即反向運動時，A的狀態(tài)總和前一時刻的B狀態(tài)相同，根據(jù)光柵尺運動此特點，可實現(xiàn)對光柵運動方向的判斷[2]。（2）光柵信號處理電路。本文采用CPLD器件EPM570T144C5來完成光柵信號細分、辨向和計數(shù)，CPLD邏輯設計模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。光柵輸出正交信號A、B分別接在CPLD的兩個管腳，EPM570T144C5外部時鐘為100MHz，四細分與辯向模塊完成光柵信號的四細分和方向判斷，“Pulse”為四細分后的脈沖，“ud”為高或低電平代表光柵運動方向，計數(shù)模塊檢測到“Pulse”脈沖并根據(jù)“ud”判斷計數(shù)值加一或減一，單片機向CPLD發(fā)送控制信號，通過多路復用模塊讀取24位光柵細分計數(shù)值。

4 誤差修正

隨著精密加工技術的發(fā)展，對加工和測量系統(tǒng)定位精度的要求也在不斷提高，光柵尺作為位移測量重要儀器，在實際測量中，由于光柵本身制造誤差及外界環(huán)境的干擾，測量值的精度受到很大影響，為了減小這些誤差對測量值的影響，本文采用實時誤差分離技術對光柵測量誤差進行修正[3]。將有限個采樣離散點（，）存入計算機，用三次樣條插值法擬合相鄰采樣點的誤差曲線，整個擬合曲線是一個由分段三次多項式組成的連續(xù)函數(shù)，曲線過每個節(jié)點且在節(jié)點處連續(xù)光滑。采樣點（，）中橫軸為光柵尺測量位移值，縱軸為實際位移值。

采用三次樣條插值進行誤差修正軟件流程如圖3所示，首先是單片機系統(tǒng)初始化，然后讀取采樣離散值（，），判斷插值點落在哪兩個相鄰節(jié)點之間，然后在這兩點之間擬合曲線，求出插值點的修正值并在上位機顯示。

5 實驗驗證

為了驗證誤差修正效果，本文使用德國SIOS激光干涉儀與光柵尺進行比對，實驗中光柵尺測量值為，干涉儀測量值近似為。四細分后光柵計數(shù)分辨率為1μm，光柵有效行距為-50000μm ～+50000μm，將光柵尺最大距離分成11等分，當光柵尺移動10000μm時，用干涉儀在光柵對應位置進行測量，并記錄干涉儀數(shù)據(jù)。

移動光柵尺到任意位置，并用干涉儀記錄該值，對該插值點進行誤差修正后的數(shù)值與干涉儀記錄值進行比較，得到修正值誤差曲線。對比實驗誤差和修正后誤差可以看出，經(jīng)過誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度有顯著提高。

6 結語

本文針對輸出分辨率為4μm的光柵尺，設計一款高精度光柵數(shù)據(jù)采集卡，對光柵信號進行四細分與誤差修正，使光柵測量分辨率提高到1μm，經(jīng)誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度大大提高。

參考文獻：

[1]陳智超.基于雙光柵尺的高速高精度跨尺度位移測量方法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[2]劉春燕.基于USB的光柵傳感器接口卡的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[3]龔蓬.動態(tài)測量誤差修正灰色建模理論與應用技術研究[D].合肥工業(yè)大學，2000.endprint

【摘 要】 設計了一款高精度光柵信號采集卡，以光柵尺輸出正交方波信號為基礎，采用細分與誤差修正相結合方式對光柵尺輸出信號進行處理，提高光柵測量系統(tǒng)的精度。用CPLD實現(xiàn)光柵信號四細分、辯向、可逆計數(shù)，用單片機讀取光柵細分計數(shù)值，并對其進行誤差修正。通過實驗驗證與對比，光柵測量系統(tǒng)的分辨率可達到1μm，經(jīng)誤差修正后的系統(tǒng)精度有顯著提高。

【關鍵詞】 光柵尺 信號處理 誤差修正

1 引言

光柵尺作為直線測量的精密儀器，由于其具有性能穩(wěn)定、高精度、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用在數(shù)控機床、機械加工等領域。隨著精密加工和微定位技術的發(fā)展，對光柵尺測量精度的要求也越來越高[1]。本文在光柵尺輸出正交方波信號的基礎上，設計了高精度光柵信號采集與誤差修正系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CPLD完成光柵信號的四細分、辯向、可逆計數(shù)，在單片機中用三次樣條插值算法對光柵細分計數(shù)值進行誤差修正，經(jīng)誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度有很大提高。

2 光柵信號采集系統(tǒng)

圖1所示為光柵信號采集系統(tǒng)總體框圖。本系統(tǒng)由USB供電，輸出電壓+5V，給光柵尺、CPLD及單片機供電。光柵尺輸出兩路相位差為90的方波信號A、B，輸出信號分辨率為4μm；CPLD芯片對兩路正交信號進行四細分、辯向、計數(shù)等處理；單片機LPC11U14是整個系統(tǒng)的核心，控制協(xié)調整個系統(tǒng)正常工作，負責向CPLD傳輸控制信號，并從其讀取光柵細分計數(shù)值，用誤差修正算法對光柵計數(shù)值進行誤差修正，將修正后的光柵位移值通過USB傳給上位機顯示。

3 光柵信號處理

（1）光柵細分、辯向原理。光柵尺運動時，在一個周期內，A、B兩路信號的電平在同一時刻共有四種狀態(tài)：10、11、01和00，基于此原理對光柵信號進行四細分。光柵尺正向運動但在某個時刻反向時，A、B兩信號的狀態(tài)轉換為：10→11→01→00→10→11→11→10→00→01，從兩信號狀態(tài)轉換順序可知在11狀態(tài)時，光柵尺發(fā)生變向。從光柵尺發(fā)生變向時兩信號狀態(tài)轉換順序可看出，光柵尺正向運動時，A的狀態(tài)總和前一時刻的B狀態(tài)不同；當光柵在11狀態(tài)發(fā)生變向即反向運動時，A的狀態(tài)總和前一時刻的B狀態(tài)相同，根據(jù)光柵尺運動此特點，可實現(xiàn)對光柵運動方向的判斷[2]。（2）光柵信號處理電路。本文采用CPLD器件EPM570T144C5來完成光柵信號細分、辨向和計數(shù)，CPLD邏輯設計模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。光柵輸出正交信號A、B分別接在CPLD的兩個管腳，EPM570T144C5外部時鐘為100MHz，四細分與辯向模塊完成光柵信號的四細分和方向判斷，“Pulse”為四細分后的脈沖，“ud”為高或低電平代表光柵運動方向，計數(shù)模塊檢測到“Pulse”脈沖并根據(jù)“ud”判斷計數(shù)值加一或減一，單片機向CPLD發(fā)送控制信號，通過多路復用模塊讀取24位光柵細分計數(shù)值。

4 誤差修正

隨著精密加工技術的發(fā)展，對加工和測量系統(tǒng)定位精度的要求也在不斷提高，光柵尺作為位移測量重要儀器，在實際測量中，由于光柵本身制造誤差及外界環(huán)境的干擾，測量值的精度受到很大影響，為了減小這些誤差對測量值的影響，本文采用實時誤差分離技術對光柵測量誤差進行修正[3]。將有限個采樣離散點（，）存入計算機，用三次樣條插值法擬合相鄰采樣點的誤差曲線，整個擬合曲線是一個由分段三次多項式組成的連續(xù)函數(shù)，曲線過每個節(jié)點且在節(jié)點處連續(xù)光滑。采樣點（，）中橫軸為光柵尺測量位移值，縱軸為實際位移值。

采用三次樣條插值進行誤差修正軟件流程如圖3所示，首先是單片機系統(tǒng)初始化，然后讀取采樣離散值（，），判斷插值點落在哪兩個相鄰節(jié)點之間，然后在這兩點之間擬合曲線，求出插值點的修正值并在上位機顯示。

5 實驗驗證

為了驗證誤差修正效果，本文使用德國SIOS激光干涉儀與光柵尺進行比對，實驗中光柵尺測量值為，干涉儀測量值近似為。四細分后光柵計數(shù)分辨率為1μm，光柵有效行距為-50000μm ～+50000μm，將光柵尺最大距離分成11等分，當光柵尺移動10000μm時，用干涉儀在光柵對應位置進行測量，并記錄干涉儀數(shù)據(jù)。

移動光柵尺到任意位置，并用干涉儀記錄該值，對該插值點進行誤差修正后的數(shù)值與干涉儀記錄值進行比較，得到修正值誤差曲線。對比實驗誤差和修正后誤差可以看出，經(jīng)過誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度有顯著提高。

6 結語

本文針對輸出分辨率為4μm的光柵尺，設計一款高精度光柵數(shù)據(jù)采集卡，對光柵信號進行四細分與誤差修正，使光柵測量分辨率提高到1μm，經(jīng)誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度大大提高。

參考文獻：

[1]陳智超.基于雙光柵尺的高速高精度跨尺度位移測量方法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[2]劉春燕.基于USB的光柵傳感器接口卡的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[3]龔蓬.動態(tài)測量誤差修正灰色建模理論與應用技術研究[D].合肥工業(yè)大學，2000.endprint

【摘 要】 設計了一款高精度光柵信號采集卡，以光柵尺輸出正交方波信號為基礎，采用細分與誤差修正相結合方式對光柵尺輸出信號進行處理，提高光柵測量系統(tǒng)的精度。用CPLD實現(xiàn)光柵信號四細分、辯向、可逆計數(shù)，用單片機讀取光柵細分計數(shù)值，并對其進行誤差修正。通過實驗驗證與對比，光柵測量系統(tǒng)的分辨率可達到1μm，經(jīng)誤差修正后的系統(tǒng)精度有顯著提高。

【關鍵詞】 光柵尺 信號處理 誤差修正

1 引言

光柵尺作為直線測量的精密儀器，由于其具有性能穩(wěn)定、高精度、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用在數(shù)控機床、機械加工等領域。隨著精密加工和微定位技術的發(fā)展，對光柵尺測量精度的要求也越來越高[1]。本文在光柵尺輸出正交方波信號的基礎上，設計了高精度光柵信號采集與誤差修正系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CPLD完成光柵信號的四細分、辯向、可逆計數(shù)，在單片機中用三次樣條插值算法對光柵細分計數(shù)值進行誤差修正，經(jīng)誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度有很大提高。

2 光柵信號采集系統(tǒng)

圖1所示為光柵信號采集系統(tǒng)總體框圖。本系統(tǒng)由USB供電，輸出電壓+5V，給光柵尺、CPLD及單片機供電。光柵尺輸出兩路相位差為90的方波信號A、B，輸出信號分辨率為4μm；CPLD芯片對兩路正交信號進行四細分、辯向、計數(shù)等處理；單片機LPC11U14是整個系統(tǒng)的核心，控制協(xié)調整個系統(tǒng)正常工作，負責向CPLD傳輸控制信號，并從其讀取光柵細分計數(shù)值，用誤差修正算法對光柵計數(shù)值進行誤差修正，將修正后的光柵位移值通過USB傳給上位機顯示。

3 光柵信號處理

（1）光柵細分、辯向原理。光柵尺運動時，在一個周期內，A、B兩路信號的電平在同一時刻共有四種狀態(tài)：10、11、01和00，基于此原理對光柵信號進行四細分。光柵尺正向運動但在某個時刻反向時，A、B兩信號的狀態(tài)轉換為：10→11→01→00→10→11→11→10→00→01，從兩信號狀態(tài)轉換順序可知在11狀態(tài)時，光柵尺發(fā)生變向。從光柵尺發(fā)生變向時兩信號狀態(tài)轉換順序可看出，光柵尺正向運動時，A的狀態(tài)總和前一時刻的B狀態(tài)不同；當光柵在11狀態(tài)發(fā)生變向即反向運動時，A的狀態(tài)總和前一時刻的B狀態(tài)相同，根據(jù)光柵尺運動此特點，可實現(xiàn)對光柵運動方向的判斷[2]。（2）光柵信號處理電路。本文采用CPLD器件EPM570T144C5來完成光柵信號細分、辨向和計數(shù)，CPLD邏輯設計模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。光柵輸出正交信號A、B分別接在CPLD的兩個管腳，EPM570T144C5外部時鐘為100MHz，四細分與辯向模塊完成光柵信號的四細分和方向判斷，“Pulse”為四細分后的脈沖，“ud”為高或低電平代表光柵運動方向，計數(shù)模塊檢測到“Pulse”脈沖并根據(jù)“ud”判斷計數(shù)值加一或減一，單片機向CPLD發(fā)送控制信號，通過多路復用模塊讀取24位光柵細分計數(shù)值。

4 誤差修正

隨著精密加工技術的發(fā)展，對加工和測量系統(tǒng)定位精度的要求也在不斷提高，光柵尺作為位移測量重要儀器，在實際測量中，由于光柵本身制造誤差及外界環(huán)境的干擾，測量值的精度受到很大影響，為了減小這些誤差對測量值的影響，本文采用實時誤差分離技術對光柵測量誤差進行修正[3]。將有限個采樣離散點（，）存入計算機，用三次樣條插值法擬合相鄰采樣點的誤差曲線，整個擬合曲線是一個由分段三次多項式組成的連續(xù)函數(shù)，曲線過每個節(jié)點且在節(jié)點處連續(xù)光滑。采樣點（，）中橫軸為光柵尺測量位移值，縱軸為實際位移值。

采用三次樣條插值進行誤差修正軟件流程如圖3所示，首先是單片機系統(tǒng)初始化，然后讀取采樣離散值（，），判斷插值點落在哪兩個相鄰節(jié)點之間，然后在這兩點之間擬合曲線，求出插值點的修正值并在上位機顯示。

5 實驗驗證

為了驗證誤差修正效果，本文使用德國SIOS激光干涉儀與光柵尺進行比對，實驗中光柵尺測量值為，干涉儀測量值近似為。四細分后光柵計數(shù)分辨率為1μm，光柵有效行距為-50000μm ～+50000μm，將光柵尺最大距離分成11等分，當光柵尺移動10000μm時，用干涉儀在光柵對應位置進行測量，并記錄干涉儀數(shù)據(jù)。

移動光柵尺到任意位置，并用干涉儀記錄該值，對該插值點進行誤差修正后的數(shù)值與干涉儀記錄值進行比較，得到修正值誤差曲線。對比實驗誤差和修正后誤差可以看出，經(jīng)過誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度有顯著提高。

6 結語

本文針對輸出分辨率為4μm的光柵尺，設計一款高精度光柵數(shù)據(jù)采集卡，對光柵信號進行四細分與誤差修正，使光柵測量分辨率提高到1μm，經(jīng)誤差修正后的光柵測量系統(tǒng)精度大大提高。

參考文獻：

[1]陳智超.基于雙光柵尺的高速高精度跨尺度位移測量方法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[2]劉春燕.基于USB的光柵傳感器接口卡的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[3]龔蓬.動態(tài)測量誤差修正灰色建模理論與應用技術研究[D].合肥工業(yè)大學，2000.endprint