基于STM32微處理器的光柵信號(hào)處理方法的研究

姜禮杰，王勇，徐健，劉建華

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥290003)

三維移動(dòng)平臺(tái)是一種集光、電、機(jī)等多技術(shù)領(lǐng)域于一體的運(yùn)動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、先進(jìn)制造、工業(yè)檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域［1－2］。傳統(tǒng)的三維移動(dòng)平臺(tái)常采用開(kāi)環(huán)控制方式，根據(jù)控制器所發(fā)信息來(lái)控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，信息流是單向［3］。隨著定位精度要求的提高，這種控制方式已不能滿足人們?cè)鲩L(zhǎng)的精密需求［4－6］。越來(lái)越多的平臺(tái)開(kāi)始使用光柵尺進(jìn)行位置和速度的檢測(cè)，以構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式，從而取代開(kāi)環(huán)控制方式［7］。這種方式主控制器需要對(duì)光柵尺輸出信號(hào)進(jìn)行濾波、鑒向、細(xì)分和計(jì)數(shù)等處理。這些處理可以由數(shù)字集成電路來(lái)完成，但這種設(shè)計(jì)方法所需芯片多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差［8－9］。也可以通過(guò)專(zhuān)用芯片 (如CPLD、FPGA等)和一些外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法編程復(fù)雜，增加功耗，實(shí)時(shí)性差［10］。

傳統(tǒng)的8位或16位的單片機(jī)也很難滿足這種大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜算法控制方式的實(shí)時(shí)性要求，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，32位單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能儀器、家電產(chǎn)品等領(lǐng)域［11－12］。文中探索了一種以STM32微處理器做主控制器的光柵尺信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)了外部信號(hào)直接與微處理器連接，不需要其他外部邏輯接口，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，并提高實(shí)時(shí)性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法具有編程簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 微處理器處理光柵尺信號(hào)的問(wèn)題

利用STM32微處理器進(jìn)行光柵信號(hào)處理雖簡(jiǎn)單方便、實(shí)時(shí)性好，但也存在以下一些問(wèn)題，限制這種使用范圍。

(1)一般光柵尺的信號(hào)輸出正弦信號(hào)或者脈沖信號(hào)，均屬于弱電信號(hào)。由于現(xiàn)場(chǎng)的電磁、噪聲、振動(dòng)等干擾因素，使光柵信號(hào)帶有一些毛刺或抖動(dòng)，會(huì)造成計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，甚至無(wú)法計(jì)數(shù)的現(xiàn)象。也就無(wú)法實(shí)時(shí)地將工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況反饋給控制器，因此需要對(duì)光柵尺的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

(2)光柵信號(hào)選擇有效端口接入微處理器，微處理器設(shè)置在編碼器模式下，根據(jù)輸入有效邊沿和兩路信號(hào)的相對(duì)電平，進(jìn)行向上或者向下計(jì)數(shù)。但是，微處理器的計(jì)數(shù)器位數(shù)是16位，計(jì)數(shù)只能在0～65 535范圍內(nèi)進(jìn)行，最大計(jì)數(shù)值65 535，低于0或超過(guò)65 553會(huì)產(chǎn)生溢出。計(jì)數(shù)向上產(chǎn)生溢出，計(jì)數(shù)器會(huì)接著向下計(jì)數(shù);如圖1所示，假如工作臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)，計(jì)數(shù)器計(jì)在點(diǎn)B到最大值65 535后，繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)C，則此時(shí)計(jì)數(shù)器值可能變成60 000;當(dāng)向下計(jì)數(shù)到0溢出后，會(huì)接著向上計(jì)數(shù)，這時(shí)候直接讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)值當(dāng)做工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位移量是不準(zhǔn)確的。

圖1 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)圖

(3)微處理器的計(jì)數(shù)器在編碼器模式下，依據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)的跳變順序，硬件實(shí)時(shí)地對(duì)控制寄存器中的DIR位進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。一般可以通過(guò)采取讀出DIR位的值，判斷工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向。這種方法雖能確定工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向，但不能確定工作臺(tái)所處在機(jī)械原點(diǎn)的那個(gè)方向。如圖1所示，假設(shè)點(diǎn)O為機(jī)械原點(diǎn)，OA與OB是等距離的。開(kāi)始時(shí)，工作臺(tái)處在機(jī)械原點(diǎn)，向右運(yùn)動(dòng)至點(diǎn) A，計(jì)數(shù)值為50 000，DIR的值為1;然后向左運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)C，計(jì)數(shù)器值為55 000，DIR的值為0;接著向右運(yùn)動(dòng)，至點(diǎn)B，則計(jì)數(shù)器的值也為50 000，DIR值也為1;此時(shí)，處在A、B兩點(diǎn)的計(jì)時(shí)器值和DIR的值都是相同的，主控制器則無(wú)法辨別工作臺(tái)到底是運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)A還是點(diǎn)B。

2 光柵尺和微處理器的工作原理及其應(yīng)用

2.1 光柵尺工作原理

光柵尺是一種集光、機(jī)、電為一體的高性能數(shù)字化位置測(cè)量工具。它主要由標(biāo)尺光柵和指示光柵兩部分組成，二者發(fā)生移動(dòng)時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋。光電器件將明暗相間的摩爾條紋，通過(guò)光電轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過(guò)放大器放大和整形電路整形后，得到兩路相位差為90°的正弦波。后續(xù)電路對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行濾波、插值等處理輸出脈沖信號(hào)。然后經(jīng)信號(hào)處理裝置的整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測(cè)位移成比例的脈沖信號(hào)。

2.2 微處理器的鑒向、計(jì)數(shù)原理

該模塊所選用的STM32是一款32位基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。它的定時(shí)器主要由一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和相關(guān)自動(dòng)裝載寄存器組成，由可編程的預(yù)分頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這個(gè)計(jì)數(shù)器可選擇編碼器模式進(jìn)行向上/向下計(jì)數(shù)，如圖2所示。在編碼器模式下，將信號(hào)輸入微處理器的有效端口，根據(jù)輸入信號(hào)的跳變順序，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖和方向信號(hào)。當(dāng)有邊沿跳變產(chǎn)生時(shí)，硬件對(duì)定時(shí)器的控制寄存器TIMx_CR1的DIR位進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，DIR位會(huì)被置為0或1。當(dāng)DIR位為0時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)向上計(jì)數(shù)，直至自動(dòng)重裝值－1，產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事件，接著向下計(jì)數(shù)，至0，則產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器下溢事件，接著向上計(jì)數(shù);而當(dāng)DIR位為1時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)情況類(lèi)似。只要有邊沿跳變產(chǎn)生，就會(huì)重新計(jì)算DIR位，通過(guò)讀取DIR位的數(shù)值來(lái)判斷機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)定時(shí)器被設(shè)置在編碼器模式下，計(jì)數(shù)器的內(nèi)容是依照光柵尺運(yùn)動(dòng)速度和方向而被實(shí)時(shí)地自動(dòng)修改。

圖2 定時(shí)器在編碼器模式下計(jì)數(shù)方式

2.3 光柵尺在三維移動(dòng)平臺(tái)上的應(yīng)用

三維移動(dòng)平臺(tái)要求定位精度高，使用光柵尺作為位置檢測(cè)器件進(jìn)行反饋。主控制器根據(jù)計(jì)數(shù)器采集到的光柵尺脈沖邊沿個(gè)數(shù)計(jì)算工作臺(tái)的實(shí)際位移量，以消除系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈誤差，減小系統(tǒng)的慣性，提高定位精度。三維移動(dòng)平臺(tái)三軸的行程分別為150，150和50 mm，根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的定位精度要求，為每個(gè)軸分別選配了分辨率為:0.5、0.5和0.1 μm的光柵尺。每個(gè)軸所選絲杠的導(dǎo)程均為5 mm/r。經(jīng)計(jì)算，一個(gè)導(dǎo)程光柵尺理論產(chǎn)生脈沖的邊沿?cái)?shù)為10 000、10 000和50 000，而整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程理論上產(chǎn)生的脈沖數(shù)邊沿?cái)?shù)分別是280 000、280 000和50 000。這些值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)微處理器中計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算平臺(tái)移動(dòng)位移量，不滿足光柵尺作為位置檢測(cè)元件的要求。

3 信號(hào)處理問(wèn)題的解決

3.1 信號(hào)濾波問(wèn)題的處理

光柵尺信號(hào)因現(xiàn)場(chǎng)的電磁、噪聲、振動(dòng)等影響，可能會(huì)使TTL信號(hào)帶有一些毛刺或抖動(dòng)，造成計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)。根據(jù)信號(hào)的波形質(zhì)量，可選擇通過(guò)軟件設(shè)置數(shù)字濾波器的帶寬的方式，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。數(shù)字濾波器就是由一個(gè)事件計(jì)數(shù)器組成，它記錄到N個(gè)事件后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出的跳變。例如一個(gè)脈沖波形對(duì)高電平進(jìn)行判斷，在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行若干次檢測(cè)，這若干次中至少N次都為真則為真，產(chǎn)生一個(gè)跳變，否則認(rèn)為為假，不產(chǎn)生跳變?？梢赃@樣配置輸入濾波器對(duì)輸入波形信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波器的濾波效果如圖3所示。

圖3 濾波器濾波效果圖

3.2 計(jì)數(shù)器的擴(kuò)展與分辨位置問(wèn)題的解決

采用定時(shí)查取計(jì)數(shù)器數(shù)值的方法，通過(guò)軟件編程使計(jì)數(shù)器擴(kuò)展到32位，是一種簡(jiǎn)單有效的方法。采用定時(shí)查取方式進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)際測(cè)量需要設(shè)定查詢周期。假定每10 ms查詢一次，設(shè)S為光柵尺移動(dòng)的實(shí)際位移量，a為計(jì)數(shù)器的實(shí)時(shí)值。每隔10 ms對(duì)計(jì)數(shù)器里的值進(jìn)行一次查詢，將計(jì)數(shù)器的值賦予a并清零，同時(shí)查詢控制寄存器的DIR的值。假如DIR=0時(shí)，S的值將變?yōu)镾加a的值，同時(shí)將a的值清零;如果DIR=1時(shí)，S的值將變?yōu)镾減a的值，同時(shí)將a的值清零。顯示器不斷地顯示S的值，S可為正值也可為負(fù)值。假如當(dāng)S的值大于零時(shí)認(rèn)為工作臺(tái)的位置處在機(jī)械原點(diǎn)的右邊，S的值小于零時(shí)認(rèn)為機(jī)床是在機(jī)械原點(diǎn)左邊，S的值為零時(shí)則處于機(jī)械原點(diǎn)。這樣不斷地進(jìn)行定時(shí)查詢直至機(jī)床停止工作。

4 信號(hào)處理方法的實(shí)現(xiàn)

4.1 查詢周期的選擇

主控制器對(duì)計(jì)數(shù)器的值定時(shí)進(jìn)行查取和清零，查取周期的選擇是該方法的一個(gè)關(guān)鍵。查取周期是依據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)最大速度和光柵尺分辨率計(jì)算所得。根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，三軸運(yùn)動(dòng)最大速度為30 mm/min，定位精度控制在0.01 mm以內(nèi)，三軸的光柵尺分辨率依次為0.5、0.5和0.1 μm。經(jīng)計(jì)算得，在每軸上每毫秒所產(chǎn)生的脈沖邊沿?cái)?shù)分別為:1個(gè)、1個(gè)和5個(gè)，對(duì)應(yīng)的位移量均為0.5 μm。若要保證定位精度在0.01 mm以內(nèi)，則在每個(gè)查詢周期的運(yùn)動(dòng)位移不超過(guò)0.01 mm，根據(jù)最大速度計(jì)算，主控制器對(duì)計(jì)數(shù)器的查詢周期要小于20 ms，否則，光柵尺不能有效地發(fā)揮反饋?zhàn)饔?。該平臺(tái)選擇的查詢周期是10 ms。

4.2 軟件的編寫(xiě)

三位移動(dòng)平臺(tái)的的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光柵尺信號(hào)的處理，也是通過(guò)C語(yǔ)言配置微處理器中寄存器完成信號(hào)處理。圖4是計(jì)數(shù)器位數(shù)擴(kuò)展和辨向的主要程序的流程圖。

采用上述設(shè)計(jì)方案對(duì)光柵尺信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)單片機(jī)定量發(fā)出PWM脈沖進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)與發(fā)出個(gè)數(shù)是一致的。另與數(shù)顯表對(duì)比結(jié)果顯示誤差在1/10 000內(nèi)。通過(guò)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，間接地驗(yàn)證了該方法計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。

圖4 計(jì)數(shù)器擴(kuò)展算法部分流程圖

5 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)證，基于STM32微處理器的光柵信號(hào)處理方法簡(jiǎn)單可靠、技術(shù)準(zhǔn)確、靈活性好。滿足三位移動(dòng)平臺(tái)的的定位精度要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的，同時(shí)也為其他數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)提供了參考。

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