精密光柵微位移檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的研究

段可，王彩霞，牟暢，劉鵬，姜浩

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)華錄·松下電子信息有限公司，大連 116023）

隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)測(cè)量技術(shù)也隨之變強(qiáng)，而作為先進(jìn)測(cè)量技術(shù)之一的光電位移測(cè)量技術(shù)也在不斷地進(jìn)步，光柵編碼器、光柵尺等高精度的測(cè)量?jī)x器也在隨之不斷地開(kāi)發(fā)、完善[1]。而在不同的平臺(tái)中均有對(duì)絕對(duì)式光柵尺與增量式光柵尺相關(guān)性能參數(shù)的對(duì)比研究調(diào)查，那么如何能夠精確無(wú)誤的通過(guò)增量式光柵尺實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式光柵尺的功能，就成了一個(gè)頗具研究?jī)r(jià)值的問(wèn)題[2-3]。

1 光柵尺簡(jiǎn)介

光柵尺由光源、透鏡、光柵（標(biāo)尺光柵和指示光柵）、光敏元件四大部分組成，光柵尺是基于莫爾條紋進(jìn)行工作的。將光柵常數(shù)完全一致的標(biāo)尺光柵和指示光柵疊合在一起，并使兩者的柵線間有一微小夾角，當(dāng)光線照射時(shí)，由于干涉作用在兩光柵的刻線重合處就會(huì)形成亮帶，在兩光柵的刻線錯(cuò)開(kāi)處會(huì)形成暗帶，這種亮帶和暗帶就是明暗相間的莫爾條紋[4]，如圖1所示。

圖1 莫爾條紋

若設(shè)相鄰莫爾條紋的間距是B，則表達(dá)式為：

式中，w為光柵常數(shù)，θ為兩光柵刻線的夾角。

光柵尺即利用光敏元件將莫爾條紋移動(dòng)所產(chǎn)生的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為近似正弦的電信號(hào)輸出[5]，從而間接測(cè)量位移量。

本課題采用了長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限責(zé)任公司的SGC4N型光柵尺，如圖2所示，其為一種典型的增量式光柵尺，該尺體長(zhǎng)度為400mm，柵距為0.02mm，參考標(biāo)記間隔為50mm，全量程任意位置設(shè)置一個(gè)絕對(duì)位置參考點(diǎn)（ABS），對(duì)于這種光柵尺常規(guī)的做法是將上電位置作為每次測(cè)量的相對(duì)零點(diǎn)，每次測(cè)量的位移量均為相對(duì)的，而本課題則利用這種尺體中的參考標(biāo)記來(lái)作為尋零的一個(gè)基準(zhǔn)，從而在增量式光柵尺之上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式光柵尺尋零測(cè)距的功能。

圖2 SGC4N型光柵尺

2 系統(tǒng)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

本課題采用光柵尺接口為傳統(tǒng)的DB9接口，使用了前五個(gè)接頭，分別為：VCC（5V）、GND、A、B、Z，后三路為光柵尺輸出的TTL方波信號(hào)，高電平為5V，低電平為0V。其常規(guī)波形如圖3所示。

在讀數(shù)頭正向移動(dòng)的過(guò)程，A、B兩路輸出的波形中，A波形相位超前B波形90度，而在負(fù)向的移動(dòng)過(guò)程當(dāng)中B波形相位會(huì)超前A波形90度，而這也是本課題中辨向的基礎(chǔ)，讀數(shù)頭每移動(dòng)0.02mm，A、B兩路會(huì)輸出一個(gè)周期的完整方波，作為測(cè)距的基礎(chǔ)。Z波形脈沖則對(duì)應(yīng)著光柵尺中的參考標(biāo)記點(diǎn)，讀數(shù)頭每移動(dòng)到一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，Z路會(huì)輸出一個(gè)脈沖，其脈寬為A波形周期的一半，常規(guī)的該脈沖用于矯正誤差，而本課題則將其作為尋零的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖3 光柵尺三路信號(hào)輸出波形圖

2.2 系統(tǒng)框圖

針對(duì)本課題的需求，設(shè)計(jì)了如圖4所示的一個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)尋零、測(cè)距、辨向以及顯示等功能。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

表1 EP2C5Q208C8芯片資源圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本課題采用的核心處理芯片為Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8的FPGA芯片，其資源豐富，足以滿足需求，且價(jià)格適中，該芯片使用手冊(cè)中的資源表[6]如表1所示。

根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)功能，系統(tǒng)硬件電路主要部分可以根據(jù)功能分為兩個(gè)大模塊，將信號(hào)預(yù)處理的部分作為一個(gè)模塊，即包括輸入信號(hào)處理，尋零以及細(xì)分辨向等主要功能，而將測(cè)距顯示控制集成為另一個(gè)大模塊，其RTL仿真圖，如圖5所示。

圖5 RTL仿真示意圖

3.1 輸入信號(hào)預(yù)處理

光柵尺輸出信號(hào)為T(mén)TL電平，高電平5V、低電平為0V，這里需要做一下特殊的說(shuō)明，由于FPGA為3.3V TTL信號(hào)，而光柵尺輸出為5V，需要做一個(gè)電平轉(zhuǎn)換，將5V TTL轉(zhuǎn)換為3.3V TTL電平，在實(shí)驗(yàn)中，利用了TLP521-N系列的光耦芯片，主要有TL521-1、TL521-2以及TL521-4等等，N代表了該芯片光耦通路的個(gè)數(shù)，原理圖如圖6所示。

圖6 輸入信號(hào)處理電路原理圖

該電路中，D1為發(fā)光二極管，以便觀察輸入信號(hào)是否有誤，R1，R2，R3主要起一個(gè)限流的作用，可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)調(diào)整阻值的大小，需要特殊說(shuō)明的是，本電路輸出波形為原輸入電路的反相波形，因此在后續(xù)FPGA處理信號(hào)時(shí)，需要在輸入的地方額外添加一個(gè)反相器，再進(jìn)行輸入信號(hào)消抖處理。

3.2 尋零模塊

如圖7所示，在本課題采用的光柵尺中設(shè)有7個(gè)參考點(diǎn)，與其相應(yīng)的每個(gè)參考點(diǎn)上在Z路波形中會(huì)有一個(gè)脈沖，其脈寬為尺頭移動(dòng)一個(gè)柵距的時(shí)間，即假設(shè)尺頭在某電機(jī)的作用下做勻速運(yùn)動(dòng)速度為v，則：

其中，τ就是脈沖的脈寬，d則是光柵尺所采用的莫爾條紋的柵距，也就是說(shuō)，在人為移動(dòng)尺頭的情況下，如果在經(jīng)過(guò)該參考點(diǎn)位時(shí)，尺頭沒(méi)有移動(dòng)一個(gè)完整的柵距，則Z信號(hào)會(huì)在高電平停留。因此在后續(xù)的處理當(dāng)中以處理上升沿為核心算法，以避免人為操作過(guò)程中的各種偶然因素。而對(duì)于邊沿的處理采用了Verilog中提取邊沿的經(jīng)典算法——布爾運(yùn)算[7]，其運(yùn)算過(guò)程如表2所示。

圖7 相對(duì)式光柵尺參考零點(diǎn)示意圖

表2 布爾運(yùn)算真值表

上表中信號(hào)ZL2H運(yùn)算公式為：

由此可知，在上升沿出現(xiàn)的時(shí)鐘周期內(nèi)，會(huì)輸出一個(gè)脈寬為一時(shí)鐘周期的脈沖，本課題中采用50MHz的晶振，故而其脈寬為20ns，部分代碼如下：

由于需要一個(gè)絕對(duì)位置的零點(diǎn)，故而選擇圖7中4號(hào)參考點(diǎn)位作為絕對(duì)零點(diǎn)，那么尺頭的起始位置無(wú)論是左邊還是右邊，只要查詢(xún)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為3'd4時(shí)即認(rèn)為找到了該尺的絕對(duì)零點(diǎn)，在產(chǎn)生相應(yīng)的提示后，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)距操作。需要特殊說(shuō)明的是，在本課題中，恰好采用了奇數(shù)個(gè)數(shù)參考點(diǎn)的光柵尺。如果采用偶數(shù)個(gè)數(shù)參考點(diǎn)的光柵尺，比如說(shuō)采用了8個(gè)參考點(diǎn)的光柵尺，而光柵尺參考點(diǎn)之間的間隔是固定的，假設(shè)為D，那么在尋找到無(wú)論從左亦或者從右開(kāi)始移動(dòng)的第四個(gè)參考點(diǎn)以后，開(kāi)啟測(cè)距模式，當(dāng)距離寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為時(shí)，該點(diǎn)即為絕對(duì)零點(diǎn)，之后做相應(yīng)的提示，并清零距離寄存器，再開(kāi)始進(jìn)行測(cè)距操作。而計(jì)數(shù)部分只要將上述程序中的isChangeZ_L作為計(jì)數(shù)使能信號(hào)即可進(jìn)行計(jì)數(shù)，原理相同。

圖8 Z信號(hào)計(jì)數(shù)仿真圖

上圖為Modelsim的波形仿真圖，其中RSTn為復(fù)位信號(hào)，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，Wav_Z為模擬輸入的Z信號(hào)，ZL2H為Z信號(hào)計(jì)數(shù)使能信號(hào)，Count_Z為Z信號(hào)上升沿的計(jì)數(shù)寄存器。由上圖中可以看出，Z信號(hào)的上升沿均被提取出來(lái)，且計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)器狀態(tài)為3'd4時(shí)以后停止計(jì)數(shù)并進(jìn)行相關(guān)操作。

3.3 四細(xì)分辨向計(jì)數(shù)模塊

首先來(lái)解釋一下什么叫做四細(xì)分：

圖9 四細(xì)分辨向計(jì)數(shù)示意圖

在圖9中，截取了兩個(gè)周期的波形，四細(xì)分的核心思想就是，在A、B信號(hào)的每個(gè)邊沿，都讓計(jì)數(shù)脈沖去觸發(fā)一個(gè)脈寬為一時(shí)鐘周期的脈沖，A、B信號(hào)對(duì)應(yīng)的周期為兩個(gè)完整柵距即一對(duì)黑白條紋的移動(dòng)時(shí)間，與讀數(shù)頭的移動(dòng)速度相關(guān)，因此A、B信號(hào)一個(gè)周期的信號(hào)，對(duì)應(yīng)著測(cè)距中的兩個(gè)柵距，那么這里假設(shè)使用的光柵尺柵距為d，在不細(xì)分的情況下，一周期對(duì)應(yīng)距離為2d，而在上圖中，兩個(gè)周期對(duì)應(yīng)距離則為4d，而上圖中讀數(shù)頭兩個(gè)周期的移動(dòng)距離，有八個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，也就是說(shuō)，每一單位計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)著距離為：

這里需要做一下說(shuō)明，計(jì)數(shù)脈沖脈寬并不像圖中這樣，該脈寬與Z信號(hào)計(jì)數(shù)脈沖脈寬一樣，均為一時(shí)鐘周期20ns。

接下來(lái)闡釋一下該模塊的辨向功能，如圖9中所示一樣，正、負(fù)向移動(dòng)A、B信號(hào)狀態(tài)的區(qū)別主要為相位超前或者滯后的問(wèn)題，當(dāng)讀數(shù)頭正向移動(dòng)時(shí)，B信號(hào)相位滯后A信號(hào)相位90度，當(dāng)讀數(shù)頭負(fù)向移動(dòng)時(shí)，B信號(hào)相位超前A信號(hào)相位90度，那么利用這個(gè)特性，在每個(gè)A的上升沿時(shí)，檢測(cè)B的電平狀態(tài)，當(dāng)讀數(shù)頭正向移動(dòng)時(shí)，B為低電平；當(dāng)讀數(shù)頭負(fù)向移動(dòng)時(shí)，B為高電平。

表3 正向移動(dòng)時(shí)A、B信號(hào)狀態(tài)

表4 負(fù)向移動(dòng)時(shí)A、B信號(hào)狀態(tài)

結(jié)合上面兩張表可以得出，只要在采集到A信號(hào)上升沿的同時(shí)，判斷B的電平狀態(tài)，就可以得出讀數(shù)頭的運(yùn)動(dòng)方向，即低電平對(duì)應(yīng)正向移動(dòng)狀態(tài)，高電平對(duì)應(yīng)負(fù)向移動(dòng)狀態(tài)，相關(guān)代碼如下：

上述代碼中Number_Lc信號(hào)表示運(yùn)動(dòng)方向，正向運(yùn)動(dòng)為低電平0，負(fù)向運(yùn)動(dòng)為高電平1。

圖10 辨向波形仿真圖

本次仿真，對(duì)A波形進(jìn)行了兩次延時(shí)，從圖10中可以看出，辨向信號(hào)初始化為高電平1，在A波形的第一個(gè)上升沿時(shí)進(jìn)行了第一次的辨向信號(hào)狀態(tài)變更，此時(shí)，辨向電平狀態(tài)變更為0，B波形的相位滯后于A波形從表3中可以看出，此時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為正向，在一個(gè)周期后，對(duì)A波形進(jìn)行了第一次延時(shí)，之后進(jìn)行了第二次的辨向電平狀態(tài)變更，由圖10中可以看出，此時(shí)B波形的相位超前于A波形，故而此時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為負(fù)向，辨向電平狀態(tài)變更為1，之后兩個(gè)周期以后，對(duì)A波形進(jìn)行了第二次的延時(shí)，同樣的可以看出，此時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變更為正向，辨向電平狀態(tài)變?yōu)?。

接下來(lái)介紹計(jì)數(shù)部分，由于要實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式光柵尺的功能，因此可以將整個(gè)尺體看成一個(gè)數(shù)軸，因此除了運(yùn)動(dòng)方向，還要得出讀數(shù)頭的位移方向，但是由于Verilog中并沒(méi)有負(fù)數(shù)這個(gè)概念，只是在寄存器中，最高位可以作為符號(hào)位來(lái)看待，但是當(dāng)該寄存器的數(shù)據(jù)作為操作數(shù)時(shí)，只是一個(gè)單純的操作數(shù)，并沒(méi)有正負(fù)數(shù)的概念，那么數(shù)軸相對(duì)位移加減出現(xiàn)負(fù)數(shù)以后就會(huì)出現(xiàn)較大的問(wèn)題，因此，設(shè)置一個(gè)用于對(duì)比的數(shù)據(jù)寄存器，本次實(shí)驗(yàn)中初始化為50000，那么在當(dāng)該狀態(tài)寄存器的數(shù)值大于50000時(shí)，位移方向?yàn)檎?，?dāng)該數(shù)值小于50000時(shí)位移方向?yàn)樨?fù)向，根據(jù)公式（3）可以知道一單位代表的距離是0.5d，那么位移距離即為：

式中，S1即為位移的大小，其中N代表對(duì)比數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值。

在實(shí)際的Verilog程序中，由于相關(guān)邏輯較為復(fù)雜，導(dǎo)致這個(gè)部分程序偏長(zhǎng)，考慮到篇幅問(wèn)題不在這里例舉程序段，而在這里闡述一個(gè)在研究過(guò)程當(dāng)中較為典型的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)部分光柵尺輸入信號(hào)在跳變邊沿存在一定程度的抖動(dòng)，而這個(gè)抖動(dòng)對(duì)于計(jì)數(shù)的影響非常大。因此，在程序設(shè)計(jì)當(dāng)中設(shè)置了一個(gè)1us的跳變保護(hù)模塊，基本的思想就是，在采集到一個(gè)跳變以后，會(huì)開(kāi)始一個(gè)1us的計(jì)時(shí)器，當(dāng)1us內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)電平跳變，才認(rèn)定此次跳變可以作為測(cè)距計(jì)數(shù)的使能，否則該電平跳變采集無(wú)效，等待下次跳變采集。

圖11 計(jì)數(shù)模塊仿真波形圖

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

簡(jiǎn)要介紹一下整個(gè)系統(tǒng)的操作流程與系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果。

（1）系統(tǒng)上電，數(shù)碼管顯示五個(gè)8，用于檢測(cè)數(shù)碼管是否工作正常；

（2）讀數(shù)頭從最左端或者最右端開(kāi)始移動(dòng)，分別移動(dòng)到第1、2、3個(gè)參考點(diǎn)是分別顯示五個(gè)相應(yīng)的數(shù)字，例如第一個(gè)點(diǎn)顯示五個(gè)1；

（3）當(dāng)讀數(shù)頭移動(dòng)到第四個(gè)參考點(diǎn)也就是本實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)零點(diǎn)時(shí)，先顯示5個(gè)4，保持1s以后顯示變?yōu)?個(gè)0，表示可以開(kāi)始進(jìn)行測(cè)距操作；

（4）移動(dòng)讀數(shù)頭進(jìn)行測(cè)距，5位數(shù)字分別表示厘米、毫米、百微米和十微米，最高位表示位移的方向，額外還有一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的指示燈正向運(yùn)動(dòng)時(shí)亮，負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)滅。

實(shí)驗(yàn)操作中的部分操作過(guò)程如圖12所示（其實(shí)際距離是利用50分格游標(biāo)卡尺，通過(guò)讀數(shù)頭上三角標(biāo)的位移前后距離得到）。

圖12 測(cè)試過(guò)程中數(shù)碼管顯示的各種狀態(tài)

從上面的圖d和圖e中可以看出，在絕對(duì)零點(diǎn)的兩側(cè)，最高位分別顯示了0和1，正確表示了位移方向的正負(fù)，且位移距離與實(shí)際位移距離基本相同（由于測(cè)試時(shí)使用了50分格的游標(biāo)卡尺，其精確度為0.02mm，測(cè)距系統(tǒng)最小精度為0.01mm，故而只存在±0.02mm的誤差）。

5 結(jié)論

本課題利用FPGA的對(duì)波形處理能力優(yōu)越，并行處理架構(gòu)等特性，選用Cyclone II系列EP2C5 Q208C8為核心處理芯片，在增量式光柵編碼器之上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式尋零測(cè)距的功能，同時(shí)在此基礎(chǔ)上，成功通過(guò)四細(xì)分辨向的思想，將測(cè)距裝置測(cè)試精度提高了四倍，精度高，誤差小，達(dá)到設(shè)計(jì)初衷，并通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以將誤差控制在±0.02mm的數(shù)量級(jí)之內(nèi)。該系統(tǒng)在很多工程應(yīng)用中具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，譬如，令測(cè)試頭由相關(guān)的伺服電機(jī)來(lái)控制，可以在樓宇或者交通工程中去進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量工作，且具有較高的精確度。