光栅数显装置的优化设计与实现

李 昆，王瑞涛，何学军

（1.中航工业北京长城计量测试技术研究所 北京 100095；2.山东省黄河计量研究院 山东 济南 250100）

在常见的几何量测量设备中,常用光栅尺作为长度、位移或角度的检测装置。近些年随着电子技术的快速发展，以及光栅刻制技术和光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，光栅技术也有了长足进步[1-2]。由于光栅位移测量系统具有性能稳定、可靠性好、测量精度高、测量范围大、使用方便等优点[3]，因此被广泛应用于各类几何量测量中。

而对于一套完整的光栅位移测量系统，与光栅尺相比，数显装置同样必不可少。针对传统的数显装置中出现的电路元器件众多、结构复杂、稳定性不高等问题，本文提出一种基于EPM240和STC90C51的数显装置的优化设计方案，不仅简化了硬件结构，同时也保证了位移测量的准确性以及位移显示的实时性。

1 光栅位移测量系统的基本原理

光栅位移测量系统主要由光栅尺（探头）和数显装置两部分组成。其中，信号调理电路、CPLD、单片机和外围功能辅助电路共同构成数显装置，如图1所示。

图1 光栅位移测量系统原理示意图Fig.1 Schematic grating displacement measurement system

根据光栅位移测量系统的运动位移及运动方向状态，光栅尺（探头）输出两路正交的TTL方波信号,然后经信号调理电路将光栅尺输出的差分信号进行合成处理[4]，进入CPLD后，进行计数和判相处理，最后外围功能辅助电路配合单片机实现数据的实时显示，并由单片机的通信端口实现与上位机的通讯。

2 数显装置的硬件单元设计

2.1 传统数显装置的设计方案

作为光栅信号的处理单元，传统的数显装置多采用分立的、多种类的电子元器件来实现光栅信号的检测、辨相细分和位置计数功能。基于传统设计方案的数显装置的组成框图如图2所示。

图2 基于传统设计方案的数显装置的组成框图Fig.2 Block diagram of the conventional design solutions based on digital display devices

常见的光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器组成，接收来自光栅的莫尔条纹信号，并经过相关信号调理电路[5-6]，输出两路正交的TTL方波信号，进入由PLD、74138选择器和74573三态缓存器组成的辨相细分电路，然后由单片机或其它处理器组成的位置计算电路完成长度、位移或角度信息处理，最后由LED数码管完成显示。

基于传统的数显装置设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，而且整个设计中所需电子元器件种类和数量较多，常带来功耗增加、稳定性不高等问题。

2.2 数显装置的优化设计方案

针对传统设计方案存在的问题，本设计方案主要从三方面进行了优化与改进：1）辨相细分电路部分，将所需的74系列芯片功能，全部集成到了CPLD，不仅精简了硬件电路结构，还增强了电路的抗干扰能力；2）显示部分，用LCD屏取代数码管，使显示的内容更丰富了，而且根据实际工程项目应用可考虑触摸屏代替LCD屏和功能按键；3）通信部分，将传统的RS232口改进成通用USB口，传输速度更快、更稳定。

图3 基于EPM240和STC90C51的数显装置的组成框图Fig.3 Block diagram of digital display devices based on EPM240 and STC90C51

基于EPM240和STC90C51的数显装置主要由4个部分组成：1）信号调理电路。选用MC3486芯片，实现对原始信号的差分处理与电平转换。差分信号和单端信号相比较，有着较强的抗干扰能力和能有效地抑制对外辐射电磁波；2）CPLD。选用ALTERA公司的EPM240芯片，实现光栅信号的细分、辨向和计数。EPM240具有采样速率高，功耗小等特点，完全能够满足光栅位移测量系统体积小、功耗低等要求；3）单片机。选用STC90C51芯片，完成数据分析并实现数据显示与通信功能。STC90C51片内置8位处理器，兼容标准的51指令系统；4）外围功能辅助电路。主要包括控制端和通信口。其样机装置实物图如图4所示。

图4 样机装置实物图Fig.4 Prototype device

3 数显装置的软件单元设计

数显装置的软件主要由单片机程序设计和CPLD程序设计两部分组成，其中单片机部分用C语言进行程序编写，CPLD部分采用Verilog HDL编程语言。

3.1 单片机程序设计

单片机上电后，首先进行程序初始化，配置端口参数，然后进入测试模式，STC90C51的P1口输出CPLD数据位选择端控制信号，并由P2口实时读取CPLD的低、中、高24位数据，然后计算得出要显示的数值。在数据读取中，单片机如收到上位机发出的相应中断指令后，将显示数据发送至通信口。单片机程序控制流程如图5所示。

3.2 CPLD程序设计

图5 单片机程序控制流程图Fig.5 Flow chart the software design based on microcontroller

CPLD作为数显装置的核心单元，主要实现光栅信号的细分、辨向和计数功能。其中CPLD的程序模块（部分）框图如图6所示。

在Verilog HDL程序中，A、B信号是输入波形；clk是系统时钟信号；clr是系统复位信号；up_down_in是方向信息，该信号用来判断光栅尺的移动方向，假如为高电平，则表示光栅是沿正方向运动，程序将做加法运算，反之沿反方向运动做减法运算。

用Modelsim软件实现的24位计数器功能的仿真测试如图7所示，其中输入信号为时钟信号clk，方向信号up_down_in；输出信号为24位的高低电平信号。

4 样机测试实验

为验证本设计方案的可行性和试验样机性能，分别开展了试验样机与双频激光干涉仪、某型号高精度数显表与双频激光干涉仪的对比试验，样机实验测试图如图8所示。

图6 CPLD程序模块（部分）框图Fig.6 Block diagram of CPLD program module

图7 Modelsim CPLD程序测试仿真图Fig.7 Program testing simulation of Modelsim CPLD

其中，测试结果如表1、表2所示。

测试实验证明，所设计的基于CPLD与单片机的数显装置的优化设计方案可行，能够满足实时显示、USB通信等要求，并且有着较高的测量精度，本试验样机在0-800mm测量范围内的测试偏差值不超过6 μm。

5 结 论

图8 样机实验测试图Fig.8 Prototype experimental test

文中针对传统的光栅数显装置，提出了一种基于CPLD[7]与单片机的数显装置的优化设计方案，在保证装置完整功能的前提下，从体积、功耗和复杂程度上做了优化设计，制作了样机装置，并进行了相关实验，实验证明所设计的数显装置能够满足实时显示、通信等要求，该数显装置配合光栅读数头已成功应用于某型校准试验台中。与传统的数显装置相比，该设计不仅电路简单、开发成本较低，而且性能稳定，易于二次开发。

表1 样机测试实验对比数据表Tab.1 Experimental comparison of prototype testing

表2 某型号测试实验对比数据表Tab.2 A model experimental comparison test

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