高精度光栅信号采集卡的设计

董珊珊+徐扬+汤捷

【摘 要】 设计了一款高精度光栅信号采集卡，以光栅尺输出正交方波信号为基础，采用细分与误差修正相结合方式对光栅尺输出信号进行处理，提高光栅测量系统的精度。用CPLD实现光栅信号四细分、辩向、可逆计数，用单片机读取光栅细分计数值，并对其进行误差修正。通过实验验证与对比，光栅测量系统的分辨率可达到1μm，经误差修正后的系统精度有显著提高。

【关键词】 光栅尺 信号处理 误差修正

1 引言

光栅尺作为直线测量的精密仪器，由于其具有性能稳定、高精度、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在数控机床、机械加工等领域。随着精密加工和微定位技术的发展，对光栅尺测量精度的要求也越来越高[1]。本文在光栅尺输出正交方波信号的基础上，设计了高精度光栅信号采集与误差修正系统。该系统采用CPLD完成光栅信号的四细分、辩向、可逆计数，在单片机中用三次样条插值算法对光栅细分计数值进行误差修正，经误差修正后的光栅测量系统精度有很大提高。

2 光栅信号采集系统

图1所示为光栅信号采集系统总体框图。本系统由USB供电，输出电压+5V，给光栅尺、CPLD及单片机供电。光栅尺输出两路相位差为90的方波信号A、B，输出信号分辨率为4μm；CPLD芯片对两路正交信号进行四细分、辩向、计数等处理；单片机LPC11U14是整个系统的核心，控制协调整个系统正常工作，负责向CPLD传输控制信号，并从其读取光栅细分计数值，用误差修正算法对光栅计数值进行误差修正，将修正后的光栅位移值通过USB传给上位机显示。

3 光栅信号处理

（1）光栅细分、辩向原理。光栅尺运动时，在一个周期内，A、B两路信号的电平在同一时刻共有四种状态：10、11、01和00，基于此原理对光栅信号进行四细分。光栅尺正向运动但在某个时刻反向时，A、B两信号的状态转换为：10→11→01→00→10→11→11→10→00→01，从两信号状态转换顺序可知在11状态时，光栅尺发生变向。从光栅尺发生变向时两信号状态转换顺序可看出，光栅尺正向运动时，A的状态总和前一时刻的B状态不同；当光栅在11状态发生变向即反向运动时，A的状态总和前一时刻的B状态相同，根据光栅尺运动此特点，可实现对光栅运动方向的判断[2]。（2）光栅信号处理电路。本文采用CPLD器件EPM570T144C5来完成光栅信号细分、辨向和计数，CPLD逻辑设计模块系统框图如图2所示。光栅输出正交信号A、B分别接在CPLD的两个管脚，EPM570T144C5外部时钟为100MHz，四细分与辩向模块完成光栅信号的四细分和方向判断，“Pulse”为四细分后的脉冲，“ud”为高或低电平代表光栅运动方向，计数模块检测到“Pulse”脉冲并根据“ud”判断计数值加一或减一，单片机向CPLD发送控制信号，通过多路复用模块读取24位光栅细分计数值。

4 误差修正

随着精密加工技术的发展，对加工和测量系统定位精度的要求也在不断提高，光栅尺作为位移测量重要仪器，在实际测量中，由于光栅本身制造误差及外界环境的干扰，测量值的精度受到很大影响，为了减小这些误差对测量值的影响，本文采用实时误差分离技术对光栅测量误差进行修正[3]。将有限个采样离散点（，）存入计算机，用三次样条插值法拟合相邻采样点的误差曲线，整个拟合曲线是一个由分段三次多项式组成的连续函数，曲线过每个节点且在节点处连续光滑。采样点（，）中横轴为光栅尺测量位移值，纵轴为实际位移值。

采用三次样条插值进行误差修正软件流程如图3所示，首先是单片机系统初始化，然后读取采样离散值（，），判断插值点落在哪两个相邻节点之间，然后在这两点之间拟合曲线，求出插值点的修正值并在上位机显示。

5 实验验证

为了验证误差修正效果，本文使用德国SIOS激光干涉仪与光栅尺进行比对，实验中光栅尺测量值为，干涉仪测量值近似为。四细分后光栅计数分辨率为1μm，光栅有效行距为-50000μm ～+50000μm，将光栅尺最大距离分成11等分，当光栅尺移动10000μm时，用干涉仪在光栅对应位置进行测量，并记录干涉仪数据。

移动光栅尺到任意位置，并用干涉仪记录该值，对该插值点进行误差修正后的数值与干涉仪记录值进行比较，得到修正值误差曲线。对比实验误差和修正后误差可以看出，经过误差修正后的光栅测量系统精度有显著提高。

6 结语

本文针对输出分辨率为4μm的光栅尺，设计一款高精度光栅数据采集卡，对光栅信号进行四细分与误差修正，使光栅测量分辨率提高到1μm，经误差修正后的光栅测量系统精度大大提高。

参考文献：

[1]陈智超.基于双光栅尺的高速高精度跨尺度位移测量方法的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

[2]刘春燕.基于USB的光栅传感器接口卡的研制[D].哈尔滨工业大学，2006.

[3]龚蓬.动态测量误差修正灰色建模理论与应用技术研究[D].合肥工业大学，2000.endprint

【摘 要】 设计了一款高精度光栅信号采集卡，以光栅尺输出正交方波信号为基础，采用细分与误差修正相结合方式对光栅尺输出信号进行处理，提高光栅测量系统的精度。用CPLD实现光栅信号四细分、辩向、可逆计数，用单片机读取光栅细分计数值，并对其进行误差修正。通过实验验证与对比，光栅测量系统的分辨率可达到1μm，经误差修正后的系统精度有显著提高。

【关键词】 光栅尺 信号处理 误差修正

1 引言

光栅尺作为直线测量的精密仪器，由于其具有性能稳定、高精度、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在数控机床、机械加工等领域。随着精密加工和微定位技术的发展，对光栅尺测量精度的要求也越来越高[1]。本文在光栅尺输出正交方波信号的基础上，设计了高精度光栅信号采集与误差修正系统。该系统采用CPLD完成光栅信号的四细分、辩向、可逆计数，在单片机中用三次样条插值算法对光栅细分计数值进行误差修正，经误差修正后的光栅测量系统精度有很大提高。

2 光栅信号采集系统

图1所示为光栅信号采集系统总体框图。本系统由USB供电，输出电压+5V，给光栅尺、CPLD及单片机供电。光栅尺输出两路相位差为90的方波信号A、B，输出信号分辨率为4μm；CPLD芯片对两路正交信号进行四细分、辩向、计数等处理；单片机LPC11U14是整个系统的核心，控制协调整个系统正常工作，负责向CPLD传输控制信号，并从其读取光栅细分计数值，用误差修正算法对光栅计数值进行误差修正，将修正后的光栅位移值通过USB传给上位机显示。

3 光栅信号处理

（1）光栅细分、辩向原理。光栅尺运动时，在一个周期内，A、B两路信号的电平在同一时刻共有四种状态：10、11、01和00，基于此原理对光栅信号进行四细分。光栅尺正向运动但在某个时刻反向时，A、B两信号的状态转换为：10→11→01→00→10→11→11→10→00→01，从两信号状态转换顺序可知在11状态时，光栅尺发生变向。从光栅尺发生变向时两信号状态转换顺序可看出，光栅尺正向运动时，A的状态总和前一时刻的B状态不同；当光栅在11状态发生变向即反向运动时，A的状态总和前一时刻的B状态相同，根据光栅尺运动此特点，可实现对光栅运动方向的判断[2]。（2）光栅信号处理电路。本文采用CPLD器件EPM570T144C5来完成光栅信号细分、辨向和计数，CPLD逻辑设计模块系统框图如图2所示。光栅输出正交信号A、B分别接在CPLD的两个管脚，EPM570T144C5外部时钟为100MHz，四细分与辩向模块完成光栅信号的四细分和方向判断，“Pulse”为四细分后的脉冲，“ud”为高或低电平代表光栅运动方向，计数模块检测到“Pulse”脉冲并根据“ud”判断计数值加一或减一，单片机向CPLD发送控制信号，通过多路复用模块读取24位光栅细分计数值。

4 误差修正

随着精密加工技术的发展，对加工和测量系统定位精度的要求也在不断提高，光栅尺作为位移测量重要仪器，在实际测量中，由于光栅本身制造误差及外界环境的干扰，测量值的精度受到很大影响，为了减小这些误差对测量值的影响，本文采用实时误差分离技术对光栅测量误差进行修正[3]。将有限个采样离散点（，）存入计算机，用三次样条插值法拟合相邻采样点的误差曲线，整个拟合曲线是一个由分段三次多项式组成的连续函数，曲线过每个节点且在节点处连续光滑。采样点（，）中横轴为光栅尺测量位移值，纵轴为实际位移值。

采用三次样条插值进行误差修正软件流程如图3所示，首先是单片机系统初始化，然后读取采样离散值（，），判断插值点落在哪两个相邻节点之间，然后在这两点之间拟合曲线，求出插值点的修正值并在上位机显示。

5 实验验证

为了验证误差修正效果，本文使用德国SIOS激光干涉仪与光栅尺进行比对，实验中光栅尺测量值为，干涉仪测量值近似为。四细分后光栅计数分辨率为1μm，光栅有效行距为-50000μm ～+50000μm，将光栅尺最大距离分成11等分，当光栅尺移动10000μm时，用干涉仪在光栅对应位置进行测量，并记录干涉仪数据。

移动光栅尺到任意位置，并用干涉仪记录该值，对该插值点进行误差修正后的数值与干涉仪记录值进行比较，得到修正值误差曲线。对比实验误差和修正后误差可以看出，经过误差修正后的光栅测量系统精度有显著提高。

6 结语

本文针对输出分辨率为4μm的光栅尺，设计一款高精度光栅数据采集卡，对光栅信号进行四细分与误差修正，使光栅测量分辨率提高到1μm，经误差修正后的光栅测量系统精度大大提高。

参考文献：

[1]陈智超.基于双光栅尺的高速高精度跨尺度位移测量方法的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

[2]刘春燕.基于USB的光栅传感器接口卡的研制[D].哈尔滨工业大学，2006.

[3]龚蓬.动态测量误差修正灰色建模理论与应用技术研究[D].合肥工业大学，2000.endprint

【摘 要】 设计了一款高精度光栅信号采集卡，以光栅尺输出正交方波信号为基础，采用细分与误差修正相结合方式对光栅尺输出信号进行处理，提高光栅测量系统的精度。用CPLD实现光栅信号四细分、辩向、可逆计数，用单片机读取光栅细分计数值，并对其进行误差修正。通过实验验证与对比，光栅测量系统的分辨率可达到1μm，经误差修正后的系统精度有显著提高。

【关键词】 光栅尺 信号处理 误差修正

1 引言

光栅尺作为直线测量的精密仪器，由于其具有性能稳定、高精度、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在数控机床、机械加工等领域。随着精密加工和微定位技术的发展，对光栅尺测量精度的要求也越来越高[1]。本文在光栅尺输出正交方波信号的基础上，设计了高精度光栅信号采集与误差修正系统。该系统采用CPLD完成光栅信号的四细分、辩向、可逆计数，在单片机中用三次样条插值算法对光栅细分计数值进行误差修正，经误差修正后的光栅测量系统精度有很大提高。

2 光栅信号采集系统

图1所示为光栅信号采集系统总体框图。本系统由USB供电，输出电压+5V，给光栅尺、CPLD及单片机供电。光栅尺输出两路相位差为90的方波信号A、B，输出信号分辨率为4μm；CPLD芯片对两路正交信号进行四细分、辩向、计数等处理；单片机LPC11U14是整个系统的核心，控制协调整个系统正常工作，负责向CPLD传输控制信号，并从其读取光栅细分计数值，用误差修正算法对光栅计数值进行误差修正，将修正后的光栅位移值通过USB传给上位机显示。

3 光栅信号处理

（1）光栅细分、辩向原理。光栅尺运动时，在一个周期内，A、B两路信号的电平在同一时刻共有四种状态：10、11、01和00，基于此原理对光栅信号进行四细分。光栅尺正向运动但在某个时刻反向时，A、B两信号的状态转换为：10→11→01→00→10→11→11→10→00→01，从两信号状态转换顺序可知在11状态时，光栅尺发生变向。从光栅尺发生变向时两信号状态转换顺序可看出，光栅尺正向运动时，A的状态总和前一时刻的B状态不同；当光栅在11状态发生变向即反向运动时，A的状态总和前一时刻的B状态相同，根据光栅尺运动此特点，可实现对光栅运动方向的判断[2]。（2）光栅信号处理电路。本文采用CPLD器件EPM570T144C5来完成光栅信号细分、辨向和计数，CPLD逻辑设计模块系统框图如图2所示。光栅输出正交信号A、B分别接在CPLD的两个管脚，EPM570T144C5外部时钟为100MHz，四细分与辩向模块完成光栅信号的四细分和方向判断，“Pulse”为四细分后的脉冲，“ud”为高或低电平代表光栅运动方向，计数模块检测到“Pulse”脉冲并根据“ud”判断计数值加一或减一，单片机向CPLD发送控制信号，通过多路复用模块读取24位光栅细分计数值。

4 误差修正

随着精密加工技术的发展，对加工和测量系统定位精度的要求也在不断提高，光栅尺作为位移测量重要仪器，在实际测量中，由于光栅本身制造误差及外界环境的干扰，测量值的精度受到很大影响，为了减小这些误差对测量值的影响，本文采用实时误差分离技术对光栅测量误差进行修正[3]。将有限个采样离散点（，）存入计算机，用三次样条插值法拟合相邻采样点的误差曲线，整个拟合曲线是一个由分段三次多项式组成的连续函数，曲线过每个节点且在节点处连续光滑。采样点（，）中横轴为光栅尺测量位移值，纵轴为实际位移值。

采用三次样条插值进行误差修正软件流程如图3所示，首先是单片机系统初始化，然后读取采样离散值（，），判断插值点落在哪两个相邻节点之间，然后在这两点之间拟合曲线，求出插值点的修正值并在上位机显示。

5 实验验证

为了验证误差修正效果，本文使用德国SIOS激光干涉仪与光栅尺进行比对，实验中光栅尺测量值为，干涉仪测量值近似为。四细分后光栅计数分辨率为1μm，光栅有效行距为-50000μm ～+50000μm，将光栅尺最大距离分成11等分，当光栅尺移动10000μm时，用干涉仪在光栅对应位置进行测量，并记录干涉仪数据。

移动光栅尺到任意位置，并用干涉仪记录该值，对该插值点进行误差修正后的数值与干涉仪记录值进行比较，得到修正值误差曲线。对比实验误差和修正后误差可以看出，经过误差修正后的光栅测量系统精度有显著提高。

6 结语

本文针对输出分辨率为4μm的光栅尺，设计一款高精度光栅数据采集卡，对光栅信号进行四细分与误差修正，使光栅测量分辨率提高到1μm，经误差修正后的光栅测量系统精度大大提高。

参考文献：

[1]陈智超.基于双光栅尺的高速高精度跨尺度位移测量方法的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

[2]刘春燕.基于USB的光栅传感器接口卡的研制[D].哈尔滨工业大学，2006.

[3]龚蓬.动态测量误差修正灰色建模理论与应用技术研究[D].合肥工业大学，2000.endprint