光柵數顯裝置的優化設計與實現

李 昆，王瑞濤，何學軍

（1.中航工業北京長城計量測試技術研究所 北京 100095；2.山東省黃河計量研究院 山東 濟南 250100）

在常見的幾何量測量設備中,常用光柵尺作為長度、位移或角度的檢測裝置。近些年隨著電子技術的快速發展，以及光柵刻制技術和光柵莫爾條紋細分技術的不斷改進，光柵技術也有了長足進步[1-2]。由于光柵位移測量系統具有性能穩定、可靠性好、測量精度高、測量范圍大、使用方便等優點[3]，因此被廣泛應用于各類幾何量測量中。

而對于一套完整的光柵位移測量系統，與光柵尺相比，數顯裝置同樣必不可少。針對傳統的數顯裝置中出現的電路元器件眾多、結構復雜、穩定性不高等問題，本文提出一種基于EPM240和STC90C51的數顯裝置的優化設計方案，不僅簡化了硬件結構，同時也保證了位移測量的準確性以及位移顯示的實時性。

1 光柵位移測量系統的基本原理

光柵位移測量系統主要由光柵尺（探頭）和數顯裝置兩部分組成。其中，信號調理電路、CPLD、單片機和外圍功能輔助電路共同構成數顯裝置，如圖1所示。

圖1 光柵位移測量系統原理示意圖Fig.1 Schematic grating displacement measurement system

根據光柵位移測量系統的運動位移及運動方向狀態，光柵尺（探頭）輸出兩路正交的TTL方波信號,然后經信號調理電路將光柵尺輸出的差分信號進行合成處理[4]，進入CPLD后，進行計數和判相處理，最后外圍功能輔助電路配合單片機實現數據的實時顯示，并由單片機的通信端口實現與上位機的通訊。

2 數顯裝置的硬件單元設計

2.1 傳統數顯裝置的設計方案

作為光柵信號的處理單元，傳統的數顯裝置多采用分立的、多種類的電子元器件來實現光柵信號的檢測、辨相細分和位置計數功能。基于傳統設計方案的數顯裝置的組成框圖如圖2所示。

圖2 基于傳統設計方案的數顯裝置的組成框圖Fig.2 Block diagram of the conventional design solutions based on digital display devices

常見的光柵信號檢測電路由光敏三極管和比較器組成，接收來自光柵的莫爾條紋信號，并經過相關信號調理電路[5-6]，輸出兩路正交的TTL方波信號，進入由PLD、74138選擇器和74573三態緩存器組成的辨相細分電路，然后由單片機或其它處理器組成的位置計算電路完成長度、位移或角度信息處理，最后由LED數碼管完成顯示。

基于傳統的數顯裝置設計方案，往往需要增加較多的可編程計數器，而且整個設計中所需電子元器件種類和數量較多，常帶來功耗增加、穩定性不高等問題。

2.2 數顯裝置的優化設計方案

針對傳統設計方案存在的問題，本設計方案主要從三方面進行了優化與改進：1）辨相細分電路部分，將所需的74系列芯片功能，全部集成到了CPLD，不僅精簡了硬件電路結構，還增強了電路的抗干擾能力；2）顯示部分，用LCD屏取代數碼管，使顯示的內容更豐富了，而且根據實際工程項目應用可考慮觸摸屏代替LCD屏和功能按鍵；3）通信部分，將傳統的RS232口改進成通用USB口，傳輸速度更快、更穩定。

圖3 基于EPM240和STC90C51的數顯裝置的組成框圖Fig.3 Block diagram of digital display devices based on EPM240 and STC90C51

基于EPM240和STC90C51的數顯裝置主要由4個部分組成：1）信號調理電路。選用MC3486芯片，實現對原始信號的差分處理與電平轉換。差分信號和單端信號相比較，有著較強的抗干擾能力和能有效地抑制對外輻射電磁波；2）CPLD。選用ALTERA公司的EPM240芯片，實現光柵信號的細分、辨向和計數。EPM240具有采樣速率高，功耗小等特點，完全能夠滿足光柵位移測量系統體積小、功耗低等要求；3）單片機。選用STC90C51芯片，完成數據分析并實現數據顯示與通信功能。STC90C51片內置8位處理器，兼容標準的51指令系統；4）外圍功能輔助電路。主要包括控制端和通信口。其樣機裝置實物圖如圖4所示。

圖4 樣機裝置實物圖Fig.4 Prototype device

3 數顯裝置的軟件單元設計

數顯裝置的軟件主要由單片機程序設計和CPLD程序設計兩部分組成，其中單片機部分用C語言進行程序編寫，CPLD部分采用Verilog HDL編程語言。

3.1 單片機程序設計

單片機上電后，首先進行程序初始化，配置端口參數，然后進入測試模式，STC90C51的P1口輸出CPLD數據位選擇端控制信號，并由P2口實時讀取CPLD的低、中、高24位數據，然后計算得出要顯示的數值。在數據讀取中，單片機如收到上位機發出的相應中斷指令后，將顯示數據發送至通信口。單片機程序控制流程如圖5所示。

3.2 CPLD程序設計

圖5 單片機程序控制流程圖Fig.5 Flow chart the software design based on microcontroller

CPLD作為數顯裝置的核心單元，主要實現光柵信號的細分、辨向和計數功能。其中CPLD的程序模塊（部分）框圖如圖6所示。

在Verilog HDL程序中，A、B信號是輸入波形；clk是系統時鐘信號；clr是系統復位信號；up_down_in是方向信息，該信號用來判斷光柵尺的移動方向，假如為高電平，則表示光柵是沿正方向運動，程序將做加法運算，反之沿反方向運動做減法運算。

用Modelsim軟件實現的24位計數器功能的仿真測試如圖7所示，其中輸入信號為時鐘信號clk，方向信號up_down_in；輸出信號為24位的高低電平信號。

4 樣機測試實驗

為驗證本設計方案的可行性和試驗樣機性能，分別開展了試驗樣機與雙頻激光干涉儀、某型號高精度數顯表與雙頻激光干涉儀的對比試驗，樣機實驗測試圖如圖8所示。

圖6 CPLD程序模塊（部分）框圖Fig.6 Block diagram of CPLD program module

圖7 Modelsim CPLD程序測試仿真圖Fig.7 Program testing simulation of Modelsim CPLD

其中，測試結果如表1、表2所示。

測試實驗證明，所設計的基于CPLD與單片機的數顯裝置的優化設計方案可行，能夠滿足實時顯示、USB通信等要求，并且有著較高的測量精度，本試驗樣機在0-800mm測量范圍內的測試偏差值不超過6 μm。

5 結 論

圖8 樣機實驗測試圖Fig.8 Prototype experimental test

文中針對傳統的光柵數顯裝置，提出了一種基于CPLD[7]與單片機的數顯裝置的優化設計方案，在保證裝置完整功能的前提下，從體積、功耗和復雜程度上做了優化設計，制作了樣機裝置，并進行了相關實驗，實驗證明所設計的數顯裝置能夠滿足實時顯示、通信等要求，該數顯裝置配合光柵讀數頭已成功應用于某型校準試驗臺中。與傳統的數顯裝置相比，該設計不僅電路簡單、開發成本較低，而且性能穩定，易于二次開發。

表1 樣機測試實驗對比數據表Tab.1 Experimental comparison of prototype testing

表2 某型號測試實驗對比數據表Tab.2 A model experimental comparison test

[1]王國超，顏樹華，高雷，等.光柵干涉位移測量技術發展綜述[J].激光技術，2010，34（5）:661-664.WANG Guo-chao，YAN Shu-hua，GAO Lei，et al.Development of displacement measurement technologies based on grating interferometry[J].Laser Technology， 2010，34（5）:661-664.

[2]樊長松.基于USB和CPLD的新型光柵尺接口卡的設計與實現[D].天津：天津理工大學，2008.

[3]胡林.基于CPLD與單片機的光柵位移測量系統的設計[J].電子測量技術，2010，33（11）:81-83.HU Lin.Design of grating displacement measure system based on CPLD and microchip[J].Electronic Measurement Technology，2010，33（11）:81-83.

[4]黃勇.基于EPM7128的光柵位移測量儀設計[J].電子工程師，2007，33（8）:22-23.HUANG Yong.Design of grating displacement metrical apparatus based on EPM7128[J].Electronic Engineer， 2007，33（8）:22-23.

[5]金鋒，盧楊，王文松，等.光柵四倍頻細分電路模塊的分析與設計[J].北京理工大學學報，2006，26（12）:1073-1076.JIN Feng，LU Yang，WANG Wen-song，et al.Analysis and design of a grating with fourSub-Frequency circuit modules[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，2006，26（12）:1073-1076.

[6]蔣麗雁，于連棟.基于FPGA的光柵信號處理電路設計[J].工具技術，2010，44（5）:100-102.JIANG Li-yan，YU Lian-dong.Circuit design of grating signal processing based on FPGA[J].Tool Enginering，2010，44（5）:100-102.

[7]周欣.基于CPLD的可編程PWM控制器的設計[J].電子科技，2013（4）:124-125，128.ZHOU Xin.The design of the programmable PWM controller based on CPLD[J].Electronic Science and Technology，2013（4）:124-125，128.