1 光柵位移傳感器測(cè)量原理

    將光源、兩塊長光柵（指示光柵和標(biāo)尺光柵）、光電檢測(cè)器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動(dòng)的方向上放置光電探測(cè)器，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。目前使用的光柵尺的輸出信號(hào)主要有2類：一類是相位角相差90°的2路方波信號(hào)，另一類是相位依次相差90°的4路正弦信號(hào)。

    本文針對(duì)輸出正弦波的傳感器進(jìn)行了討論，對(duì)于輸出為正弦信號(hào)的光柵尺，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形。光柵尺的輸出信號(hào)經(jīng)過整形后如圖1所示。

    將光柵尺輸出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，然后辨向，再送入可逆計(jì)數(shù)器。由于2路信號(hào)周期同為T，相位相差90 °，光柵尺中的指示光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號(hào)就變化一個(gè)周期，如果能夠把變化的周期數(shù)測(cè)量出來，就可以測(cè)出相對(duì)位移。

　　2 CPLD的選擇

    本設(shè)計(jì)中選擇的CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）是Altera公司的EPM 7128SLC84-15，它采用CMOS工藝，是一種基于EPROM的器件。該芯片有84個(gè)引腳，其中5個(gè)用于ISP（In System Programmable）下載，可以方便地對(duì)其進(jìn)行在系統(tǒng)編程。此器件內(nèi)集成了6 000門，其中典型可用門為2 500個(gè)，有128個(gè)邏輯單元，60個(gè)可用I/O口，可以單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個(gè)全局時(shí)鐘及1個(gè)全局使能端和1個(gè)全局清除端。EPM 7128SLC284-15支持多電壓工作，其中15代表芯片的速度，該芯片傳輸延時(shí)為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz，并支持多種編程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1軟件可以方便地進(jìn)行仿真、綜合和下載。

　　3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)中使用的光柵傳感器輸出的是4路相位差為90°的正弦信號(hào)，因此需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形處理。本設(shè)計(jì)中采用了由運(yùn)放LM393構(gòu)成的差分放大器，將光柵傳感器輸出的4路信號(hào)分別送入2個(gè)差分放大器的輸入端，從差分放大器輸出的2路信號(hào)其相位差為90°，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    將差分后的信號(hào)進(jìn)行整形得到2路方波信號(hào)，得到的方波信號(hào)不能直接送入計(jì)數(shù)器中，在本設(shè)計(jì)中由EPM 7128SIC84-15完成4細(xì)分、辨向、計(jì)數(shù)的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理圖的輸入方式將上述模塊組合成一個(gè)軟件系統(tǒng)。

　　3.1 數(shù)字濾波電路

    通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光柵傳感器輸出的信號(hào)雖然經(jīng)過了前級(jí)電路的預(yù)處理，但光柵發(fā)生抖動(dòng)或測(cè)頭被沖擊時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，從而影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度。為了消除噪聲信號(hào)，在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動(dòng)脈沖，防止計(jì)數(shù)器誤計(jì)數(shù)。圖3是數(shù)字濾波電路圖。

    該電路的基本原理是用觸發(fā)器將輸入的方波信號(hào)通過時(shí)鐘clk的延遲來克服毛刺和噪聲信號(hào)，延遲的時(shí)鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號(hào)的脈沖寬度有關(guān)，需要通過多次實(shí)驗(yàn)合理選取。

    圖4是數(shù)字濾波電路的仿真波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)ina或inb出現(xiàn)毛刺時(shí)，經(jīng)過數(shù)字濾波后，輸出波形a和b中已看不到毛刺。在仿真過程中需要注意的足輸入信號(hào)ina和inb與clk之間的頻率設(shè)置，如果設(shè)置不合適，仿真將會(huì)失敗。

　　3．2 細(xì)分辨向電路

    光柵尺信號(hào)的細(xì)分與辨向足提高光柵尺測(cè)量精度的關(guān)鍵性一步，沒計(jì)者需要綜合考慮辨向與細(xì)分的復(fù)雜性。在辨向時(shí)，是對(duì)細(xì)分后的信號(hào)進(jìn)行辨向，而不是在細(xì)分前進(jìn)行辨向，否則不能提高測(cè)量精度。本測(cè)量系統(tǒng)中是先細(xì)分、后辨向。電路仿真波形如圖5所示。

    在波形圖中：a、b信號(hào)足輸入波形，clk是系統(tǒng)時(shí)鐘；clr是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)；direction是方向信號(hào)，通過該信號(hào)能夠判斷出光柵尺中指示光柵的移動(dòng)方向，如果是高電平，則表示指示光柵作正向運(yùn)動(dòng)，反之則作反向運(yùn)動(dòng)；clkadd表示指示光柵正向運(yùn)動(dòng)時(shí)的細(xì)分信號(hào)；clksubb表示指示光柵反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的細(xì)分信號(hào)；clkout信號(hào)是clkadd和clksubb相"與非"后的結(jié)果，該信號(hào)作為可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)；當(dāng)direction為高電平時(shí)，叮逆計(jì)數(shù)器作加運(yùn)算，當(dāng)direction為低電平時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器作減運(yùn)算。

　　3．3 計(jì)數(shù)電路

    本系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)器采用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入信號(hào)定義為時(shí)鐘信號(hào)和方向信號(hào)，輸出信號(hào)定義為24位的計(jì)數(shù)結(jié)果。用VHDL實(shí)現(xiàn)的24位可逆計(jì)數(shù)器功能的原程序如下：

    仿真波形如圖6所示。

    在波形圖中：clk信號(hào)是上一級(jí)電路的clkout信號(hào)，作為可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘；up_down是辨向信號(hào)，計(jì)數(shù)器的加運(yùn)算和減運(yùn)算由該信號(hào)控制，當(dāng)up_down為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器作加法，否則作減法。

　　3.4 譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路

    本系統(tǒng)中要正確顯示測(cè)量結(jié)果，需要譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路模塊，澤碼電路用于轉(zhuǎn)換24位的計(jì)數(shù)結(jié)果；顯示電路需要8個(gè)LED顯示數(shù)據(jù)，其中1個(gè)LED為符號(hào)位。當(dāng)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，符號(hào)位不顯示符號(hào)，當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)顯示"-"號(hào)。

　　4 結(jié)束語

    基于EPM 7128SLC84-15構(gòu)成的位移測(cè)量系統(tǒng)具有分辨率高、誤差小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足實(shí)際測(cè)量的需要。由于采用的是CPLD設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于升級(jí)。目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功運(yùn)用于某測(cè)量檢定系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠。

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