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基于HCTL-2032的位移測量儀的設計
殷慶縱1 ,王新輝2
1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子工程系,江蘇 蘇州 215104;2.蘇州印像鐳射有限公司,江蘇 蘇州
摘要: 介紹了一種采用正交解碼計數(shù)電路HCTL-2032的位移測量儀的設計,其中的2個光柵傳感器輸出的信號通過硬件電路分別進行辨向和計數(shù),再使用單片機對計數(shù)信號進行處理,能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量,該儀器的分辨率為0.5μm,精度可優(yōu)于±1μm,具有工作可靠、結構簡單、易于調試和擴展等特點。
Abstract:
Key words :

摘 要:介紹了一種采用正交解碼計數(shù)電路HCTL-2032的位移測量儀的設計,其中的2個光柵傳感器輸出的信號通過硬件電路分別進行辨向和計數(shù),再使用單片機對計數(shù)信號進行處理,能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量,該儀器的分辨率為0.5μm,精度可優(yōu)于±1μm,具有工作可靠、結構簡單、易于調試和擴展等特點。
 關鍵詞:HCTL-2032;單片機;光柵傳感器;正交解碼 

  X-Y工作臺的位移測量儀被廣泛應用在光學精密測量機器和高精度的數(shù)控機床上,位移檢測的精度和穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)起著關鍵作用。使用光柵尺作為位置測量系統(tǒng)的傳感元件,利用光柵尺輸出信號為數(shù)字量,不受溫度、時間的影響,抗干擾能力強,能夠動態(tài)而精確地測量直線位移。本文介紹了基于HCTL-2032的位移測量儀以單片機為核心,以光柵尺為傳感元件,結構簡單,工作可靠,制作成本低,能夠動態(tài)而高精度地測量直線位移,實現(xiàn)了精確定位測量。
1 儀器結構與原理
  利用正交解碼脈沖記數(shù)處理電路HCTL-2032與單片機STC89C52RC為核心器件的位移測量儀硬件框圖如圖1所示。


1.1 光柵傳感器
  將光源、2塊長光柵(動尺和定尺)、光電檢測器件組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號,動尺移動一個柵距,輸出的電信號便變化一個周期,它是通過對信號變化周期的測量來測出動尺與定尺的相對位移。通常使用的光柵尺輸出信號為方波信號。輸出方波信號的光柵尺有A相、B相和Z相3個電信號,A相與B相信號周期相同,均為W,相位差90°。Z相信號可以作為校準信號以消除累積誤差。圖2給出了動尺移動時,A、B信號的變化情況。正相運動時A相超前B相90°,反相運動時B相超前A相90°,根據(jù)A、B相超前與滯后,可確定正、反相運動。本文采用的是奧地利生產(chǎn)的MS60光柵尺,柵距W為0.5μm。

1.2正交解碼脈沖計數(shù)處理電路HCTL-2032
  HCTL-2032是Avago公司生產(chǎn)的CMOS專用集成電路,集噪聲濾波、正交解碼、可逆計數(shù)、總線接口于一體,可大大改善測量系統(tǒng)的性能[1]。HCTL-2032可接收兩路(X軸、Y軸)正交編碼脈沖,并且增加了接收基準信號,時鐘頻率達33 MHz,不僅使電路設計簡單,而且提高了測量精度和處理數(shù)據(jù)的速度。
1.2.1引腳功能說明
   HCTL-2032采用32引腳封裝,引腳功能說明如表1所示。

1.2.2功能描述
  HCTL-2032內部包括數(shù)字濾波器、正交解碼邏輯、32位可逆計數(shù)器、總線接口,內部邏輯結構框圖如圖3所示。

  HCTL-2032的輸入部分包括施密特觸發(fā)器與數(shù)字延遲濾波器,用于抑制混入正交信號的噪聲。正交信號通過施密特觸發(fā)器后,必須保持3個上升沿才能通過數(shù)字濾波器,小于1 V的低電平噪聲被濾除,高電平、持續(xù)時間短的噪聲脈沖通過數(shù)字濾波器時也被濾除。 
  HCTL-2032提供了1×、2×、4×三種可選解碼方式,解碼方式的選擇由EN1、EN2的組合值控制,正交輸入相鄰跳變沿之間二者的電平狀態(tài)有4種:10、11、01、00。當選擇4×模式時,在一個周期內正交解碼器在時鐘上升沿采樣4種狀態(tài)進行計數(shù),同理,當選擇2×和1×模式時,在一個周期內正交解碼器在時鐘上升沿分別采樣2種、1種狀態(tài)進行計數(shù)。每監(jiān)測到一次狀態(tài)變化,在CNTDEC引腳輸出一個寬度為半個時鐘周期的正脈沖。同時給出狀態(tài)轉移方向信號,U/D=1,表明A相超前B相,反之B相超前A相。正交解碼采集的脈沖輸入32位可逆計數(shù)器,在時鐘的上升沿計數(shù),計數(shù)值送入32位鎖存器。由于輸出數(shù)據(jù)線只有8位,因此32位的數(shù)據(jù)需要通過改變控制線SEL1、SEL2、/OE的值分4次依次讀出。
1.3 控制與顯示電路
  用STC89C52RC單片機作為核心控制器件,該單片機與8051兼容,具有“6時鐘/機器周期”和“12時鐘/機器周期”功能,可在ISP編程時反復設置,當采用“6時鐘/機器周期”時,速度比普通8051快2倍。工作頻率0~80 MHz,片內8 KB Flash程序存儲器,擦寫次數(shù)10萬次以上,片內512 B RAM數(shù)據(jù)存儲器,3個硬件16位定時器,1個全雙工異步串行口。
  顯示部分采用 128×64點陣液晶顯示器,可以顯示4×8個(16×16點陣)漢字,也可完成圖形顯示。
1.4 光柵尺接口電路
  HCTL-2032與光柵尺的接口電路如圖4所示。圖中A1采用高速光電隔離器6N136,其傳輸信號頻率達到3 MHz以上,能有效隔離X-Y工作臺所產(chǎn)生的干擾信號進入位移測量儀。圖中只給出X軸A相接口電路,其余三相接口電路類同。

1.5 儀器工作原理
  位移測量儀原理圖如圖5所示。圖中U4A、U4B、U4C構成8MHz的有源振蕩電路,為HTCL-2032提供時鐘信號,由于時鐘信號頻率要大于8倍光柵尺輸出的正交脈沖頻率,因此可記錄的最大光柵尺輸出信號頻率為1 MHz,使用的光柵尺為2000線/mm,計算光柵尺的最大不漏數(shù)運動速度為0.5μm×1 MHz=0.5m/s。要提高不漏數(shù)運動速度,可提高時鐘信號頻率直達33 MHz。

  由光柵尺輸出的X軸A、B相正交脈沖由HCTL-2032的CHAX(15腳)與CHBX(14腳)輸入,Y軸A、B相正交脈沖由CHAY(16腳)與CHBY(13腳)輸入,經(jīng)HCTL-2032的內部施密特電路整形,數(shù)字濾波器濾波,正交解碼電路解碼,32位二進制可逆計數(shù)器計數(shù),32位鎖存器鎖存數(shù)據(jù),由D0~D7輸出。經(jīng)單片機P0口輸入單片機,單片機內部程序完成計算、顯示及控制等功能。被測量的X軸與Y軸位移數(shù)據(jù)由單片機的P1口輸出到128×64點陣液晶顯示器顯示。
  采用MAX232串口通信芯片,實現(xiàn)單片機與計算機之間的通信。單片機為下位機,計算機為上位機,下位機向上位機傳送的數(shù)據(jù)主要有X軸與Y軸位移信息[2-3]。
2 軟件設計
  軟件系統(tǒng)設計在Keil  μVision3軟件下通過C語言與匯編語言混合編寫,主程序采用C語言,子程序采用匯編語言,系統(tǒng)軟件設計流程為:單片機初始化、LCD初始化,記錄X軸與Y軸位移脈沖信號,分字節(jié)讀取HCTL-2032數(shù)據(jù),計算X軸與Y軸位移距離,顯示X軸與Y軸位移位置,單片機與計算機之間的通信[4-5]。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖6所示。


  基于正交解碼脈沖計數(shù)處理電路HCTL-2032的位移測量儀,硬件電路簡單,程序編程簡單和運算速度快,抗干擾能力強,能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量。測量范圍由光柵傳感器的長度、分辨率及HCTL-2032正交解碼器內部32位可逆計數(shù)器決定,測量分辨率0.5μm,精度可優(yōu)于±1μm。該位移測量系統(tǒng)已成功應用在激光鐳射點陣制板系統(tǒng)中。該儀器通過擴展可作為直線運動閉環(huán)控制的測量部分。
參考文獻
[1] HCTL-2032數(shù)據(jù)手冊.http://cn.alldatasheet.com.2008.
[2] 江曉軍,黃惠杰,王向朝.基于光柵傳感器的位移測量儀的研制[J].電子測量技術,2008,31(7):147-150. 
[3] 但永平,楊雷.基于FPGA的光柵尺信號智能接口模塊[J].國外電子元器件,2004(12):4-6.
[4] 梁海峰,嚴一心.基于光柵傳感器位移測量的軟、硬件設計[J].  現(xiàn)代電子技術,2003,23(5):88-89.
[5] 徐祿勇,李尚柏.基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯系統(tǒng)設計[J].國外電子元器件,2008(5):8-10.
 

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