摘 要：介紹了一種采用正交解碼計(jì)數(shù)電路HCTL-2032的位移測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，其中的2個(gè)光柵傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)硬件電路分別進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)，再使用單片機(jī)對(duì)計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，能可靠對(duì)X-Y工作臺(tái)在坐標(biāo)X和坐標(biāo)Y方向上的位移分別進(jìn)行測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試和擴(kuò)展等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：HCTL-2032；單片機(jī)；光柵傳感器；正交解碼
X-Y工作臺(tái)的位移測(cè)量?jī)x被廣泛應(yīng)用在光學(xué)精密測(cè)量機(jī)器和高精度的數(shù)控機(jī)床上，位移檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性對(duì)控制系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。使用光柵尺作為位置測(cè)量系統(tǒng)的傳感元件，利用光柵尺輸出信號(hào)為數(shù)字量，不受溫度、時(shí)間的影響，抗干擾能力強(qiáng)，能夠動(dòng)態(tài)而精確地測(cè)量直線(xiàn)位移。本文介紹了基于HCTL-2032的位移測(cè)量?jī)x以單片機(jī)為核心，以光柵尺為傳感元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制作成本低，能夠動(dòng)態(tài)而高精度地測(cè)量直線(xiàn)位移，實(shí)現(xiàn)了精確定位測(cè)量。
1 儀器結(jié)構(gòu)與原理
利用正交解碼脈沖記數(shù)處理電路HCTL-2032與單片機(jī)STC89C52RC為核心器件的位移測(cè)量?jī)x硬件框圖如圖1所示。
1.1 光柵傳感器
將光源、2塊長(zhǎng)光柵（動(dòng)尺和定尺）、光電檢測(cè)器件組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱(chēng)為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號(hào)，動(dòng)尺移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出的電信號(hào)便變化一個(gè)周期，它是通過(guò)對(duì)信號(hào)變化周期的測(cè)量來(lái)測(cè)出動(dòng)尺與定尺的相對(duì)位移。通常使用的光柵尺輸出信號(hào)為方波信號(hào)。輸出方波信號(hào)的光柵尺有A相、B相和Z相3個(gè)電信號(hào)，A相與B相信號(hào)周期相同，均為W，相位差90°。Z相信號(hào)可以作為校準(zhǔn)信號(hào)以消除累積誤差。圖2給出了動(dòng)尺移動(dòng)時(shí)，A、B信號(hào)的變化情況。正相運(yùn)動(dòng)時(shí)A相超前B相90°，反相運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)。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(jì)數(shù)處理電路HCTL-2032
HCTL-2032是Avago公司生產(chǎn)的CMOS專(zhuān)用集成電路，集噪聲濾波、正交解碼、可逆計(jì)數(shù)、總線(xiàn)接口于一體，可大大改善測(cè)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(zhǔn)信號(hào)，時(shí)鐘頻率達(dá)33 MHz，不僅使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且提高了測(cè)量精度和處理數(shù)據(jù)的速度。
1.2.1引腳功能說(shuō)明
HCTL-2032采用32引腳封裝，引腳功能說(shuō)明如表1所示。
1.2.2功能描述
HCTL-2032內(nèi)部包括數(shù)字濾波器、正交解碼邏輯、32位可逆計(jì)數(shù)器、總線(xiàn)接口，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)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(hào)的噪聲。正交信號(hào)通過(guò)施密特觸發(fā)器后，必須保持3個(gè)上升沿才能通過(guò)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(shí)間短的噪聲脈沖通過(guò)數(shù)字濾波器時(shí)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(dāng)選擇4×模式時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)正交解碼器在時(shí)鐘上升沿采樣4種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同理，當(dāng)選擇2×和1×模式時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)正交解碼器在時(shí)鐘上升沿分別采樣2種、1種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)。每監(jiān)測(cè)到一次狀態(tài)變化，在CNTDEC引腳輸出一個(gè)寬度為半個(gè)時(shí)鐘周期的正脈沖。同時(shí)給出狀態(tài)轉(zhuǎn)移方向信號(hào)，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(jì)數(shù)器，在時(shí)鐘的上升沿計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值送入32位鎖存器。由于輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)只有8位，因此32位的數(shù)據(jù)需要通過(guò)改變控制線(xiàn)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(jī)作為核心控制器件，該單片機(jī)與8051兼容，具有“6時(shí)鐘/機(jī)器周期”和“12時(shí)鐘/機(jī)器周期”功能，可在ISP編程時(shí)反復(fù)設(shè)置，當(dāng)采用“6時(shí)鐘/機(jī)器周期”時(shí)，速度比普通8051快2倍。工作頻率0～80 MHz，片內(nèi)8 KB Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)次以上，片內(nèi)512 B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，3個(gè)硬件16位定時(shí)器，1個(gè)全雙工異步串行口。
顯示部分采用 128×64點(diǎn)陣液晶顯示器，可以顯示4×8個(gè)（16×16點(diǎn)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(hào)頻率達(dá)到3 MHz以上，能有效隔離X-Y工作臺(tái)所產(chǎn)生的干擾信號(hào)進(jìn)入位移測(cè)量?jī)x。圖中只給出X軸A相接口電路，其余三相接口電路類(lèi)同。
1.5 儀器工作原理
位移測(cè)量?jī)x原理圖如圖5所示。圖中U4A、U4B、U4C構(gòu)成8MHz的有源振蕩電路，為HTCL-2032提供時(shí)鐘信號(hào)，由于時(shí)鐘信號(hào)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(hào)頻率為1 MHz，使用的光柵尺為2000線(xiàn)/mm，計(jì)算光柵尺的最大不漏數(shù)運(yùn)動(dòng)速度為0.5μm×1 MHz=0.5m/s。要提高不漏數(shù)運(yùn)動(dòng)速度，可提高時(shí)鐘信號(hào)頻率直達(dá)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(nèi)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(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，32位鎖存器鎖存數(shù)據(jù)，由D0～D7輸出。經(jīng)單片機(jī)P0口輸入單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部程序完成計(jì)算、顯示及控制等功能。被測(cè)量的X軸與Y軸位移數(shù)據(jù)由單片機(jī)的P1口輸出到128×64點(diǎn)陣液晶顯示器顯示。
采用MAX232串口通信芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。單片機(jī)為下位機(jī)，計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，下位機(jī)向上位機(jī)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(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在Keil μVision3軟件下通過(guò)C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)，主程序采用C語(yǔ)言，子程序采用匯編語(yǔ)言，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化、LCD初始化，記錄X軸與Y軸位移脈沖信號(hào)，分字節(jié)讀取HCTL-2032數(shù)據(jù)，計(jì)算X軸與Y軸位移距離，顯示X軸與Y軸位移位置，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信[4-5]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。
基于正交解碼脈沖計(jì)數(shù)處理電路HCTL-2032的位移測(cè)量?jī)x，硬件電路簡(jiǎn)單，程序編程簡(jiǎn)單和運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，能可靠對(duì)X-Y工作臺(tái)在坐標(biāo)X和坐標(biāo)Y方向上的位移分別進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量范圍由光柵傳感器的長(zhǎng)度、分辨率及HCTL-2032正交解碼器內(nèi)部32位可逆計(jì)數(shù)器決定，測(cè)量分辨率0.5μm，精度可優(yōu)于±1μm。該位移測(cè)量系統(tǒng)已成功應(yīng)用在激光鐳射點(diǎn)陣制板系統(tǒng)中。該儀器通過(guò)擴(kuò)展可作為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制的測(cè)量部分。
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