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引言 目前，國內研究和開(kāi)發(fā)數控定位裝置的單位都在研制各種經(jīng)濟型的工作臺產(chǎn)品，一般定位精度為1 μm、5 μm、10μm。工作臺的結構布局、位移量的大小、測量速度等都越來(lái)越趨于靈活，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，但是這些工作臺大多數都是單機監控的分散結構，有些是通過(guò)RS485、現場(chǎng)總線(xiàn)、PLC等把設備連接在一起，構成簡(jiǎn)單的DCS或FCS網(wǎng)絡(luò )測量系統。利用這些方法構成的系統具有成本高、測量范圍小、速度低、不穩定和支持應用有限等缺陷，因而其發(fā)展受到了極大的限制。相反，工業(yè)以太網(wǎng)以其統一的TCP／IP協(xié)議和CSMA／CD多路訪(fǎng)問(wèn)方式使其得到了迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)不僅具有廉價(jià)、高速、簡(jiǎn)易、方便的特性，而且傳輸速率高、信息量大、兼容性強，所以受到許多工業(yè)監控現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)機構的高度重視。 本文介紹的基于EPA的光柵位移測量系統，具有功能易于拓展、聯(lián)網(wǎng)方便、造價(jià)低廉的特點(diǎn)，可很好地滿(mǎn)足航空航天、精密機械儀器、數控機床等領(lǐng)域中精密位移測量及定位的需要。 1 光柵位移測量系統硬件選型 1．1 主控制器DS80C410微處理器 DS80C410是快速的與8051兼容的高度集成的網(wǎng)絡(luò )微控制器。它執行指令的速度比普通的8051快3倍。它的外圍設備包括10／100Mbps的以太網(wǎng)MAC，2個(gè)串行端口，1個(gè)CAN2．0控制器，1個(gè)l-wrie控制器和64個(gè)I／O引腳。為了能訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )，ROM里嵌入了完全的TCPIPv4／6協(xié)議棧和操作系統。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧同時(shí)支持32個(gè)TCP連接而且可以通過(guò)以太網(wǎng)MAC以5 Mbps的速率傳輸數據。 對于半雙工操作模式，DS80C410和網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)一起共享以太網(wǎng)物理介質(zhì)。DS80C410訪(fǎng)問(wèn)物理介質(zhì)時(shí)遵守以太網(wǎng)的帶沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(CS-MA／CD)。MAC在試圖發(fā)送以前等待物理載體空閑。由于網(wǎng)絡(luò )中有很多節點(diǎn)，所以在發(fā)送時(shí)不同的節點(diǎn)可能發(fā)生沖突。當檢測到?jīng)_突時(shí)，MAC在嘗試再次發(fā)送前等待一個(gè)隨機時(shí)隙。除非有指令干涉，否則MAC再?lài)L試發(fā)送這個(gè)沖突幀，發(fā)送16次以后自動(dòng)放棄這個(gè)發(fā)送幀。對于全雙工通信模式，物理介質(zhì)和DS80C410直接連接到另外一個(gè)節點(diǎn)上，允許同時(shí)發(fā)送和接收數據，而不會(huì )發(fā)生沖突，因此不需要介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方法。對于全雙工通信，流控制機制使用PAUSE控制幀。當需要時(shí)間釋放接收數據緩沖區時(shí)，DS80C410可以初始化PSUSE幀，請求其他的嘗試發(fā)送幀的節點(diǎn)掛起幾個(gè)時(shí)隙。 和其他單片機相比，DS80C410的指令操作功能強大，不需要外擴存儲器。內部集成的2個(gè)串口，便于整個(gè)系統的功能升級和擴展。除了組建工業(yè)以太網(wǎng)接口電路所用到的端口外，還有大量的閑置端口可以用來(lái)實(shí)現其他用途，同時(shí)系統能夠實(shí)現在工業(yè)現場(chǎng)以10／100Mbps的網(wǎng)絡(luò )傳輸速度進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，便于系統實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化測試。另外，它執行指令的速度比普通的8051快3倍，所以有利于提高系統的響應時(shí)間。綜合考慮之后，選擇DS80C410作為整個(gè)光柵位移測量系統的主控制器。 1．2 以太網(wǎng)收發(fā)芯片LXT972ALC 本設計中需要一個(gè)傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)的以太網(wǎng)接口，這里采用的Intel公司的LXT972ALC就是這樣一個(gè)接收發(fā)送芯片。它遵守快速以太網(wǎng)協(xié)議，支持10／100MbpsMAC標準。LXT972ALC設備實(shí)現了標準IEEE802．3定義的MII。提供了從MAC到LXT972ALC數據傳輸的獨立通道。每一個(gè)通道都有各自的時(shí)鐘、數據總線(xiàn)和控制信號。 1．3 網(wǎng)絡(luò )變壓器 以太網(wǎng)收發(fā)芯片LXT972ALC輸出數據還要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器實(shí)現對信號的處理，網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器的作用就是把信號轉換成平衡信號傳輸，以減少共模干擾，提高數據傳輸距離。設計中采用了Belfuse的S558-5999-T7網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器。變壓器的兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出分別連接以太網(wǎng)收發(fā)芯片LXT972ALC的TPIP／N、TPOP／N和RJ45。 2 傳感器 傳感器的類(lèi)型是多種多樣的，其優(yōu)缺點(diǎn)也各有側重。相比較而言，光柵傳感器不僅具有高速、高精度、非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，而且位移檢測有較大的放大率以及誤差平均效應，所以廣泛應用于位移精密測量和精密定位控制領(lǐng)域。 2．1 光柵位移測量的基本原理 光柵傳感器主要是由標尺光柵、指示光柵和光電器件(發(fā)光和光敏器件)組成，當兩塊光柵以微小夾角重疊時(shí)會(huì )產(chǎn)生干涉，在與光柵刻線(xiàn)大致垂直的方向上形成亮暗相間的干涉條紋，即所謂莫爾條紋。隨著(zhù)兩光柵的相對移動(dòng)，條紋也發(fā)生移動(dòng)，在固定的光敏器件上就會(huì )有光的亮暗變化，對亮暗變化周期進(jìn)行計數，按照一定的對應關(guān)系即可計算出兩光柵的相對位移，這就是光柵測量位移的基本原理。一般，莫爾條紋的寬度遠大于光柵柵格的寬度，因而，莫爾條紋實(shí)際上起到了光學(xué)放大作用。其放大倍數為 
其中T為莫爾條紋的間距，d為光柵的柵格寬度，θ為兩光柵刻線(xiàn)夾角(單位為弧度)。光柵的柵格寬度是直接影響測量分辨率和精度的重要因素。對于不同的光柵尺，其測量的分辨率、精度以及量程都不一樣。光柵傳感器的柵距通常為0．02 mm(50線(xiàn)對／mm)、0．04mm(25線(xiàn)對，／mm)。輸出信號有相位角差90°的兩路方波信號和相位角依次差90°的四路正弦信號。由于方波信號為數字量，不需要A／D轉換，DS80C410就可以直接進(jìn)行處理，所以本文重點(diǎn)討論方波輸入信號，而對于正弦波信號，經(jīng)過(guò)整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘栞敵觥?br /> 本文采用高閾值邏輯(HTL)信號輸出的SGC－4．2光柵尺作為位移測量元件。這種光柵尺的特點(diǎn)是閾值電壓比較高，因此它的噪聲容限比較大，有較強的抗干擾能力。它的主要缺點(diǎn)是工作速度比較低，所以多用在對工作速度要求不高而對抗干擾能力要求較高的一些工業(yè)控制設備中。 2．2 四倍頻電路設計原理 在實(shí)際應用中，光柵傳感器輸出兩路相位相差為90°的方波信號A和B。如圖1所示，用A、B兩相信號的脈沖數表示光柵走過(guò)的位移量，標志光柵分正向與反向移動(dòng)。四倍頻后的信號經(jīng)計數器計數后轉化為相對位置。實(shí)現計數過(guò)程一般有兩種方法：一是由微處理器內部定時(shí)計數器實(shí)現；二是由可逆計數器實(shí)現對正反向脈沖的計數。
光柵信號A、B有以下關(guān)系： ①當光柵正向移動(dòng)時(shí)，光柵輸出的A相信號的相位超前B相90°，則在一個(gè)周期內，兩相信號共有4次相對變化：00－10－11－01－00。這樣：每發(fā)生1次變化，可逆計數器便實(shí)現1次加計數，1個(gè)周期內共可實(shí)現4次加計數，從而實(shí)現正轉狀態(tài)的四倍頻計數。 ②當光柵反向移動(dòng)時(shí)，光柵輸出的A相信號的相位滯后于B相信號90°，則一個(gè)周期內兩相信號也有4次相對變化：00－01－11－10－00。同理，如果每發(fā)生1次變化，可逆計數器便實(shí)現1次減計數，在1個(gè)周期內，共可實(shí)現4次減計數，就實(shí)現了反轉狀態(tài)的四倍頻計數。 ③當線(xiàn)路受到干擾或出現故障時(shí)，可能出現其他狀態(tài)轉換，此時(shí)計數器不進(jìn)行計數操作。 綜合上述分析，可以做出處理模塊狀態(tài)轉換圖，如圖2所示。其中“+”、“－”分別表示計數器加／減1，“0”表示計數器不動(dòng)作。
3 光柵位移測量系統的總體設計 光柵位移測量系統的結構框圖如圖3所示。系統工作時(shí)，SGC－4．2光柵尺將位置信號先轉化成HTL電壓信號輸出，經(jīng)過(guò)調理電路濾波和整流后，處理成標準的方波信號。然后控制器DS80C410通過(guò)內部高速計數器對外部的方波信號進(jìn)行計數運算。一方面向伺服驅動(dòng)器發(fā)布電機動(dòng)作指令，控制電機驅動(dòng)位移執行機構運動(dòng)；另一方面通過(guò)以太網(wǎng)收發(fā)芯片XT972ALC進(jìn)行讀寫(xiě)操作，將工業(yè)現場(chǎng)的測量信息上傳到工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )上，便于管理者進(jìn)行全局決策。
4 光柵位移測量系統的硬件設計 光柵位移測量系統的硬件實(shí)現主要包括位移檢測電路、電源電路、人機接口和聲光報警電路以及工業(yè)以太網(wǎng)接口電路的設計。 4．1 基于集成芯片的光柵位移檢測電路 光柵信號檢測電路可以由光敏三極管、比較器LM339、2片74193串聯(lián)組成。但是這種設計方案往往需要增加較多的可編程計數器，電路元器件眾多、結構復雜、功耗增加、穩定性下降。因此，本文對經(jīng)過(guò)SGC－4．2型光柵尺(50線(xiàn)／mm)出來(lái)的脈沖信號進(jìn)行倍頻處理時(shí)，選擇4倍頻專(zhuān)用集成電路芯片QA740210來(lái)實(shí)現，對信號4細分后，可得分辨率為5μm的計數脈沖，這在工業(yè)測控中已達到了很高的精確度。QA740210集成電路可將兩路正交的方波進(jìn)行四倍頻，并能根據輸入信號的相位關(guān)系進(jìn)行相位判別，產(chǎn)生2路加、減計數信號，可直接送到DS80C410高速計數器進(jìn)行計數。 為了使QA740210正常工作，需要設計由X0、X1、X2構成的振蕩器。振蕩頻率與電源電壓無(wú)關(guān)，僅取決于充電和放電的總時(shí)間常數，即與R1和C1的值有關(guān)。本文選用R1＝100 Ω，C1＝10μF，所示振蕩頻率ｆ＝250 kHz。具體的實(shí)現電路如圖4所示。
SGC－4．2型光柵傳感器輸出的是HTL方波信號，而QA740210的工作電壓為+5 V，所以必須通過(guò)電平轉換才能實(shí)現倍頻脈沖的輸出。電平轉換電路如圖5所示。
4．2 電源電路 在進(jìn)行整個(gè)控制系統設計時(shí)，如果電源系統過(guò)于復雜和冗余，不僅會(huì )對其他部分電路產(chǎn)生電磁干擾，而且經(jīng)濟效益也不好，所以設計中所有芯片都選擇的是5V、3．3 V或者1．8 V供電電壓。這樣，電源設計時(shí)只要用3片LM2596和一些電容、電感、二極管等就可以將24V電壓直接轉化為所需電壓，電路設計不僅容易，也非常經(jīng)濟，電源電路如圖6所示。具體使用時(shí)可以根據需要選擇LM2596－5V、LM2596－3．3V、LM2596－1．8V的芯片。要獲得+1．8 V和+5 V時(shí)用圖6(a)的接法，要獲得+3．3V時(shí)，用圖6(b)的接法。
4．3 人機接口和聲光報警電路 為限制位移執行機構在規定的范圍內運動(dòng)，必須用軟件設置限位開(kāi)關(guān)，每一邊界有一限位開(kāi)關(guān)。當撞到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，通過(guò)DS80C410從輸出端口P5．2輸出一個(gè)“1”電平，經(jīng)電阻分壓后，7920A的控制端MT得到約+1．5V的電壓，于是從其樂(lè )曲信號輸出端OUT輸出華爾茲樂(lè )曲信號，經(jīng)過(guò)放大電路M51182L放大后，驅動(dòng)揚聲器發(fā)出相應的報警樂(lè )曲聲，音量的大小可以通過(guò)調整10 kΩ電位器來(lái)實(shí)現。同時(shí)接通發(fā)光二極管，紅燈報警，同時(shí)控制電機停止運轉。具體電路如圖7所示。
4．4 工業(yè)以太網(wǎng)接口電路 工業(yè)以太網(wǎng)接口電路是由微控制器DS80C410、以太網(wǎng)收發(fā)器LXT972ALC、網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器S558－5999－T7、RJ45接頭和雙膠線(xiàn)等組成。以太網(wǎng)接口電路的作用，一方面是將工業(yè)現場(chǎng)的觀(guān)測數據上傳到以太網(wǎng)絡(luò )上，便于相關(guān)的管理部門(mén)或個(gè)人進(jìn)行決策管理；另一方面是將工業(yè)以太網(wǎng)的數據及操作命令傳送到工業(yè)現場(chǎng)，管理現場(chǎng)的測量系統進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的工作。當只進(jìn)行現場(chǎng)測量工作，而不需要進(jìn)行以太網(wǎng)通信時(shí)，可以由微控制器DS80C410直接控制整個(gè)現場(chǎng)設備。所以測量系統既具有單系統現場(chǎng)測量的可操作性，又具有網(wǎng)絡(luò )化測量的便捷性的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)接口電路略。 5 提高測量分辨率及精度的措施 5．1 溫度對測量精度的影響及補償 由于熱脹冷縮的作用，光柵刻線(xiàn)的間距會(huì )隨溫度而變化，這勢必會(huì )影響測量的精度。在溫度變化較大而對精度的要求又比較高的場(chǎng)合，必須對溫度進(jìn)行補償。對于相同的材料和相同的結構形式，其溫度引起形變的特性是相同的。補償的步驟是設定環(huán)境溫度在20℃時(shí)光柵的輸出為沒(méi)有溫度誤差的標準輸出，在20℃附近選擇一系列等間隔溫度點(diǎn)，經(jīng)過(guò)若干溫度的正(反)行程，在這些溫度點(diǎn)上測出柵尺的總體形變值，得出溫度形變相關(guān)數據。利用這些數據進(jìn)行特性曲線(xiàn)的擬合，擬合曲線(xiàn)即可進(jìn)行對溫度誤差的修正。擬合的曲線(xiàn)的多項式選擇二階或三階就足夠了，形式為： ε＝a3t3+a2t2+azt+a0 (2) 式中ε為光柵尺的形變，t為溫度，ai為待定系數。擬合方法采用最小二乘法，求得的擬合多項式即表示了溫度與光柵形變的近似關(guān)系。進(jìn)行補償時(shí)有兩種辦法：一是將曲線(xiàn)的系數存于非易失性存儲器中，修正時(shí)直接計算以上多項式；另一種是將以上曲線(xiàn)做成表格，補償時(shí)，查表并插值。 5．2 提高系統抗干擾能力 光柵傳感器在具有振動(dòng)的環(huán)境下進(jìn)行測量時(shí)，經(jīng)常遇到干擾。在A(yíng)相或B相的邊緣處，即在電平跳變處，由于微小的振動(dòng)，會(huì )在邊緣處出現無(wú)數的小尖峰，使計數器誤觸發(fā)影響了計數精度。為此可以采用定時(shí)／計數器的飛讀或利用對脈沖有效性判斷等方法來(lái)提高系統的測量精度。 參考文獻 1. 王曉芳,滕少龍.基于EPA的控制工程實(shí)驗及研究平臺開(kāi)發(fā)[J].工業(yè)控制計算機,2007,20(5):34-35. 2. 姚遠,等.基于10/100M網(wǎng)絡(luò )的嵌入式數據采集和控制系統設計[J].計算機應用,2004(12):287-288. 3. 李會(huì )平,等.DS80C400在嵌入式智能網(wǎng)橋中的應用[J].微計算機信息,2007(3):46-48. 4. 梁長(cháng)垠.光柵傳感器在位移自動(dòng)測量系統中的應用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2001(3):13-14. 5. 陳仁文,袁紅衛.精密光柵位移傳感器的若干信號處理問(wèn)題研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2002(4):360-362. 作者：楊輝(南昌大學(xué)) 李浩鋒(東方電機有限公司) 羅正偉(西安理工大學(xué)) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（9） |
