基于EPA的光柵位移測量系統

引 言
??? 目前，國內研究和開發數控定位裝置的單位都在研制各種經濟型的工作臺產品，一般定位精度為1 μm、5 μm、10 μm。工作臺的結構布局、位移量的大小、測量速度等都越來越趨于靈活，自動化程度也越來越高，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RS485、現場總線、PLC等把設備連接在一起，構成簡單的DCS或FCS網絡測量系統。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，因而其發展受到了極大的限制。相反，工業以太網以其統一的TCP／IP協議和CSMA／CD多路訪問方式使其得到了迅猛發展，以太網不僅具有廉價、高速、簡易、方便的特性，而且傳輸速率高、信息量大、兼容性強，所以受到許多工業監控現場總線開發機構的高度重視。
??? 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、聯網方便、造價低廉的特點，可很好地滿足航空航天、精密機械儀器、數控機床等領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絡微控制器。它執行指令的速度比普通的8051快3倍。它的外圍設備包括10／100 Mbps的以太網MAC，2個串行端口，1個CAN2．0控制器，1個l-wrie控制器和64個I／O引腳。為了能訪問網絡，ROM里嵌入了完全的TCPIPv4／6協議棧和操作系統。網絡協議棧同時支持32個TCP連接而且可以通過以太網MAC以5 Mbps的速率傳輸數據。
??? 對于半雙工操作模式，DS80C410和網絡上其他節點一起共享以太網物理介質。DS80C410訪問物理介質時遵守以太網的帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議(CS-MA／CD)。MAC在試圖發送以前等待物理載體空閑。由于網絡中有很多節點，所以在發送時不同的節點可能發生沖突。當檢測到沖突時，MAC在嘗試再次發送前等待一個隨機時隙。除非有指令干涉，否則MAC再嘗試發送這個沖突幀，發送16次以后自動放棄這個發送幀。對于全雙工通信模式，物理介質和DS80C410直接連接到另外一個節點上，允許同時發送和接收數據，而不會發生沖突，因此不需要介質訪問方法。對于全雙工通信，流控制機制使用PAUSE控制幀。當需要時間釋放接收數據緩沖區時，DS80C410可以初始化PSUSE幀，請求其他的嘗試發送幀的節點掛起幾個時隙。
??? 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個串口，便于整個系統的功能升級和擴展。除了組建工業以太網接口電路所用到的端口外，還有大量的閑置端口可以用來實現其他用途，同時系統能夠實現在工業現場以10／100 Mbps的網絡傳輸速度進行實時通信，便于系統實現網絡化測試。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間。綜合考慮之后，選擇DS80C410作為整個光柵位移測量系統的主控制器。
1．2 以太網收發芯片LXT972ALC
??? 本設計中需要一個傳輸介質為雙絞線的以太網接口，這里采用的Intel公司的LXT972ALC就是這樣一個接收發送芯片。它遵守快速以太網協議，支持10／100 MbpsMAC標準。LXT972ALC設備實現了標準IEEE802．3定義的MII。提供了從MAC到LXT972ALC數據傳輸的獨立通道。每一個通道都有各自的時鐘、數據總線和控制信號。
1．3 網絡變壓器
??? 以太網收發芯片LXT972ALC輸出數據還要通過網絡隔離變壓器實現對信號的處理，網絡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網絡隔離變壓器。變壓器的兩個輸入和兩個輸出分別連接以太網收發芯片LXT972ALC的TPIP／N、TPOP／N和RJ45。

2 傳感器
??? 傳感器的類型是多種多樣的，其優缺點也各有側重。相比較而言，光柵傳感器不僅具有高速、高精度、非接觸測量等優點，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(發光和光敏器件)組成，當兩塊光柵以微小夾角重疊時會產生干涉，在與光柵刻線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。隨著兩光柵的相對移動，條紋也發生移動，在固定的光敏器件上就會有光的亮暗變化，對亮暗變化周期進行計數，按照一定的對應關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，莫爾條紋實際上起到了光學放大作用。其放大倍數為
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??? 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線對／mm)、0．04 mm(25線對，／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就可以直接進行處理，所以本文重點討論方波輸入信號，而對于正弦波信號，經過整形可變為方波信號輸出。
??? 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控制設備中。
2．2 四倍頻電路設計原理
??? 在實際應用中，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的位移量，標志光柵分正向與反向移動。四倍頻后的信號經計數器計數后轉化為相對位置。實現計數過程一般有兩種方法：一是由微處理器內部定時計數器實現；二是由可逆計數器實現對正反向脈沖的計數。

??? 光柵信號A、B有以下關系：
??? ①當光柵正向移動時，光柵輸出的A相信號的相位超前B相90°，則在一個周期內，兩相信號共有4次相對變化：00－10－11－01－00。這樣：每發生1次變化，可逆計數器便實現1次加計數，1個周期內共可實現4次加計數，從而實現正轉狀態的四倍頻計數。
??? ②當光柵反向移動時，光柵輸出的A相信號的相位滯后于B相信號90°，則一個周期內兩相信號也有4次相對變化：00－01－11－10－00。同理，如果每發生1次變化，可逆計數器便實現1次減計數，在1個周期內，共可實現4次減計數，就實現了反轉狀態的四倍頻計數。
??? ③當線路受到干擾或出現故障時，可能出現其他狀態轉換，此時計數器不進行計數操作。
??? 綜合上述分析，可以做出處理模塊狀態轉換圖，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，SGC－4．2光柵尺將位置信號先轉化成HTL電壓信號輸出，經過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通過內部高速計數器對外部的方波信號進行計數運算。一方面向伺服驅動器發布電機動作指令，控制電機驅動位移執行機構運動；另一方面通過以太網收發芯片XT972ALC進行讀寫操作，將工業現場的測量信息上傳到工業以太網絡上，便于管理者進行全局決策。

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以太網接口電路的設計。
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，本文對經過SGC－4．2型光柵尺(50線／mm)出來的脈沖信號進行倍頻處理時，選擇4倍頻專用集成電路芯片QA740210來實現，對信號4細分后，可得分辨率為5μm的計數脈沖，這在工業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行四倍頻，并能根據輸入信號的相位關系進行相位判別，產生2路加、減計數信號，可直接送到DS80C410高速計數器進行計數。

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關，僅取決于充電和放電的總時間常數，即與R1和C1的值有關。本文選用R1＝100 Ω，C1＝10μF，所示振蕩頻率ｆ＝250 kHz。具體的實現電路如圖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，所以必須通過電平轉換才能實現倍頻脈沖的輸出。電平轉換電路如圖5所示。

4．2 電源電路
??? 在進行整個控制系統設計時，如果電源系統過于復雜和冗余，不僅會對其他部分電路產生電磁干擾，而且經濟效益也不好，所以設計中所有芯片都選擇的是5 V、3．3 V或者1．8 V供電電壓。這樣，電源設計時只要用3片LM2596和一些電容、電感、二極管等就可以將24 V電壓直接轉化為所需電壓，電路設計不僅容易，也非常經濟，電源電路如圖6所示。具體使用時可以根據需要選擇LM2596－5V、LM2596－3．3V、LM2596－1．8V的芯片。要獲得+1．8 V和+5 V時用圖6(a)的接法，要獲得+3．3 V時，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，必須用軟件設置限位開關，每一邊界有一限位開關。當撞到限位開關時，通過DS80C410從輸出端口P5．2輸出一個“1”電平，經電阻分壓后，7920A的控制端MT得到約+1．5 V的電壓，于是從其樂曲信號輸出端OUT輸出華爾茲樂曲信號，經過放大電路M51182L放大后，驅動揚聲器發出相應的報警樂曲聲，音量的大小可以通過調整10 kΩ電位器來實現。同時接通發光二極管，紅燈報警，同時控制電機停止運轉。具體電路如圖7所示。

4．4 工業以太網接口電路
??? 工業以太網接口電路是由微控制器DS80C410、以太網收發器LXT972ALC、網絡隔離變壓器S558－5999－T7、RJ45接頭和雙膠線等組成。以太網接口電路的作用，一方面是將工業現場的觀測數據上傳到以太網絡上，便于相關的管理部門或個人進行決策管理；另一方面是將工業以太網的數據及操作命令傳送到工業現場，管理現場的測量系統進行實時有效的工作。當只進行現場測量工作，而不需要進行以太網通信時，可以由微控制器DS80C410直接控制整個現場設備。所以測量系統既具有單系統現場測量的可操作性，又具有網絡化測量的便捷性的優點。整個工業以太網接口電路略。

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，光柵刻線的間距會隨溫度而變化，這勢必會影響測量的精度。在溫度變化較大而對精度的要求又比較高的場合，必須對溫度進行補償。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境溫度在20℃時光柵的輸出為沒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，經過若干溫度的正(反)行程，在這些溫度點上測出柵尺的總體形變值，得出溫度形變相關數據。利用這些數據進行特性曲線的擬合，擬合曲線即可進行對溫度誤差的修正。擬合的曲線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系。進行補償時有兩種辦法：一是將曲線的系數存于非易失性存儲器中，修正時直接計算以上多項式；另一種是將以上曲線做成表格，補償時，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的環境下進行測量時，經常遇到干擾。在A相或B相的邊緣處，即在電平跳變處，由于微小的振動，會在邊緣處出現無數的小尖峰，使計數器誤觸發影響了計數精度。為此可以采用定時／計數器的飛讀或利用對脈沖有效性判斷等方法來提高系統的測量精度