周 洋，齊樹毅，丁進軍

（1.中國人民解放軍92038部隊 山東 青島 266100；2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451；3.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，工業(yè)操作中對位移測量的精度要求越來越高。在迅速發(fā)展的計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動下，位移檢測設(shè)備也發(fā)生了巨大的改變。在此背景下，光柵尺測量系統(tǒng)應(yīng)運而生。光柵尺，屬光電傳感器，多運用在精密機加工和數(shù)控機床上，用來精密測量物體的位移，是現(xiàn)代測量領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種傳感器。光柵尺測量系統(tǒng)以高精度、高穩(wěn)定性、大量程、可實現(xiàn)動態(tài)檢測等優(yōu)點在當(dāng)今測量系統(tǒng)中占有明顯的優(yōu)勢，并成為我國工業(yè)現(xiàn)代化重點推廣的技術(shù)。

文中基于AVR單片機設(shè)計了一套數(shù)字光柵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)使用ATMEL公司的ATmega16L單片機作為核心的微控制器來控制各個功能模塊。主要功能模塊有定時器模塊、串口數(shù)據(jù)接口模塊。光柵尺每脈沖當(dāng)量為4 μm，要求其分辨率為1 μm。單片機對光柵尺傳感器輸出信號進行采集，光柵位移細(xì)分，數(shù)據(jù)處理。位移量通過光柵的透射轉(zhuǎn)換成莫爾條紋的運動，然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出，這樣，我們只要記錄脈沖信號的數(shù)目，以及位移停止時的最后一個狀態(tài)，就可以計算出位移量的大小，達到了1 μm的分辨率。

1 器件說明

1.1 ATmega16單片機

ATmega16是ATMEL公司的生產(chǎn)的性價比比較高的單片機。ATmega16有如下特點：16 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1 k字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個具有比較模式的靈活的定時器計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，1個SPI串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作[1]。

1.2 雙D觸發(fā)器74HC74

該器件內(nèi)含兩個獨立的D觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）、復(fù)位輸入（、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、），和的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與輸入端的電平無關(guān)，當(dāng)和均無效（高電平）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端[2]。

1.3 數(shù)字光柵尺

光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。光柵尺輸出引腳信號如表1所示。

表1 光柵尺輸出輸入信號Tab.1 Output and input signals of grating ruler

A，B信號為輸出脈沖，每隔4 μm變化；Z信號為校準(zhǔn)脈沖，每隔50 mm輸出一個脈沖。

2 系統(tǒng)設(shè)計

主要思路：在本系統(tǒng)中，光柵尺的位移分為3部分：刻度脈沖、校準(zhǔn)脈沖和補償脈沖。

1）刻度脈沖：利用單片機的定時器比較匹配中斷功能可以檢測刻度脈沖，設(shè)置定時器的比較值為1，即來了一次上升沿脈沖后進入匹配中斷進行判別[3]。在中斷子程序里面首先置寄存器初始值，然后通過D觸發(fā)器送來的方向完成對刻度位移加減的計算?？梢赃x擇A或者B信號作為脈沖計數(shù)源。

2）校準(zhǔn)脈沖：光柵尺每隔一段位移有一個校準(zhǔn)信號Z，可通過外部中斷接入，在外部中斷子程序里面完成對校準(zhǔn)位移的計算和刻度脈沖的清零[4]。

3）補償脈沖：由于AB信號一共有4個狀態(tài)，通過讀取2個刻度脈沖的狀態(tài)并比較狀態(tài)值可以得出位移補償。光柵尺的位移為刻度位移、校準(zhǔn)位移和和補償位移之和。

上位機可通過串口實現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)，清零設(shè)置，存儲當(dāng)前值等功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計Fig.1 System design

2.1 光柵尺位移方向的獲取

光柵尺的運動不是單向移動，但其接口只能給出脈沖數(shù)，而不能辨別移動方向。因此系統(tǒng)采用D觸發(fā)器來辨別方向。其輸出信號如圖2所示。

圖2 光柵尺輸出的脈沖信號Fig.2 Output pulse of grating ruler

用A信號連接D觸發(fā)器的CP端，B信號連接D觸發(fā)器的D端，當(dāng)正向移動時D觸發(fā)器Q端的輸出為1，反之為0。其原理圖如圖3所示。

圖3 方向原理圖Fig.3 Schematic diagram of direction

2.2 光柵尺位移的計算原理

根據(jù)光柵尺讀數(shù)原理，刻度脈沖為一個固定的位移[5]。這里為4 μm，即每次來一個正向脈沖，刻度位移增加4 μm，反方向運動時，刻度位移每次減小4 μm。所以在刻度位移計算的子程序中通過判斷位移的方向可以獲取相應(yīng)的刻度位移。.校準(zhǔn)刻度的計算也需要判斷當(dāng)前位移方向，當(dāng)光柵尺正向移動時校準(zhǔn)脈沖變量加一，反之減一。考慮零點是隨時改變的，故第一個校準(zhǔn)點處的刻度值需要用來做標(biāo)定。 光柵尺位移為刻度位移和校準(zhǔn)位移之和。

設(shè)置校準(zhǔn)位移變量為tNUM，刻度位移變量為sNUM，正向第一個點處標(biāo)定值為move_data00，反向第一個點處標(biāo)定值為move_data01。通過分析光柵尺位移的狀態(tài)我們知道，總共有4種位移計算情況，如表2所示。

2.3 補償位移

光柵尺的A，B脈沖可分為4種狀態(tài)00、01、10、11， 通過獲取該狀態(tài)值并比較可獲得0～4 μm的脈沖補償。正向和反向移動時狀態(tài)均有16種情況，需要加以判別并得到補償位移。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)上電后初始化串口配置，端口等。查詢A、B狀態(tài)，等待串口命令和中斷信號[6]。位移信息通過中斷程序即可獲取，如串口需要獲取數(shù)據(jù)，還需要進入位移補償子程序?qū)ξ灰七M行補償，最后經(jīng)過十進制轉(zhuǎn)換后發(fā)給上位機。

表2 光柵尺位移計算Tab.2 Grating ruler displacement calculation

3.2 定時器中斷子程序

3.3 外部中斷子程序

4 實際電路的改進

由于實際工業(yè)環(huán)境中，脈沖干擾很擾很大，導(dǎo)致位移測量有一定的誤差。D觸發(fā)器也有一定的延時。為了改進測量性能，可以加入光耦隔離電路或濾波電路。改進后的電路如圖4所示。

圖4 改進的電路框圖Fig.4 Improved block diagram

5 結(jié)束語

文中基于M16設(shè)計了一個光柵尺位移測量系統(tǒng)，可以接受上位機信息控制讀取光柵尺位移信息，在工業(yè)測量控制中有一定的使用價值。

[1]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3]李長林.AVR單片機應(yīng)用設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]吳健.AVR單片機實用C語言程序設(shè)計與典型實例[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5]葉盛祥.光電位移精密測量技術(shù)[M].四川：四川科技出版社.2003.

[6]ATMEL Corporation.ATmega16[EB/OL].[2011-09-27].http：//www.dzsc.com/datasheet/ATmega16_144718.html.