USB總線(xiàn)在光柵位移傳感器檢測系統中的應用

由于光柵傳感器測量精度高、動(dòng)態(tài)測量范圍廣、可進(jìn)行無(wú)接觸測量、易實(shí)現系統的自動(dòng)化和數字化，因而在機械工業(yè)中得到了廣泛的應用。

特別是在量具、數控機床的閉環(huán)反饋控制、工作母機的坐標測量等方面，光柵傳感器起著(zhù)重要作用。

目前，USB端口已成為微機主板的標準端口，利用USB總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)適用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的各種儀器儀表設備，借以取代傳統計算機測 控系統中采用的串行RS232、并行接口以及ISA或PCI總線(xiàn)的儀器儀表設備，不僅可使計算機測控系統更加高效實(shí)時(shí)、方便靈活，而且可滿(mǎn)足高質(zhì)量、高可 靠性、低成本計算機測控系統的要求。本文以光柵位移傳感器檢測系統的設計背景，詳細介紹了系統的硬件、軟件設計方法。

光柵位移傳感器的基本原理和特點(diǎn)

光柵位移傳感器的基本構成是一對光柵，其中一塊是固定的，而另一塊是運動(dòng)的。當它們發(fā)生相對運動(dòng)并有光通過(guò)兩者時(shí)，能夠獲得相當于干涉儀中得到的條紋信號，即所謂的莫爾條紋信號。與普通位移傳感器相比，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

● 精度高。光柵位移傳感器在大量程測量長(cháng)度或直線(xiàn)位移方面僅僅低于激光干涉傳感器。在圓分度和角位移測量方面，光柵式傳感器也屬于精度最高的。

● 大量程測量兼有高分辨率。感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點(diǎn)，但分辨力和精度都不如光柵位移傳感器。

● 可實(shí)現動(dòng)態(tài)測量，易于實(shí)現測量及數據處理的自動(dòng)化。

● 具有較強的抗干擾能力，對環(huán)境條件的要求不像激光干涉傳感器那樣嚴格，但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強，油污和灰塵會(huì )影響它的可靠性。主要適用于在實(shí)驗室和環(huán)境較好的車(chē)間使用。

系統硬件設計

1 系統原理簡(jiǎn)介

光柵位移傳感器是進(jìn)行高精度位移測量的光電轉換器，它將位移微變量轉換為多路正弦光柵信號。硬件電路要求首先對正弦光柵信號合成，消除測量 中的共模干擾信號，然后一路進(jìn)入單片機進(jìn)行A/D轉換；另一路通過(guò)比較器轉換成數字信號后由D觸發(fā)器和與門(mén)電路完成光柵位移的辨向，而后進(jìn)入單片機進(jìn)行正 向和反向計數；其次單片機將這些數據通過(guò)USB插口送入計算機，最后由計算機進(jìn)行數據細分和處理，從而得到光柵位移長(cháng)度。

2 方案的選定

利用USB總線(xiàn)的數據采集方案有兩種，一種方案是采用普通單片機另加上專(zhuān)用的USB通信芯片，現在的專(zhuān)用芯片中較為流行的有 National Semiconductor公司的USBN9602、USBN9603、USBN9604，Philips公司提供的PDIUSBD12，以及 SanLogic公司的SL11等。該方案可充分利用開(kāi)發(fā)人員原有的硬件資源和軟件知識，開(kāi)發(fā)成本較低，但設計和調試較為麻煩，而且電磁兼容性差，容易造 成主機不能識別USB設備。另一種是利用具有USB接口功能的單片機。目前國外不少主要芯片廠(chǎng)商都陸續推出了帶USB通信接口的單片機，使用這些專(zhuān)用芯片 構成的數據采集系統電路設計簡(jiǎn)單，調試方便，電磁兼容性好。本設計的USB光柵位移檢測系統接口電路就采用了Microchip的USB PIC單片機。

3 PIC18F4550芯片特點(diǎn)

Microchip公司的帶USB通信接口的單片機PIC18F4550芯片為40/44腳封裝，配備了功能強大的12MIPS RISC內核，自編程閃存存儲器以及納瓦節能技術(shù)，工作頻率達48MHz，數據傳輸速率高達12Mb/s。新器件還具有Microchip先進(jìn)的PMOS 電可擦除單元（PEEC）閃存技術(shù)，耐擦寫(xiě)次數可高達100萬(wàn)次，而數據保存期能超過(guò)40年。此外，其全速USB 2.0接口包括一個(gè)片上收發(fā)器和一個(gè)并行流端口，能把數據直接傳送到外部的設備，減少CPU的開(kāi)銷(xiāo)，而且大大增加了系統的抗干擾能力和工作的可靠性。

PIC18F4550單片機的一個(gè)關(guān)鍵特性在于它配備了32Kb自編程增強型閃存，使得設計人員可以通過(guò)USB端口對最終應用進(jìn)行現場(chǎng)升 級。結合新器件配備的一系列片上外設和納瓦技術(shù)（nanoWatt）的功耗管理功能，該全速USB PIC單片機非常適用于多種嵌入式應用，包括工業(yè)領(lǐng)域、醫療、汽車(chē)、電池供電應用和消費類(lèi)產(chǎn)品。

從光柵傳感器輸入的信號有5路：±SIN、±COS以及零窗信號ZERO，它們經(jīng)差分放大電路合成，分3路進(jìn) 入PIC單片機模擬量輸入口進(jìn)行A/D轉換；同時(shí)，經(jīng)差分放大電路合成后的SIN、 COS 信號再經(jīng)零比較器后轉換成數字脈沖信號，然后經(jīng)D觸發(fā)器和與門(mén)電路完成光柵位移的辨向。PIC單片機T0和T1口接收來(lái)自與門(mén)電路的數字脈沖，完成光柵位 移的計大數（計算光柵尺移動(dòng)的完整光柵數）；PIC單片機RC1口輸出4MHz的PWM脈沖信號作為D觸發(fā)器的CP信號。計算機的USB接口兩根數據線(xiàn)分 別接PIC18F4550的D＋和D－口用以完成計算機和單片機之間的數據通信，計算機的USB電源一方面為PIC微處理器提供能源，另一反面通過(guò)電源模 塊轉換成±12V電源，為運放電路提供正負電源。

系統軟件設計

1單片機軟件部分的設計

單片機的軟件部分主要完成光柵位移傳感器的數據采集、A/D轉換、計算光柵位移傳感器的正向、反向莫爾條紋的個(gè)數、為數字電路提供CP脈沖以及完成USB的通信等工作。

① A/D轉換部分的程序設計

PIC18F4550 器件的ADC模塊有13個(gè)輸入通道。該模塊能將任意一個(gè)模擬輸入信號轉換成相應的10位數字信號。本檢測系統需要把COS和SIN兩路正弦模擬信號轉換成 數字信號，同時(shí)把一路零位脈沖信號送入單片機寄存器中。因此在設計A/D轉換部分程序時(shí)，把RA0、RA3分別設為SIN和COS兩路模擬信號的輸入，把 RA5設為零位信號的數字輸入，其他模擬信號口都分別設為數字量輸出口，以便最大限度的減少單片機的外圍電路對該系統信號采集的影響，提高整個(gè)系統的抗干 擾能力和精度。

② 定時(shí)器/計數器部分的程序設計

本檢測系統的單片機需要把光柵位移傳感器正向移動(dòng)的光柵線(xiàn)數和反向移動(dòng)的光柵線(xiàn)數計算出來(lái)，然后通過(guò)USB接口送到上位機，作為光柵位移長(cháng) 度的計大數部分。光柵位移傳感器輸出的正弦信號經(jīng)過(guò)信號調理電路后，可以把它移動(dòng)的光柵線(xiàn)數轉換成數字脈沖，從而可以通過(guò)計算脈沖的個(gè)數來(lái)達到計算光柵線(xiàn) 數的目的。因此我們可以選擇Timer0和Timer1作為計數器使用，從而計算出光柵位移傳感器正反向移動(dòng)的光柵線(xiàn)數。

③ 比較/ 捕捉/PWM （CCP）模塊的設計

PIC18F4550具備一個(gè)16位數據和分辨率的捕捉(Capture)/比較（Compare）/PWM（Pulse Width Modulation）模塊CCP2和一個(gè)增強型捕捉/比較/PWM模塊CCP1。其中，增強型CCP1具有死區控制和故障保護輸入功能。每個(gè)CCP模塊 有一個(gè)16位寄存器，它可以用作16位捕捉寄存器、16位比較寄存器或PWM主/從占空比寄存器。因為本設計只需要一路PWM輸出，所以我們只需要使用一 個(gè)CCP2就能滿(mǎn)足設計要求。根據系統設計要求，我們使用單片機的Timer2配合單片機的CCP使用，使CCP模塊輸出4M的方波。

④ USB模塊的設計

對于單片機控制程序，目前沒(méi)有任何廠(chǎng)商提供自動(dòng)生成固件（firmware）的工具，因此所有程序都要由自己手工編制。本系統的設計就是在Microchip提供的DEMO程序的基礎上，進(jìn)行必要的修改而完成的。

2 PC軟件部分的設計

PC的軟件部分主要用于完成上位機同下位機之間的USB通信，光柵位移傳感器位移信號的細分和顯示等功能。為了下一步的軟件開(kāi)發(fā)以及與廠(chǎng)家的其它軟件接口，應廠(chǎng)家的要求，本系統上位機的軟件部分采用VC++6.0來(lái)實(shí)現。

該設備驅動(dòng)程序采用了Microchip的通用USB設備驅動(dòng)程序，而接口通信程序采用了Microchip的BAPI.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫。

計算機對最后一個(gè)正弦信號進(jìn)行細分，細分點(diǎn)通過(guò)計算相位程序結合正、余弦信號象限判別來(lái)獲得。為了提高精度，我們把正、余弦信號分為8個(gè)象 限，然后求出細分點(diǎn)的比值，然后通過(guò)求細分點(diǎn)反正切函數求出光柵尺的相位，再根據光柵尺相位的弧度值計算出光柵尺細分點(diǎn)的位移值，最后把光柵尺細分點(diǎn)的位 移值加上光柵尺移動(dòng)的完整光柵線(xiàn)數，從而得到光柵尺的位移值。

因為光柵尺柵線(xiàn)的柵距不同，為了設計的通用性，我們在編程時(shí)對三種常用的柵距（100線(xiàn)/mm、50線(xiàn)/mm、25線(xiàn)/mm）都分別作了處理。若使用光柵尺柵線(xiàn)為100線(xiàn)/mm，即光柵柵距為 0.01mm，對正弦信號進(jìn)行100細分，可得測距分辨率為0.1μm。

在本課題設計時(shí)，我選用MFC基于對話(huà)框的設計，數據的顯示等全用Windows的公用控件完成。