刘 佳，李 昆，何小妹，何学军，王爱军

航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095

在几何量测量领域，特别是线位移、角位移的高精度测量与量值传递中，常用光栅尺作为重要的位移传感器和标准器[1]。由于其具有精度高、稳定性好、安装简单等优点，被广泛应用于各类数控机床与测量仪器上，尤其对于高度自动化的数控机床设备和高精度运动控制系统，光栅尺更是必不可少[2-3]。目前，以光栅尺为反馈的数控机床或者坐标测量机的轴线运动系统的几何参数校准还仅是“定点静止”的静态校准，而这些运动试验系统或设备往往都是进行低频往复运动，因此“连续不停顿”的动态校准更贴近实际需求。但通常的光栅数显装置普遍没有同步触发输入功能，即无Sync_In接口，国内的仪器仪表制造厂商在产品研制过程中，由于对设备可计量性要求不高，所研制生产出的光栅数显装置基本没有同步触发输入功能，这就造成了难以开展对轴线运动系统的几何参数动态测试的问题，尤其对于动态校准更是无从下手。文章根据光栅数显装置的常规功能，结合位移传感器静/动态校准过程中的实际要求，提出了一种以CPLD为核心的具有同步触发功能的光栅数显装置设计方案。

1 装置设计原理

以光栅尺为位置反馈的直线运动装置，根据实际运动位移及运动方向状态变化，光栅尺（位置编码器）输出两路正交的TTL方波信号，然后经信号调理电路将位置光栅尺（位置编码器）输出的差分信号进行合成处理[4]，进入CPLD后，进行判相和计数处理。当集成在CPLD中触发锁存模块里的Sync_In接口端子检测到同步触发信号后，则CPLD的触发锁存模块将当前时刻的计数值锁存，并通过通信端口实现与上位机的通信。其中外围功能辅助电路配合MCU控制器可实现数据的实时处理、显示和存储。具有同步触发功能的光栅数显装置原理如图1所示。

图1 具有同步触发功能的光栅数显装置原理示意图

2 装置各单元设计

基于CPLD的具有同步触发功能的光栅数显装置主要由4个部分组成：（1）信号调理电路。选用TI公司的MC3486实现对原始信号的差分处理与电平转换[5]。差分信号和单端信号相比较有着较强的抗干扰能力和能有效地抑制对外辐射电磁波。（2）CPLD处理模块。选用ALTERA公司的EPM570芯片，其主要包括光栅信号的辨向/计数与触发锁存模块两部分。（3）MCU控制器模块。选用STC15W4K60S4芯片，完成对CPLD输出数据的读取与数据分析处理。（4）外围功能辅助电路。其主要包括同步触发输入接口、电源模块、通信端口单元和显示单元。其样机装置实物如图2、图3所示。

图2 光栅数显装置实物正面照

图3 光栅数显装置实物背面照

2.1 信号调理电路单元

前端信号调理单元主要选用美国Texas Instruments（德州仪器）公司生产的MC3486芯片，实现进行多路原始信号的差分处理与电平转换[6]。差分信号相比单端信号有着较强的抗干扰能力和能有效地抑制对外辐射电磁波。其功能逻辑如图4所示。

图4 功能逻辑框图

2.2 CPLD处理模块

该设计方案在参考以往设计的基础上，利用EPM570可编程逻辑器件的特点，将所需的74系列芯片的所有功能全部集成到EPM570器件里，不仅从结构上简化了硬件电路的设计，还提高了电路的抗干扰能力。EPM570是Altera公司推出的MAXII系列CPLD，具有功耗低[7-8]（与上一代3.3V MAX器件相比，功耗降低90%）、成本较低（与上一代MAX器件相比，同样的结构密度成本为1/8）的特点，最高可支持300MHz的内部响应时钟频率[9]。

CPLD单元作为整个数显装置的核心组成部分，主要实现对光栅信号的辨向/计数与接收外部触发信号触发锁存功能。因此，CPLD单元主要由辨相/计数功能模块与触发锁存模块组成，如图5所示。

图5 CPLD处理模块框图

基于Verilog HDL语言的辨相/计数功能模块如图6所示。

图6 辨相/计数程序模块框图

基于Verilog HDL语言的辨相/计数功能模块如下。

该系统的CPLD采用了50M高精度有源晶振，因此单个指令周期为20ns，因为CPLD内部程序设计为只需一个指令周期即可完成对内部位移计数值的锁存，所以该系统从检测到同步触发信号的时钟沿，到锁存当前计数值，最快可到20ns。

基于Verilog HDL语言的触发锁存功能模块如图7所示。

图7 触发锁存程序模块框图

该触发锁存Symbol功能模块主要是当syn_tri_i端检测到触发信号时，完成对当前被检测设备单轴系统的运动位移信息的锁存，并输出值CPLD内部定义的临时锁存寄存器。

基于Verilog HDL语言的触发锁存功能模块如下。

2.3 MCU控制器模块

MCU控制器模块主要选用STC15W4K60S4微处理器完成对CPLD输出数据的读取与进行数据分析处理。STC15W 4K60S4兼容标准的51指令系统，是当前国产芯片中性价比较高的单片机，并且内置时钟信号源，无须再外接晶振。

2.4 外围辅助电路单元

外围辅助电路单元主要包括同步触发输入接口、电源模块、通信端口单元和显示单元。同步触发输入接口电路如图8所示。

图8 同步触发输入接口电路

同步触发输入接口通过Syn_trig_i与GND两个端子实现对外部触发信号的输入，当采集到的Syn_trig_i信号输入之后，由电阻对信号进行上拉，确保信号的可靠性；对于电路中存在的不需要的信号由滤波电容对其进行滤除，从而减小了对有效信号的干扰，以免出现误触发状况。其中，触发信号技术参数可通过对同步触发处理模块程序的HDL语言进行修改，包括触发脉冲激活沿类型（上升沿/下降沿）、最小脉冲宽度等参数。

在通信单元接口类型上，设计了基于PL-2303SA芯片的USB接口电路与基于MAX232的RS232串口输出电路，接口的多样性方便系统的二次开发与上位机/下位机的通信。

3 样机测试实验

为验证此设计方案的可行性，搭建了光栅数显装置样机，并在高精度角度运动平台上进行了自研光栅数显装置样机与标准器的比对测试试验。

整个试验系统主要由以下部分组成：（1）角度标准器。主要采用俄罗斯的圆光栅系统的测量值作为标准值，利用其光栅盒上的AUX_in接口端子接收外部触发信号，锁存当前位置值，并通过自带的上位机软件进行数据的采集、记录，从而实现对标准值的记录与输出。（2）自研光栅数显装置样机。主要完成对A、B信号的辨相/计数与接收外部触发信号进行计数值锁存[7]。（3）高精度角度运动台。为整个试验提供运动载体，试验中提供5°/s的匀速转动。（4）上位机软件。与光栅同步采集系统配套使用，完成对俄罗斯的圆光栅系统与基于外部触发的光栅同步采集系统输出的计数值的显示与存储。（5）信号发生器。主要用来产生外部触发信号，为俄罗斯的圆光栅系统与基于外部触发的光栅同步采集系统提供外部触发信号，试验中提供1Hz的触发信号输出。样机对比试验数据如表1所示。示值误差曲线如图9所示。

图9 示值误差曲线图

表1 样机对比试验数据表

续表

测试试验表明，所设计的具有同步触发功能的光栅数显装置样机方案切实可行。功能上，具有较好的稳定性，在连续多点触发过程中能做到数据输出不出错、不丢数；性能上，从图9可知，光栅数显装置样机有着较好的重复性，并且其示值误差在-0.5″～0.8″，因为运动转台的稳定性为10-5数量级，所以转台在试验中提供5°/s的匀速转动时，光栅数显装置在接受每秒触发一次的条件下，由转台稳定性带来的误差为±0.18″。

4 结束语

文章针对光栅数显系统中没有同步触发输入功能而无法开展对轴线运动系统和转台几何参数的动态测试和校准的问题，提出了一种具有同步触发功能的光栅数显装置的设计方案，制作了试验样机装置，并开展了相关验证试验。测试试验表明，所设计的具有同步触发功能的光栅数显装置方案可行，不仅可以解决没有同步输入功能的光电编码器（圆光栅盘）设备的动态测试与校准问题，还为有效开展以光栅尺为反馈的直线轴运动系统的几何参数的动态校准提供了一种新思路。