数字集成化光栅数显装置的研究与设计

数字集成化光栅数显装置的研究与 2005 2005 年 仪 表 技 术 与 传 感 器 第 5 期 Instrument Technique and Sensor No15 数字集成化光栅数显装置的研究与设计 郭雨梅 ,王 楠 ,常 丽 ,金喜平 () 沈阳工业大学信息科学与学院 ,辽宁 沈阳 110023 摘要 :介绍了光栅数显装置的现状 ,提出了锁相式莫尔条纹细分理论 ,给出了具体的推导过程 ,论 述了该理论的特点 ,并基于该理论研制出新型数字集成化光栅数显装置 。详细介绍了系统的硬软件设 计 ,由于采用了 ISP1032 - 80 芯片及 89C52 单片机 ,实现了系统的数字化 、集成化 ,具有测量精度高 、跟 踪速度快 、抗干扰能力强等特点 。 关键词 :光栅传感器 ;莫尔条纹细分 ;锁相 ; ISP 技术 ;集成化技术 () 中图分类号 : TP216文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 1841 200505 - 0055 - 02 Research and Design of Digital Integrated Grating Digital Display Device GUO Yu2mei , WANG Nan , C HANG L i , J IN Xi2ping ( )School of Information Science and Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023 ,China Abstract :The research actuality of grating digital display device was introduced. The phase2locking Moire fringe interpolation method was proposed ,and the material derivation process and the characteristics of method were given. Based on the technique ,a novel digital integrated grating digital display device was designed. The hardware and software of the system was introduced in details. The ISP1032 - 80 and 89C52 chip were used to implement the digital and integrated system so that the device has the merits of high measure precision ,rapid tracking and strong anti2jamming. Key Words :Grating Sensor ;Moire Fringe Interpolation ; Phase2locking ; ISP Technology ; Integration Technology. 1 引言 提高光栅数显装置的精度可从两方面入手 : 一是 采用高精度的光栅传感器 ,即通过提高光栅传感器的 刻划精度来达到提高光栅数显装置测量精度的目的 ; 二是采用中等精度的光栅传感器 ,通过细分技术提高 光栅数显装置的细分数 ,从而达到理想的测量精度 。 由于受刻制技术和制作工艺等因素的限制 ,目前多采 1 用第二种方法。常用的高倍细分法有直接细分法 、 图 1 锁相式莫尔条纹细分原理框图 移相电阻链法 、幅值分割法 、鉴相细分法等 ,这些方法 ω为实现相位调制 , 引入一组频率为 、相位差为 在光栅数显装置的应用中都存在着不足 。 90的方波载波信号? , 并展开成傅里叶级数形式 : 2 锁相式莫尔条纹细分理论的建立 1 2 1 12 2 ( ) ωωω Ft = + sin+ 〃 sin3+ 〃 sin5+t t t 图 1 为锁相式莫尔条纹细分的原理框图 。光栅 s πππ 2 3 5 作为空间位置传感器 ,其输出的电信号可以表示为 ( )7 ( ) θ( )()U x= E+ U′sinx 1 s 0 m 1 2 2 1 2 1 ( ) ωωωFt = + cost + cos3t + cos5t +〃 〃 c ( ) ( ) θ( )2πππU x= E- U′sinx 23 5 s 0 m ()8 () ( ) θ( )3Ux= E+ U′cosx c 0 m 斩波调制和两相求和后的输出信号为 ( )( ) θ( )4 Ux= E- U′cosx c 0 m π 4 x ( ) θ( ) ωθ( ) Ft= 2 U′sin[x+ ] + U′{ sin[t +x] +sc mm θ( ) θ( )π 式中 :xx = 〃2; dπ 为光栅尺的机械位移角 , 4 d 1 1 ωθ( ) ωθ( ) 为光栅的栅距 ; x 为光栅传感器动静光栅间的相对位( )sin[ 3t +x] + sin[ 5t +x] +} 9 3 5 移量 ; E输出信号上叠加的直流电平 ; U′为输出信 0 m 经带通滤波器滤波 , 滤除低频调制频率和三次谐 号的幅值 。 4 波以上频率 , 令 U= U′, 得 :θ( ) m m xx 成线性关系 , 这样对任意 x 的测量也和 π ( ) θ就转化为对x的测量 。 ( ) ωθ( ) )( F t= Usin[t +x] 10 m() ( ) ( ) ( ) 将式 1、式 2和式 3、式 4对应相减 , 消去直 可以看出 , 经过处理 , 已将空间位移信号“寄载” 流电平 E, 从而得到两路新的电信号 : 0 () ( ) θ到式 11x 的时间信号上 。由于 与空间位移量成 θ( )()= 2 U′sinx5 F 1 m正比 , 使得原本对空间位移的测量转化为对时间信号 θ( )( )F= 2 U′cosx 6 相角的测量 。 2 m (ωθ) 调相信号 Usin t +经鉴相器整形成同频同相 m Φ(ωθ) 的方波信号 t +,再送入锁相倍频器 ,有 : (ωθ) 1 sin t +?0 ()Φ(ωθ) 基金项目 :辽宁省自然科学基金资助项目 002016 t += (ωθ) 0 sin t +< 0收稿日期 :2005 - 03 - 03 (ωθ) Φ系统使用了可编程逻辑芯片 ISP ,具有集成度高 、方波信号 t +经过锁相倍频得到细分信号 Φ( ωθ) ( ω)Φnt + n, 将该信号同另一细分基准信号 nt 设计灵活 、可再编程等优点 。采用 Wvoffice 开发软件 分别送 入 两 个 计 数 器 进 行 计 数 , 在 单 位 时 间 内 计 取 进行内部逻辑图设计 、语言编程和功能仿真测试 , 十Φ( ωθ) ( ωΦ ) nt + n和 nt 两信号周 期 的 个 数 并 在 减 法 5 分方便。主程序框图如图 3 所示 。 器中作差 , 则差的绝对值与光栅传感器在单位时间内 的相对位移量成正比 , 将单位时间内的位移量累加就 是总位移量 。 Δ设 x 为光栅传感器总的相对位移量 ,x 为光栅 传感器的单位时间 T 内的相对位移变化量 , 则 ΔθπΔπ( ) = 2x/ d = 2vt / d, ( ωΔθ) Φ(ππΦΔ) 那么 nt + n= 2nf t + 2n〃x/ d= Φπ() ()[ 21/ T] 11 m Φ( ω) Φ(π) Φ(π) ()nt = 2 nf t = 2t 〃1/ T12 n 1 ω( Δθ) Φ式中 : T为 nt + n的周期 , T= m m ;( ) n f + v/ d ( ω( Φ) ( ) T为nt 的周期 , T= 1/ nf ; n 为细分数 倍频 n n ) ω ΔθΔ数;为载波角频率 ;为单位时间内相位变化量; x 为单位时间内位移变化量 ; v 为光栅传感器运动速 度 。 ( ωθ) Φ若用 M 代表单位时间内细分信号nt + n周 ( ω) Φ期的个数 , N 代表细分基准信号 nt 周期的个数 , ΔN 代表周期个数的差 , 则 : ( ) M = T/ T= nT f + v/ d, N = T/ T= nTf m n Δ( ) ΔN = M - N = nT f + v/ d- nTf = nT〃v/ d = n〃x/ d Δ可见 , 单位时间内计数差值与单位时间内的位移 量 x 成正比 , 其比例系数为 n/ d , 而总的相对位移量 Σ(Δ) Σ( ) ΣΔΔx = x= d/ n〃N = d/ n〃N . 4 结论 ( ) 以上证明 , 差值的累积乘以分辨率 d/ n 就是光 “锁相式莫尔条纹细分理论”具有如下特点 : 细分 栅传感器总的相对位移量 。 的同时即可完成辨向 ,不需要独立的辨向电路 ; 采用 Φ ( ω) 细分理 论 包 括 对 nt 的 倍 频 细 分 及 辨 向 功 Φ( ωθ) 能 。当光 栅 传 感 器 相 对 正 向 运 动 时 , nt + n的 累加计数的方法 ,避免了大 、小数分别计数的不协调 Φ( ω) Δ周期小于基准信号 nt 的周期 , 差值N 是正数 ; 问 ;不仅适合完整周期的测量 ,也适合不完整周期 ωθ( ) Φ Φ反向 运 动 时 nt + n的 周 期 大 于 基 准 信 号 的测量 ;细分数高且调整方便 ; 不仅适合动态测量 ,也 ( ω) Δnt 的周期 , 差值N 是负数 ; 静止时两信号周期相 适合静态测量 ;有利于系统全数字集成化的实现 。 Δ等 , 差值 N 为零 。可见 , 单位时间内周期个数差值 [2 - 4 ] 实践证明 :基于该理论研制的新型数字集成化光 的符号即可反映光栅传感器的相对移动方向。 栅数显装置 ,具有测量精度高 、跟踪速度快 、抗干扰能 3 系统设计 系统的硬件设计是在新型锁相细分理论基础上 力强 、全数字集成化等特点 ,为光栅数显装置的发展 实现的 ,其原理框图如图 2 所示 。 开辟了新的途径 。 参 考 文 献 1 金喜平 ,杨孟华 ,郭雨梅. ISP 技术在光栅检测装置中的应用. 沈阳 () 工业大学学报 ,2002 ,24 1:36 - 38 . 张厥胜 ,邓继. 锁相技术. 西安 :西安电子科技大学出版社 ,2000 . 金2 喜平 ,刘雪艳 ,葛岷. 锁相倍频式光栅检测系统及其应用. 制造 技3 () 术与机床 ,2000 11:32 - 34 . J IN S C , KUANG Y C. The design of an all2digital phase2lockecd loop 4 with small Dco Hardware and fast phase lock. IEEE Transactions on Cir2 () cuits and Systems2analog and Digital Signal Processing ,1999 ,46 7: 945 - 950 . 黄正谨. 在系统编程技术及应用. 南京 :东南大学出版社 ,1997 . 5 图 2 硬件系统原理框图