a1 引言

高精度旋轉(zhuǎn)角測量廣泛應用于精密加工、航空航天和軍事等領域。測量角度和角位移的方法有：水準管式傾角儀，圓光柵以及電阻應變式、電感式、電容式、光電編碼式、磁阻式等角位移傳感器。目前，利用圓光柵方法實現(xiàn)的高精度軸轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量精度高等特點而得到廣泛應用。這里提出一種基于圓光柵的非接觸式軸轉(zhuǎn)角位移測量系統(tǒng)設計，并配合新一代DSP處理器TMS320X 2812進行數(shù)據(jù)處理及控制，使得角位移的測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，功耗小，響應快，測量范圍廣，可智能化，不受電磁干擾等特點。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1給出基于TMS320X2812型DSP的旋轉(zhuǎn)軸角位移測量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。主要包括圓光柵、正交脈沖接口電路、DSP控制單元和顯示單元等。圓光柵感測被測軸旋轉(zhuǎn)角位移的變化，再將角位移變化轉(zhuǎn)換為脈沖變化，經(jīng)接口電路將圓光柵輸出的正交脈沖傳送到TMS320X2812型DSP的正交編碼脈沖電路（QEP）模塊進行測量計算，可直接通過LCD數(shù)碼顯示測量結(jié)果，還可將測量數(shù)據(jù)與上位計算機通信，或通過DSP輸出的控制信號來控制被測體的旋轉(zhuǎn)角位移。

2.1 圓光柵結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2給出典型的圓光柵。它是由光柵環(huán)（主光柵）和讀數(shù)頭（指示光柵）組成。光柵環(huán)與讀數(shù)頭相干涉形成莫爾條紋，光柵每移動1個柵距，莫爾條紋就移動1個條紋間隔；光柵改變運動方向，莫爾條紋也隨之改變運動方向，二者具有對應的運動關系。通過測量莫爾條紋的位移可獲取標尺光柵的位移量和移動方向。

由于主光柵與讀數(shù)光柵的夾角θ非常小，因此莫爾條紋方程為：

B=ω／θ （1）

式中：B為莫爾條紋間距；ω為光柵常數(shù)。

由條紋移動數(shù)目N來計算光柵移動距離：

S=Nω （2）

假設光柵環(huán)的半徑為r，則軸旋轉(zhuǎn)的角度為：

β=s／r=NBθ／r （3）

這樣就可通過計算輸出脈沖通過算出轉(zhuǎn)動角度。

該系統(tǒng)采用雷尼紹20μm圓光柵和與之配套的RGH20X系列讀數(shù)頭進行設計。為了提高精度，讀數(shù)頭內(nèi)部對光柵5細分（分辨率為4μm），輸出的兩條正交方波脈沖又對光柵進行4倍細分。RESR圓光柵刻線直接刻在圓環(huán)的外表上（柵距20μm），RGH20系列讀數(shù)頭具有雷尼紹的獨一無二的光學濾波系統(tǒng)設計，可在有污染、劃痕、指紋情況下讀數(shù)，所有誤差都可通過簡單的精確調(diào)整獲得補償。

2.2 DSP及外圍電路

該測量系統(tǒng)的硬件設計是以TMS320X2812型DSP為控制核心的。TMS320X2812為32位定點DSP，其最高的主頻為150MHz，最小指令周期為6.67 ns，外部采用低頻時鐘，通過片內(nèi)鎖相環(huán)倍頻。TMS320X2812內(nèi)部事件管理器（EV）模塊的QEP單元可直接對正交脈沖信號譯碼，可方便、精確地對圓光柵輸出信號進行數(shù)據(jù)采集。TMS320X2812的串行通信接口（SCI）是一個雙線通信異步串行通信接口，為減少串口通信時CPU的開銷，其串口支持16級接收和發(fā)送FIFO。該接收器和發(fā)送器都是雙級緩沖器，具有各自獨立的控制位與中斷位，SCI采用硬件檢查通信數(shù)據(jù)極性和數(shù)據(jù)格式，可減少軟件負擔。

2.2.1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集

圓光柵讀數(shù)頭輸出信號為兩列頻率變化且正交（即相位相差90°）的脈沖（A，B）如圖3所示。將兩列正交脈沖信號輸入到TMS320X2812的QEP1和QEP2計數(shù)引腳，EV模塊中QEP電路方向檢測邏輯可根據(jù)A，B脈沖的相位關系產(chǎn)生一個方向信號作為通用定時器的方向輸入。如果QEP1超前，定時器遞增計數(shù)，反之定時器遞減計數(shù)。QEP電路對兩列正交輸入脈沖的上升沿和下降沿計數(shù)，因此產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，并把該時鐘作為通用定位器2的輸入時鐘，這樣可通過QEP對輸入的光柵信號4細分。通用定時器2總是從當前值開始計數(shù)，因此可在使能QEP前將所需值裝載到所選通用定時器的計數(shù)器中，定時器數(shù)值除以4得出讀數(shù)頭輸出的脈沖數(shù)，從而計算角度。QEP電路對輸人脈沖進行4細分，可使精度提高四倍，線位移精確到1μm。

2.2.2 接口電路設計

RGH20讀數(shù)頭輸出信號經(jīng)光電隔離后直接送到QEP單元引腳。其中，光電耦合器件采用TLP550型高速光耦，用以實現(xiàn)電源與地的隔離。串行通信接口電路采用符合RS-232標準的驅(qū)動器件MAX232進行通信。由于MAX232的電源電壓為+5V，而DSP的電源電壓為3.3 V，故需在MAX232與TMS320X2812間加電平轉(zhuǎn)換器件74LVC04。如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

上位機編程采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabWindows／CVI，串行通信是虛擬儀器系統(tǒng)中連接硬件與上位機的最易實現(xiàn)和最經(jīng)濟的方式，LabWindows／CVI提供有實現(xiàn)串行通信的專門函數(shù)庫。該系統(tǒng)是采用SCI接口與RS232串口實現(xiàn)DSP與PC機之間的數(shù)據(jù)通信，上位機可跟蹤顯示軸的角度變化。圖5給出角度顯示界面。

該系統(tǒng)的下位機軟件設計運用C語言編程，采用模塊化設計，更有利于功能擴展及應變。圖6給出其主程序軟件流程。其中，初始化子程序主要包括了系統(tǒng)時鐘初始化、端口初始化、中斷設置等；自檢子程序用于實現(xiàn)系統(tǒng)的初始校正和定時器初始化；數(shù)據(jù)處理子程序中，用DSP對通用定時器2的計數(shù)器值進行分析、計算和修正，以得到相應的角位移值；結(jié)果輸出子程序用于實現(xiàn)角位移值的顯示，其關鍵是浮點數(shù)值的轉(zhuǎn)換，該子程序可通過串口將角位移數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C顯示和存儲。

以下給出QEP電路的初始化編程代碼：

4 結(jié)語

該系統(tǒng)設計采用了雷尼紹圓光柵，不僅實現(xiàn)了角位移的非接觸高精度測量，而且還具有安裝簡單，調(diào)試方便，測量精度高，抗干擾能力強等優(yōu)點。該測量系統(tǒng)采用DSP的QEP單元對圓光柵讀數(shù)頭輸出信號進行4細分計數(shù)，進一步提高了測試精度，其線位移達1μm。TMS320X2812型DSP在系統(tǒng)中實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及與上位計算機通信，并根據(jù)測量結(jié)果自動控制被測旋轉(zhuǎn)體的角位移，因此該測量系統(tǒng)具有智能化特點，現(xiàn)已用于某軍品測試系統(tǒng)，相信在測試、工業(yè)和軍事等領域中更具廣泛的應用前景。

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