基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究

半个世纪以来,世界各国都在致力发展位移传感器和数字测量系统。由于光刻、复制技术和微电子技术的迅速发展,光栅位移测量系统的生产成本大幅度下降,技术指标不断提高,分辨率已经覆盖了微米级、亚微米级到纳米级。机床和测量机90%以上都是用光栅进行位移测量和控制。粗光栅测量系统采用栅距为0.635mm的粗线纹光栅尺,用自制的图像传感器CG200接收光强信号,具有传感头与光栅尺之间的间隙特别大(15±0.5mm),对安装使用环境要求不高,接长方便,抗污染能力强,可靠性好等优点,具有广泛的应用前景。 本文研制基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统。用CPLD实现对测量信号的准确鉴相和高倍细分,单片机完成数据采集、运算、处理,显示等任务。具体内容包括: 1、在掌握粗光栅系统测量原理的基础上,对影响粗光栅测量系统精度和速度的各因素进行了分析,指出提高传感器的性能是实现高速高精度测量的关键。 2、模拟部分信号处理电路设计。其功能是对传感器输出的正弦型视频信号进行滤波及二值化处理,以及对信号幅值进行监视。 3、CPLD内部逻辑设计。包括产生传感器正常工作所需要的驱动信号;鉴相和细分功能的实现;单片机系统所需各种控制信号的实现等。 4、单片机系统硬件设计。包括键盘接口,液晶显示器接口,电源监控及数据掉电保护电路接口,扩展数据存储器,与CPLD的接口等。 5、单片机系统软件设计。采用单片机C语言开发了位移测量程序,键盘程序,液晶显示程序等。 6、系统PCB板的设计与器件安装。 7、系统调试与位移测量实验。 用课题研制的系统进行了初步的位移测量实验,对比实验装置为成都量具刃具股份有限公司生产的GS-1005A型细光栅数显器。实验结果验证了系统软硬件设计的正确性。由于采用CPLD代替原有的中小规模数字电路,使系统的体积大大减小,调试和修改方便,系统稳定性得到提高。同时,单片机的采用使系统灵活性和通用型得到增强。