USB總線在光柵位移傳感器檢測系統(tǒng)中的應用

由于光柵傳感器測量精度高、動態(tài)測量范圍廣、可進行無接觸測量、易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)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(shù)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總線技術，開發(fā)適用于科學研究和工業(yè)生產的各種儀器儀表設備，借以取代傳統(tǒng)計算機測 控系統(tǒng)中采用的串行RS232、并行接口以及ISA或PCI總線的儀器儀表設備，不僅可使計算機測控系統(tǒng)更加高效實時、方便靈活，而且可滿足高質量、高可 靠性、低成本計算機測控系統(tǒng)的要求。本文以光柵位移傳感器檢測系統(tǒng)的設計背景，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件設計方法。

光柵位移傳感器的基本原理和特點

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，而另一塊是運動的。當它們發(fā)生相對運動并有光通過兩者時，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，它有以下幾個特點。

● 精度高。光柵位移傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?。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，但分辨力和精度都不如光柵位移傳感器。

● 可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。

● 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?zhèn)鞲衅髂菢訃栏瘢蝗绺袘狡骱痛艝攀絺鞲衅鞯倪m應性強，油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環(huán)境較好的車間使用。

系統(tǒng)硬件設計

1 系統(tǒng)原理簡介

光柵位移傳感器是進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，然后一路進入單片機進行A/D轉換；另一路通過比較器轉換成數(shù)字信號后由D觸發(fā)器和與門電路完成光柵位移的辨向，而后進入單片機進行正 向和反向計數(shù)；其次單片機將這些數(shù)據(jù)通過USB插口送入計算機，最后由計算機進行數(shù)據(jù)細分和處理，從而得到光柵位移長度。

2 方案的選定

利用USB總線的數(shù)據(jù)采集方案有兩種，一種方案是采用普通單片機另加上專用的USB通信芯片，現(xiàn)在的專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發(fā)人員原有的硬件資源和軟件知識，開發(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商都陸續(xù)推出了帶USB通信接口的單片機，使用這些專用芯片 構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設計簡單，調試方便，電磁兼容性好。本設計的USB光柵位移檢測系統(tǒng)接口電路就采用了Microchip的USB PIC單片機。

3 PIC18F4550芯片特點

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(jié)能技術，工作頻率達48MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率高達12Mb/s。新器件還具有Microchip先進的PMOS 電可擦除單元（PEEC）閃存技術，耐擦寫次數(shù)可高達100萬次，而數(shù)據(jù)保存期能超過40年。此外，其全速USB 2.0接口包括一個片上收發(fā)器和一個并行流端口，能把數(shù)據(jù)直接傳送到外部的設備，減少CPU的開銷，而且大大增加了系統(tǒng)的抗干擾能力和工作的可靠性。

PIC18F4550單片機的一個關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USB端口對最終應用進行現(xiàn)場升 級。結合新器件配備的一系列片上外設和納瓦技術（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)領域、醫(yī)療、汽車、電池供電應用和消費類產品。

從光柵傳感器輸入的信號有5路：±SIN、±COS以及零窗信號ZERO，它們經差分放大電路合成，分3路進 入PIC單片機模擬量輸入口進行A/D轉換；同時，經差分放大電路合成后的SIN、 COS 信號再經零比較器后轉換成數(shù)字脈沖信號，然后經D觸發(fā)器和與門電路完成光柵位移的辨向。PIC單片機T0和T1口接收來自與門電路的數(shù)字脈沖，完成光柵位 移的計大數(shù)（計算光柵尺移動的完整光柵數(shù)）；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(shù)據(jù)線分 別接PIC18F4550的D＋和D－口用以完成計算機和單片機之間的數(shù)據(jù)通信，計算機的USB電源一方面為PIC微處理器提供能源，另一反面通過電源模 塊轉換成±12V電源，為運放電路提供正負電源。

系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集、A/D轉換、計算光柵位移傳感器的正向、反向莫爾條紋的個數(shù)、為數(shù)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個輸入通道。該模塊能將任意一個模擬輸入信號轉換成相應的10位數(shù)字信號。本檢測系統(tǒng)需要把COS和SIN兩路正弦模擬信號轉換成 數(shù)字信號，同時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，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(shù)字輸入，其他模擬信號口都分別設為數(shù)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(tǒng)信號采集的影響，提高整個系統(tǒng)的抗干 擾能力和精度。

② 定時器/計數(shù)器部分的程序設計

本檢測系統(tǒng)的單片機需要把光柵位移傳感器正向移動的光柵線數(shù)和反向移動的光柵線數(shù)計算出來，然后通過USB接口送到上位機，作為光柵位移長 度的計大數(shù)部分。光柵位移傳感器輸出的正弦信號經過信號調理電路后，可以把它移動的光柵線數(shù)轉換成數(shù)字脈沖，從而可以通過計算脈沖的個數(shù)來達到計算光柵線 數(shù)的目的。因此我們可以選擇Timer0和Timer1作為計數(shù)器使用，從而計算出光柵位移傳感器正反向移動的光柵線數(shù)。

③ 比較/ 捕捉/PWM （CCP）模塊的設計

PIC18F4550具備一個16位數(shù)據(jù)和分辨率的捕捉(Capture)/比較（Compare）/PWM（Pulse Width Modulation）模塊CCP2和一個增強型捕捉/比較/PWM模塊CCP1。其中，增強型CCP1具有死區(qū)控制和故障保護輸入功能。每個CCP模塊 有一個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CCP2就能滿足設計要求。根據(jù)系統(tǒng)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，目前沒有任何廠商提供自動生成固件（firmware）的工具，因此所有程序都要由自己手工編制。本系統(tǒng)的設計就是在Microchip提供的DEMO程序的基礎上，進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發(fā)以及與廠家的其它軟件接口，應廠家的要求，本系統(tǒng)上位機的軟件部分采用VC++6.0來實現(xiàn)。

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

計算機對最后一個正弦信號進行細分，細分點通過計算相位程序結合正、余弦信號象限判別來獲得。為了提高精度，我們把正、余弦信號分為8個象 限，然后求出細分點的比值，然后通過求細分點反正切函數(shù)求出光柵尺的相位，再根據(jù)光柵尺相位的弧度值計算出光柵尺細分點的位移值，最后把光柵尺細分點的位 移值加上光柵尺移動的完整光柵線數(shù)，從而得到光柵尺的位移值。

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

在本課題設計時，我選用MFC基于對話框的設計，數(shù)據(jù)的顯示等全用Windows的公用控件完成。