基于EPA的光柵位移測量系統(tǒng)原理及設(shè)計方案

　　引言

　　目前，國內(nèi)研究和開發(fā)數(shù)控定位裝置的單位都在研制各種經(jīng)濟型的工作臺產(chǎn)品，一般定位精度為1μm、5μm、10μm。工作臺的結(jié)構(gòu)布局、位移量的大小、測量速度等都越來越趨于靈活，自動化程度也越來越高，但是這些工作臺大多數(shù)都是單機監(jiān)控的分散結(jié)構(gòu)，有些是通過RS485、現(xiàn)場總線、PLC等把設(shè)備連接在一起，構(gòu)成簡單的DCS或FCS網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)。利用這些方法構(gòu)成的系統(tǒng)具有成本高、測量范圍小、速度低、不穩(wěn)定和支持應(yīng)用有限等缺陷，因而其發(fā)展受到了極大的限制。相反，工業(yè)以太網(wǎng)以其統(tǒng)一的TCP／IP協(xié)議和CSMA／CD多路訪問方式使其得到了迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)不僅具有廉價、高速、簡易、方便的特性，而且傳輸速率高、信息量大、兼容性強，所以受到許多工業(yè)監(jiān)控現(xiàn)場總線開發(fā)機構(gòu)的高度重視。

　　本文介紹的基于EPA的光柵位移測量系統(tǒng)，具有功能易于拓展、聯(lián)網(wǎng)方便、造價低廉的特點，可很好地滿足航空航天、精密機械儀器、數(shù)控機床等領(lǐng)域中精密位移測量及定位的需要。

　　1光柵位移測量系統(tǒng)硬件選型

　　1．1主控制器DS80C410微處理器

　　DS80C410是快速的與8051兼容的高度集成的網(wǎng)絡(luò)微控制器。它執(zhí)行指令的速度比普通的8051快3倍。它的外圍設(shè)備包括10／100Mbps的以太網(wǎng)MAC，2個串行端口，1個CAN2．0控制器，1個l-wrie控制器和64個I／O引腳。為了能訪問網(wǎng)絡(luò)，ROM里嵌入了完全的TCPIPv4／6協(xié)議棧和操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧同時支持32個TCP連接而且可以通過以太網(wǎng)MAC以5Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。

　　對于半雙工操作模式，DS80C410和網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點一起共享以太網(wǎng)物理介質(zhì)。DS80C410訪問物理介質(zhì)時遵守以太網(wǎng)的帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議(CS-MA／CD)。MAC在試圖發(fā)送以前等待物理載體空閑。由于網(wǎng)絡(luò)中有很多節(jié)點，所以在發(fā)送時不同的節(jié)點可能發(fā)生沖突。當(dāng)檢測到?jīng)_突時，MAC在嘗試再次發(fā)送前等待一個隨機時隙。除非有指令干涉，否則MAC再嘗試發(fā)送這個沖突幀，發(fā)送16次以后自動放棄這個發(fā)送幀。對于全雙工通信模式，物理介質(zhì)和DS80C410直接連接到另外一個節(jié)點上，允許同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不會發(fā)生沖突，因此不需要介質(zhì)訪問方法。對于全雙工通信，流控制機制使用PAUSE控制幀。當(dāng)需要時間釋放接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時，DS80C410可以初始化PSUSE幀，請求其他的嘗試發(fā)送幀的節(jié)點掛起幾個時隙。

　　和其他單片機相比，DS80C410的指令操作功能強大，不需要外擴存儲器。內(nèi)部集成的2個串口，便于整個系統(tǒng)的功能升級和擴展。除了組建工業(yè)以太網(wǎng)接口電路所用到的端口外，還有大量的閑置端口可以用來實現(xiàn)其他用途，同時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場以10／100Mbps的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度進行實時通信，便于系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測試。另外，它執(zhí)行指令的速度比普通的8051快3倍，所以有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間。綜合考慮之后，選擇DS80C410作為整個光柵位移測量系統(tǒng)的主控制器。

　　1．2以太網(wǎng)收發(fā)芯片LXT972ALC

　　本設(shè)計中需要一個傳輸介質(zhì)為雙絞線的以太網(wǎng)接口，這里采用的Intel公司的LXT972ALC就是這樣一個接收發(fā)送芯片。它遵守快速以太網(wǎng)協(xié)議，支持10／100MbpsMAC標(biāo)準(zhǔn)。LXT972ALC設(shè)備實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)IEEE802．3定義的MII。提供了從MAC到LXT972ALC數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫毩⑼ǖ?。每一個通道都有各自的時鐘、數(shù)據(jù)總線和控制信號。

　　1．3網(wǎng)絡(luò)變壓器

　　以太網(wǎng)收發(fā)芯片LXT972ALC輸出數(shù)據(jù)還要通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器實現(xiàn)對信號的處理，網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的作用就是把信號轉(zhuǎn)換成平衡信號傳輸，以減少共模干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸距離。設(shè)計中采用了Belfuse的S558-5999-T7網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。變壓器的兩個輸入和兩個輸出分別連接以太網(wǎng)收發(fā)芯片LXT972ALC的TPIP／N、TPOP／N和RJ45。

　　2傳感器

　　傳感器的類型是多種多樣的，其優(yōu)缺點也各有側(cè)重。相比較而言，光柵傳感器不僅具有高速、高精度、非接觸測量等優(yōu)點，而且位移檢測有較大的放大率以及誤差平均效應(yīng)，所以廣泛應(yīng)用于位移精密測量和精密定位控制領(lǐng)域。

　　2．1光柵位移測量的基本原理

　　光柵傳感器主要是由標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電器件(發(fā)光和光敏器件)組成，當(dāng)兩塊光柵以微小夾角重疊時會產(chǎn)生干涉，在與光柵刻線大致垂直的方向上形成亮暗相間的干涉條紋，即所謂莫爾條紋。隨著兩光柵的相對移動，條紋也發(fā)生移動，在固定的光敏器件上就會有光的亮暗變化，對亮暗變化周期進行計數(shù)，按照一定的對應(yīng)關(guān)系即可計算出兩光柵的相對位移，這就是光柵測量位移的基本原理。一般，莫爾條紋的寬度遠大于光柵柵格的寬度，因而，莫爾條紋實際上起到了光學(xué)放大作用。其放大倍數(shù)為

　　其中T為莫爾條紋的間距，d為光柵的柵格寬度，θ為兩光柵刻線夾角(單位為弧度)。光柵的柵格寬度是直接影響測量分辨率和精度的重要因素。對于不同的光柵尺，其測量的分辨率、精度以及量程都不一樣。光柵傳感器的柵距通常為0．02mm(50線對／mm)、0．04mm(25線對，／mm)。輸出信號有相位角差90°的兩路方波信號和相位角依次差90°的四路正弦信號。由于方波信號為數(shù)字量，不需要A／D轉(zhuǎn)換，DS80C410就可以直接進行處理，所以本文重點討論方波輸入信號，而對于正弦波信號，經(jīng)過整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘栞敵觥?