基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯系統(tǒng)設(shè)計

　　1 引言

　　光柵數(shù)顯系統(tǒng)主要用于普通機床，可直接顯示機床加工的長度值，有助于提高加工精度和效率。目前國內(nèi)市場上的光柵數(shù)顯系統(tǒng)大多采用國外集成電路實現(xiàn)，研發(fā)成本高，且不便于操作人員使用。針對這種狀況，研發(fā)了基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有計數(shù)精度高、成本低、操作方便以及升級快等特點，能夠處理高達5 MHz／s的正交脈沖，并在掉電時有效存儲當前長度值，其數(shù)碼管可顯示關(guān)鍵的長度值，點陣式液晶屏還可顯示相關(guān)的提示信息。

　　2 系統(tǒng)工作原理

　　利用CPLD實現(xiàn)正交脈沖處理邏輯電路，而可逆計數(shù)器則用于處理計數(shù)光柵尺輸出的正交脈沖，CPLD的高速并行處理能力可保證光柵尺輸出信號無遺漏采樣，從而確保計數(shù)的可靠性?？赡嬗嫈?shù)器的值通過MCU一系列運算后轉(zhuǎn)換為機床加工的長度值，MCU再將其長度值回送至CPLD并在數(shù)碼管上顯示。

　　此外，CPLD還具有7×8鍵盤按鍵檢測和去抖功能，將處理后的可靠按鍵送至MCU。MCU主要用于液晶屏的顯示控制、掉電數(shù)據(jù)保存，以及復(fù)雜的數(shù)學運算。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

　　3 正交脈沖信號采集處理

　　3.1 正交脈沖采集

　　光柵尺輸出一組正交脈沖信號，即相位差為90°的兩路方波，如圖2所示。當光柵尺正向移動一個柵距時，光柵尺輸出一個00-01-11-10-00循環(huán)，A路方波相位超前于B路90°；當光柵尺反向移動一個柵距時，光柵傳感器輸出一個00-10-11-01-00循環(huán)，A路方波相位滯后B路90°。

　　分析A，B兩路方波的邏輯狀態(tài)發(fā)現(xiàn)A，B兩路方波在任意時刻下只有一路信號發(fā)生邏輯狀態(tài)變化。如果在邏輯狀態(tài)變化前A，B兩路的狀態(tài)相同，那么變化后的邏輯狀態(tài)肯定相異；如果變化前A，B兩路方波邏輯狀態(tài)相異，那么變化后邏輯狀態(tài)肯定相同。只需對這兩路信號異或，就能提取光柵尺運動的方向信號updown以及與運動距離成正比的計數(shù)脈沖cp。

　　由圖2看出，光柵尺移動一個柵距將輸出4個cp脈沖，系統(tǒng)測量的最小分辨率提高至1／4柵距，通常稱為四裂相或四倍頻。CPLD在每個clk的上升沿檢測A，B兩路方波的狀態(tài)，首先分別對當前檢測的狀態(tài)A0，B0和上次檢測的狀態(tài)A1，B1相異或，然后將兩次異或值再異或。如果最后異或值為1，則說明A，B兩路方波發(fā)生變化，則向可逆計數(shù)器輸入一個高電平寬度為1個clk周期的計數(shù)脈沖cp，實現(xiàn)邏輯如圖3所示。

　　3.2 可逆計數(shù)器

　　將提取的方向信號updown和計數(shù)脈沖cp輸入至可逆計數(shù)器，實現(xiàn)對光柵尺輸出的正交脈沖計數(shù)。可逆計數(shù)器模塊的VHDL程序如下：

　　3.3 clk的取值

　　由于CPLD的采樣時鐘clk必須大于8倍光柵尺輸出的正交脈沖，因此系統(tǒng)不會丟失信號。該系統(tǒng)設(shè)計使用40 MHz有源晶體振蕩器作為CPLD的采樣時鐘源，可記錄的最大光柵傳感器輸出信號頻率為5 MHz。如果使用50線／mm的光柵尺，經(jīng)過CPLD的四裂相細分后，計算該光柵尺接該系統(tǒng)的最大不漏數(shù)加工速度為20 μm×5 MHz=100 m／s，最小分辨率為5μm。遠遠超出機床運行的極限速度，完全滿足實際需求。

　　3.4 EPM240簡介

　　選用Altera公司的 EPM240作為CPLD，EPM240是MAX II系列器件中的一員。MAX II CPLD系列的體系結(jié)構(gòu)使其在所有CPLD系列器件的單位I／O引腳的功耗和成本最低；支持高達300 MHz的內(nèi)部時鐘頻率，面向通用低密度邏輯應(yīng)用，MAX II CPLD可替代高功耗和高成本ASSP以及標準邏輯CPLD。

　　EPM240含有240個邏輯單元(LE)，等效于192個宏單元；8 192 bit的用戶Flash存儲器，可滿足用戶小容量信息存儲要求；最大用戶I／O數(shù)為80，最快速度為4.5 ns，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

　　4 MCU掉電數(shù)據(jù)存儲

　　掉電數(shù)據(jù)存儲是系統(tǒng)設(shè)計的另一重要功能，要求高可靠性。系統(tǒng)在掉電時應(yīng)保存光柵尺的當前位置信息，下次開機時通過調(diào)用上次掉電時保存的位置信息恢復(fù)系統(tǒng)。因此，掉電瞬間，掉電報警電路將迅速響應(yīng)，向MCU發(fā)出報警信號；MCU檢測到報警信號后，馬上進行相應(yīng)處理，將當時光柵尺的當前位置信息存入EEPROM。其硬件電路如圖4所示。

　　為了提高MCU的掉電響應(yīng)速度，增強系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)設(shè)計采用新的增強型51單片機STC-89C516RD。該器件具有1 KB RAM和高達64 KB大容量ROM，ISP功能，指令周期有6clock和12clock兩種可選模式。使用20 MHz晶體振蕩器，采用6clock模式燒寫時，單指令周期的程序執(zhí)行時間僅為0.3μs，比普通51單片機在最高24 MHz晶體振蕩器下的運行速度要快得多。因此，大大縮短了掉電數(shù)據(jù)存儲程序的執(zhí)行時間。

　　4.1 掉電報警電路

　　選用超小型高精度電壓檢測器S80848，內(nèi)部檢測電壓固定為4.8 V，精度為±2％，最大響應(yīng)時間為60μs。S80848采用標準5 V供電，電源正常時輸出高電平；當電源電壓降至4.8 V時，則輸出低電平。將S80848的輸出腳連接至MCU的INT0，并將MCU的INT0設(shè)置為電平觸發(fā)。因此，電源電壓只要低于4.8 V就會使MCU進入INT0中斷，MCU在中斷程序中保存位置信息。

　　4.2 EEPROM選取

　　當MCU對EEPROM的寫操作完成后，EEP-ROM需用10 ms的最大自寫入時間將信息寫入存儲單元。為了使用更多的時間用于EEPROM自寫入，選用低壓EEPROM，即AT24C64-2.7 V，其工作電壓為5.5 V～2.7 V，容量為64 KB，每頁為32 B，最大寫入次數(shù)為1 000 000。

　　4.3 掉電時間計算

　　選用工作電壓為4.5 V～5.5 V的STC89C516RD。當電源電壓降至4.5 V以下時，MCU不能可靠工作。MCU的INT0的中斷服務(wù)程序只能使用電源電壓從4.8 V降至4.5 V的這段時間，所有處理必須在該段時間內(nèi)完成。因此中斷程序設(shè)計時應(yīng)盡量考慮使其執(zhí)行時間最短，中斷應(yīng)先將所有存儲的數(shù)據(jù)存入一個數(shù)組，然后將該數(shù)組的所有元素寫入AT24C64，當然該數(shù)組的元素數(shù)必須小于AT24C64一頁的長度，即必須小于32 B。

　　當輸出電壓為5 V時，最大電流為Imax=0.8 A，等效負載R=5／I=6.25 Ω，與5 V電源并聯(lián)的電容C=4 700μF，則系統(tǒng)時間常數(shù)為τ=RC=0.029 s。設(shè)發(fā)生掉電t=0，根據(jù)公式u(t)=Vccexp(-t／τ)=5exp(-t／0.029)可知：t=1 183μs時，電源電壓Vcc從5 V降至4.8 V；t=3 055μs時，Vcc降至4.5 V；t=17 869μs時，Vcc降到2.7 V。MCU的中斷服務(wù)程序時間為3 055-1 183=1872μs，故大于實測中斷服務(wù)程序時間1 350μs；EEPROM自寫入有效時間為17 869-3 055=14 814μs，故完全滿足EEPROM寫入要求。

　　4.4 中斷服務(wù)程序

　　為了避免MCU頻繁寫入EEPROM，使用次數(shù)超出最大有效寫入次數(shù)，中斷程序?qū)χ袛噍斎胍_上的電平進行必要濾波。濾波算法為：系統(tǒng)進入中斷程序后，首先關(guān)閉中斷，然后連續(xù)10次判斷INT0的電平，如果每次判斷得到的電平 值都為低，則繼續(xù)往下執(zhí)行中斷服務(wù)程序，只要有一次為高則立即退出中斷服務(wù)程序。完成寫入數(shù)據(jù)，要確保INT0上的低電平解除后再返回中斷，否則等待，直至低電平解除。中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。

　　5 結(jié)束語

　　詳細介紹光柵數(shù)顯系統(tǒng)設(shè)計，采用CPLD可大大簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計，降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)可靠性和靈活性。選用STC89C516RD，可避免擴展外部存儲器，從而簡化單片機的外圍電路設(shè)計。