基于PCI总线的光栅传感器位移测量系统设计与实现

刘利平，黄 勇，廖红华

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

在现代测控技术领域，光栅传感器作为精密测量的一种工具，已经在需要进行线位移、角位移测量的精密仪器、精密加工等领域得到广泛应用.然而，在目前通用的基于光栅传感器的位移测量系统中，一般采用51系列的单片机及一些常用的定时计数器(如8253等)作为信号处理的主要部件、并且在与PC机的接口中采用ISA总线，这样的系统一方面存在稳定性不好的问题；另一方面，在计算机ISA总线被淘汰的情况下，无法完成与计算机的接口，影响着系统的深入应用[1].为了解决这些问题，在充分考虑实际应用的情况下，光栅传感器的信号处理电路主要由CPLD(复杂可编程逻辑器件)来完成[2]，同时，在设计的时候考虑当系统单独使用时，可以作为数显光栅测长仪的主板；当该系统通过PCI总线与计算机接口时，可以构成一个完整的光栅位移测量系统.整个设计增强了系统的灵活性，可以适用于不同的应用需求.

1 系统总体设计

基于光栅传感器的位移测量系统原理如图1所示.该位移测量系统工作过程是：光栅传感器将位移信息转换为电信号，然后经过信号处理电路处理后，通过显示电路可以直接显示位移测量结果；如果通过计算机的PCI总线将处理后的数据送到计算机，则可以利用计算机为终端设备来完成数据采集后的处理，从而完成测量任务.

(a)指示光栅正向运动 (b)指示光栅反向运动

图3 光栅传感器信号处理电路

图4 数字滤波电路

图6 细分辨向电路仿真波形

2 光栅传感器测量原理

光栅可分为物理光栅和计量光栅，在本系统中采用的是用于位移测量的计量光栅，主要是利用光栅的莫尔条纹进行位移测量.光栅传感器由光源、透镜、光栅副(包含主光栅和指示光栅)、光电元件等构成[3].当两块光栅以微小倾角重叠时，在两光栅的刻线重合与错开方向上会分别形成明暗相间的条纹，当指示光栅在水平方向移动时，莫尔条纹也会不断地产生移动，若在条纹移动的方向上放置光电元件就可将光信号转换为电信号，从而实现位移信号到电信号的转换.光栅尺的输出信号经过整形后如图2(a)和(b)所示.

将光栅尺输出的信号进行细分，然后辨向，再送入可逆计数器.由于光栅传感器输出的两路信号周期相同，相位差为90°，当光栅每移动一个栅距w，莫尔条纹就移动一个间隔，如果能够把变化的间隔数测量出来，就可以测出指示光栅与主光栅之间的相对位移.

3 信号处理及系统实现

在位移测量系统中，光栅传感器输出的信号是4路相位差为90°的正弦波，这4路正弦波经过细分辨向电路转换为脉冲波形，波形的疏密就代表了光栅运动速度的大小.光栅传感器信号处理框图如图3所示[4].

3.1 数字滤波电路

大多数情况下，光栅传感器输出的莫尔条纹信号是缓慢变化的，对于这类信号的处理比较容易，测量系统的结构也比较简单.而当光栅传感器面对的是振动的被检测对象时，由于被测对象处于迅变的状态中，因此变化量比较大，该情况下对于传感器的干扰因素自然会增多，所以对振动信号的检测和处理将非常困难.本系统中，在CPLD器件内部设计了数字滤波电路，并用一个模块来实现，能够部分地防止振动信号带来的影响.图4是数字滤波电路的电路图.

数字滤波电路的仿真波形图如图5，在仿真阶段要注意各个信号的频率设置，若频率设置不合理，仿真将不会成功.

3.2 细分辨向电路

对光栅传感器输出的信号进行细分与辨向是提高整个位移测量系统精度的关键，在电路设计上是通过提取两路方波信号的边沿来实现细分，在设计电路过程中要综合考虑辨向与细分的复杂性[5,6].本测量系统中是先细分、后辨向，在一定程度上提高了系统的测量精度.电路仿真波形如图6所示.

3.3 可逆计数电路

本系统中的计数模块采用VHDL语言进行设计，仿真波形如图7所示.

图7 可逆计数电路仿真波形

图8 PCI总线接口电路框图

表1测试数据

Tab.1 Measuring data

序号激光干涉仪ML10示值/mm位移测量系统示值1/mm位移测量系统示值2/mm位移测量系统示值3/mm13.00003.00043.00023.000126.00006.00026.00046.000339.00009.00029.00019.0003412.000012.000412.000012.0002515.000015.000115.000515.0003618.000017.999717.999917.9996721.000021.000421.000321.0002824.000024.000324.000224.0007927.000027.000127.000324.00041030.000030.000130.000330.0001

3.4 PCI总线接口电路

在本系统的设计中，采用了南京沁恒电子有限公司生产的PCI总线接口芯片CH365来实现PCI接口，该芯片是一个连接PCI总线的通用芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断；可将32位高速PCI总线转换为简便易用的类似于ISA总线的8位主动并行接口，用于制作低成本的基于PCI总线的计算机板卡.

CH365的存储空间占用32KB，偏移地址0000H～7FFFH，且可以全部提供给外部设备使用；CH365的I/O空间占用256B，由于偏移地址F0～FFH是芯片自身的专用寄存器，所以可以提供240B给外部设备使用[7].由CH365构成的接口电路原理如图8所示，其中I/O扩展芯片82C55提供异步数据交换，以一个数据字节为单位在CH365和单片机间进行双向数据交换；CPLD7128给CH365提供地址、译码等信号；CH365的辅助电路主要用来实现本地硬件定址和设置板卡ID.

由于接口电路的任务是将可逆计数器的输出值传输到计算机中，同时接收计算机发出的控制信号，因此完成读写操作是接口电路的基本功能.光栅传感器位移测量系统的数据采集与处理模块设计完成后，将其安装到计算机的PCI插槽中，开发的驱动程序通过操作对应的地址空间，就可以直接访问PCI总线上的信号处理电路[8].

4 系统测试结果

该数据采集系统利用英国RENISHAW公司的ML10激光干涉仪器进行测试，将光栅传感器输出的信号加载到数据采集系统上，通过计算机进行读取，然后与激光干涉仪的示值进行对比，测试结果表明：该采集系统的分辨率达到了0.1 μm；系统精度为±1 μm.测试数据如表1所示.

5 结束语

本系统采用可编程器件CPLD7128设计的光栅传感器信号处理电路，具有结构紧凑、成本低、功能强、可靠性好、灵活性强等优点，节省了开发周期和设计成本；采用PCI接口芯片CH365将系统设计成PCI卡，使之能够借助计算机进行数据处理，提高了测量的智能化水平.由于电路板卡既可以单独使用，又可以插在计算机PCI插槽上，因此提高了运用的灵活性.目前该位移测量系统已经成功运用到某坐标测量机中.在本系统的设计和研究过程中，发现系统中的光栅信号处理技术有一定的局限性，整个系统虽然测量精度较高，但其动态特性难以满足振动信号检测等高速变化信号的场景，这将是下一步研究的重点.

[1]余成波.传感器与自动检测技术[M].北京：高等教育出版社,2009：8-13.

[2]潘松,王国栋.VHDL实用教程[M].成都：电子科技大学出版社,2000：296-299.

[3]张善锺.计量光栅技术[M].北京：机械工业出版社,1984：5-10.

[4]黄勇.基于EPM7128的光栅位移测量仪设计[J].电子工程师，2007,33(8):22-23.

[5]但永平,杨雷.基于FPGA的光栅尺信号智能接口模块[J].国外电子元器件,2004(12):4-6.

[6]孙贤颐，安维蓉，王志晓，等.提高光栅测距精度的四倍频判向电路[J].北方交通大学学报, 1996,20(6):751-753.

[7]尹勇,李宇.PCI总线设备开发宝典[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005：65-73.

[8]武安河.Windows 2000/XP WDM设备驱动程序开发[M].北京：电子工业出版社,2005：323-329.