本文以光柵位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方法。
光柵位移傳感器的基本原理和特點(diǎn)
光柵位移傳感器的基本構(gòu)成是一對(duì)光柵，其中一塊是固定的，而另一塊是運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并有光通過(guò)兩者時(shí)，能夠獲得相當(dāng)于干涉儀中得到的條紋信號(hào)，即所謂的莫爾條紋信號(hào)。與普通位移傳感器相比，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
● 精度高。光柵位移傳感器在大量程測(cè)量長(zhǎng)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(cè)量方面，光柵式傳感器也屬于精度最高的。
● 大量程測(cè)量兼有高分辨率。感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測(cè)量的特點(diǎn)，但分辨力和精度都不如光柵位移傳感器。
● 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。
● 具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)性強(qiáng)，油污和灰塵會(huì)影響它的可靠性。主要適用于在實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境較好的車間使用。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1 系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介
光柵位移傳感器是進(jìn)行高精度位移測(cè)量的光電轉(zhuǎn)換器，它將位移微變量轉(zhuǎn)換為多路正弦光柵信號(hào)。硬件電路要求首先對(duì)正弦光柵信號(hào)合成，消除測(cè)量 中的共模干擾信號(hào)，然后一路進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；另一路通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后由D觸發(fā)器和與門電路完成光柵位移的辨向，而后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行正 向和反向計(jì)數(shù)；其次單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)USB插口送入計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)細(xì)分和處理，從而得到光柵位移長(zhǎng)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(jī)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(shí)，開發(fā)成本較低，但設(shè)計(jì)和調(diào)試較為麻煩，而且電磁兼容性差，容易造 成主機(jī)不能識(shí)別USB設(shè)備。另一種是利用具有USB接口功能的單片機(jī)。目前國(guó)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(jī)，使用這些專用芯片 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，電磁兼容性好。本設(shè)計(jì)的USB光柵位移檢測(cè)系統(tǒng)接口電路就采用了Microchip的USB PIC單片機(jī)。
3 PIC18F4550芯片特點(diǎn)
Microchip公司的帶USB通信接口的單片機(jī)PIC18F4550芯片為40/44腳封裝，配備了功能強(qiáng)大的12MIPS RISC內(nèi)核，自編程閃存存儲(chǔ)器以及納瓦節(jié)能技術(shù)，工作頻率達(dá)48MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12Mb/s。新器件還具有Microchip先進(jìn)的PMOS 電可擦除單元（PEEC）閃存技術(shù)，耐擦寫次數(shù)可高達(dá)100萬(wàn)次，而數(shù)據(jù)保存期能超過(guò)40年。此外，其全速USB 2.0接口包括一個(gè)片上收發(fā)器和一個(gè)并行流端口，能把數(shù)據(jù)直接傳送到外部的設(shè)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(jī)的一個(gè)關(guān)鍵特性在于它配備了32Kb自編程增強(qiáng)型閃存，使得設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)USB端口對(duì)最終應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升 級(jí)。結(jié)合新器件配備的一系列片上外設(shè)和納瓦技術(shù)（nanoWatt）的功耗管理功能，該全速USB PIC單片機(jī)非常適用于多種嵌入式應(yīng)用，包括工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療、汽車、電池供電應(yīng)用和消費(fèi)類產(chǎn)品。
從光柵傳感器輸入的信號(hào)有5路：±SIN、±COS以及零窗信號(hào)ZERO，它們經(jīng)差分放大電路合成，分3路進(jìn) 入PIC單片機(jī)模擬量輸入口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；同時(shí)，經(jīng)差分放大電路合成后的SIN、 COS 信號(hào)再經(jīng)零比較器后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)，然后經(jīng)D觸發(fā)器和與門電路完成光柵位移的辨向。PIC單片機(jī)T0和T1口接收來(lái)自與門電路的數(shù)字脈沖，完成光柵位 移的計(jì)大數(shù)（計(jì)算光柵尺移動(dòng)的完整光柵數(shù)）；PIC單片機(jī)RC1口輸出4MHz的PWM脈沖信號(hào)作為D觸發(fā)器的CP信號(hào)。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，計(jì)算機(jī)的USB電源一方面為PIC微處理器提供能源，另一反面通過(guò)電源模 塊轉(zhuǎn)換成±12V電源，為運(yùn)放電路提供正負(fù)電源。
