基於EPA的光柵位移測量系統原理及設計方案

　　引言

　　目前，國內研究和開發數控定位裝置的單位都在研製各種經濟型的工作檯產品，一般定位精度為1μm、5μm、10μm。工作檯的結構布局、位移量的大小、測量速度等都越來越趨於靈活，自動化程度也越來越高，但是這些工作檯大多數都是單機監控的分散結構，有些是通過RS485、現場總線、PLC等把設備連接在一起，構成簡單的DCS或FCS網絡測量系統。利用這些方法構成的系統具有成本高、測量範圍小、速度低、不穩定和支持應用有限等缺陷，因而其發展受到了極大的限制。相反，工業乙太網以其統一的TCP／IP協議和CSMA／CD多路訪問方式使其得到了迅猛發展，乙太網不僅具有廉價、高速、簡易、方便的特性，而且傳輸速率高、信息量大、兼容性強，所以受到許多工業監控現場總線開發機構的高度重視。

　　本文介紹的基於EPA的光柵位移測量系統，具有功能易於拓展、聯網方便、造價低廉的特點，可很好地滿足航空航天、精密機械儀器、數控工具機等領域中精密位移測量及定位的需要。

　　1光柵位移測量系統硬體選型

　　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絡微控制器。它執行指令的速度比普通的8051快3倍。它的外圍設備包括10／100Mbps的乙太網MAC，2個串行埠，1個CAN2．0控制器，1個l-wrie控制器和64個I／O引腳。為了能訪問網絡，ROM裡嵌入了完全的TCPIPv4／6協議棧和作業系統。網絡協議棧同時支持32個TCP連接而且可以通過乙太網MAC以5Mbps的速率傳輸數據。

　　對於半雙工操作模式，DS80C410和網絡上其他節點一起共享乙太網物理介質。DS80C410訪問物理介質時遵守乙太網的帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問協議(CS-MA／CD)。MAC在試圖發送以前等待物理載體空閒。由於網絡中有很多節點，所以在發送時不同的節點可能發生衝突。當檢測到衝突時，MAC在嘗試再次發送前等待一個隨機時隙。除非有指令幹涉，否則MAC再嘗試發送這個衝突幀，發送16次以後自動放棄這個發送幀。對於全雙工通信模式，物理介質和DS80C410直接連接到另外一個節點上，允許同時發送和接收數據，而不會發生衝突，因此不需要介質訪問方法。對於全雙工通信，流控制機制使用PAUSE控制幀。當需要時間釋放接收數據緩衝區時，DS80C410可以初始化PSUSE幀，請求其他的嘗試發送幀的節點掛起幾個時隙。

　　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。內部集成的2個串口，便於整個系統的功能升級和擴展。除了組建工業乙太網接口電路所用到的埠外，還有大量的閒置埠可以用來實現其他用途，同時系統能夠實現在工業現場以10／100Mbps的網絡傳輸速度進行實時通信，便於系統實現網絡化測試。另外，它執行指令的速度比普通的8051快3倍，所以有利於提高系統的響應時間。綜合考慮之後，選擇DS80C410作為整個光柵位移測量系統的主控制器。

　　1．2乙太網收發晶片LXT972ALC

　　本設計中需要一個傳輸介質為雙絞線的乙太網接口，這裡採用的Intel公司的LXT972ALC就是這樣一個接收發送晶片。它遵守快速乙太網協議，支持10／100MbpsMAC標準。LXT972ALC設備實現了標準IEEE802．3定義的MII。提供了從MAC到LXT972ALC數據傳輸的獨立通道。每一個通道都有各自的時鐘、數據總線和控制信號。

　　1．3網絡變壓器

　　乙太網收發晶片LXT972ALC輸出數據還要通過網絡隔離變壓器實現對信號的處理，網絡隔離變壓器的作用就是把信號轉換成平衡信號傳輸，以減少共模幹擾，提高數據傳輸距離。設計中採用了Belfuse的S558-5999-T7網絡隔離變壓器。變壓器的兩個輸入和兩個輸出分別連接乙太網收發晶片LXT972ALC的TPIP／N、TPOP／N和RJ45。

　　2傳感器

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

　　2．1光柵位移測量的基本原理

　　光柵傳感器主要是由標尺光柵、指示光柵和光電器件(發光和光敏器件)組成，當兩塊光柵以微小夾角重疊時會產生幹涉，在與光柵刻線大致垂直的方向上形成亮暗相間的幹涉條紋，即所謂莫爾條紋。隨著兩光柵的相對移動，條紋也發生移動，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，按照一定的對應關係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於光柵柵格的寬度，因而，莫爾條紋實際上起到了光學放大作用。其放大倍數為

　　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解析度和精度的重要因素。對於不同的光柵尺，其測量的解析度、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。由於方波信號為數字量，不需要A／D轉換，DS80C410就可以直接進行處理，所以本文重點討論方波輸入信號，而對於正弦波信號，經過整形可變為方波信號輸出。