1 引言

高精度旋轉(zhuǎn)角測(cè)量廣泛應(yīng)用于精密加工、航空航天和軍事等領(lǐng)域。測(cè)量角度和角位移的方法有：水準(zhǔn)管式傾角儀，圓光柵以及電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、光電編碼式、磁阻式等角位移傳感器。目前，利用圓光柵方法實(shí)現(xiàn)的高精度軸轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量精度高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。這里提出一種基于圓光柵的非接觸式軸轉(zhuǎn)角位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并配合新一代DSP處理器TMS320X 2812進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制，使得角位移的測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，功耗小，響應(yīng)快，測(cè)量范圍廣，可智能化，不受電磁干擾等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖 1給出基于TMS320X2812型DSP的旋轉(zhuǎn)軸角位移測(cè)量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。主要包括圓光柵、正交脈沖接口電路、DSP控制單元和顯示單元等。圓光柵感測(cè)被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)角位移的變化，再將角位移變化轉(zhuǎn)換為脈沖變化，經(jīng)接口電路將圓光柵輸出的正交脈沖傳送到TMS320X2812型DSP的正交編碼脈沖電路 (QEP)模塊進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，可直接通過(guò)LCD數(shù)碼顯示測(cè)量結(jié)果，還可將測(cè)量數(shù)據(jù)與上位計(jì)算機(jī)通信，或通過(guò)DSP輸出的控制信號(hào)來(lái)控制被測(cè)體的旋轉(zhuǎn)角位移。

2.1 圓光柵結(jié)構(gòu)及工作原理

圖 2給出典型的圓光柵。它是由光柵環(huán)(主光柵)和讀數(shù)頭(指示光柵)組成。光柵環(huán)與讀數(shù)頭相干涉形成莫爾條紋，光柵每移動(dòng)1個(gè)柵距，莫爾條紋就移動(dòng)1個(gè)條紋間隔；光柵改變運(yùn)動(dòng)方向，莫爾條紋也隨之改變運(yùn)動(dòng)方向，二者具有對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的位移可獲取標(biāo)尺光柵的位移量和移動(dòng)方向。

由于主光柵與讀數(shù)光柵的夾角θ非常小，因此莫爾條紋方程為：

B=ω／θ (1)

式中：B為莫爾條紋間距；ω為光柵常數(shù)。

由條紋移動(dòng)數(shù)目N來(lái)計(jì)算光柵移動(dòng)距離：

S=Nω (2)

假設(shè)光柵環(huán)的半徑為r，則軸旋轉(zhuǎn)的角度為：

β=s／r=NBθ／r (3)

這樣就可通過(guò)計(jì)算輸出脈沖通過(guò)算出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

該系統(tǒng)采用雷尼紹20μm圓光柵和與之配套的RGH20X系列讀數(shù)頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高精度，讀數(shù)頭內(nèi)部對(duì)光柵5細(xì)分(分辨率為4μm)，輸出的兩條正交方波脈沖又對(duì)光柵進(jìn)行4倍細(xì)分。RESR圓光柵刻線直接刻在圓環(huán)的外表上(柵距20μm)，RGH20系列讀數(shù)頭具有雷尼紹的獨(dú)一無(wú)二的光學(xué)濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可在有污染、劃痕、指紋情況下讀數(shù)，所有誤差都可通過(guò)簡(jiǎn)單的精確調(diào)整獲得補(bǔ)償。

2.2 DSP及外圍電路

該測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是以TMS320X2812型DSP為控制核心的。TMS320X2812為32位定點(diǎn)DSP，其最高的主頻為150MHz，最小指令周期為6.67 ns，外部采用低頻時(shí)鐘，通過(guò)片內(nèi)鎖相環(huán)倍頻。TMS320X2812內(nèi)部事件管理器(EV)模塊的QEP單元可直接對(duì)正交脈沖信號(hào)譯碼，可方便、精確地對(duì)圓光柵輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。TMS320X2812的串行通信接口(SCI)是一個(gè)雙線通信異步串行通信接口，為減少串口通信時(shí)CPU的開(kāi)銷(xiāo)，其串口支持16級(jí)接收和發(fā)送FIFO。該接收器和發(fā)送器都是雙級(jí)緩沖器，具有各自獨(dú)立的控制位與中斷位，SCI采用硬件檢查通信數(shù)據(jù)極性和數(shù)據(jù)格式，可減少軟件負(fù)擔(dān)。

2.2.1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集

圓光柵讀數(shù)頭輸出信號(hào)為兩列頻率變化且正交(即相位相差90°)的脈沖(A，B)如圖3所示。將兩列正交脈沖信號(hào)輸入到TMS320X2812的QEP1和 QEP2計(jì)數(shù)引腳，EV模塊中QEP電路方向檢測(cè)邏輯可根據(jù)A，B脈沖的相位關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)作為通用定時(shí)器的方向輸入。如果QEP1超前，定時(shí)器遞增計(jì)數(shù)，反之定時(shí)器遞減計(jì)數(shù)。QEP電路對(duì)兩列正交輸入脈沖的上升沿和下降沿計(jì)數(shù)，因此產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入序列的4倍，并把該時(shí)鐘作為通用定位器2 的輸入時(shí)鐘，這樣可通過(guò)QEP對(duì)輸入的光柵信號(hào)4細(xì)分。通用定時(shí)器2總是從當(dāng)前值開(kāi)始計(jì)數(shù)，因此可在使能QEP前將所需值裝載到所選通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)器中，定時(shí)器數(shù)值除以4得出讀數(shù)頭輸出的脈沖數(shù)，從而計(jì)算角度。QEP電路對(duì)輸人脈沖進(jìn)行4細(xì)分，可使精度提高四倍，線位移精確到1μm。

2.2.2 接口電路設(shè)計(jì)

RGH20 讀數(shù)頭輸出信號(hào)經(jīng)光電隔離后直接送到QEP單元引腳。其中，光電耦合器件采用TLP550型高速光耦，用以實(shí)現(xiàn)電源與地的隔離。串行通信接口電路采用符合 RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器件MAX232進(jìn)行通信。由于MAX232的電源電壓為+5V，而DSP的電源電壓為3.3 V，故需在MAX232與TMS320X2812間加電平轉(zhuǎn)換器件74LVC04。如圖4所示。