基于CPLD的光栅尺位移测量系统

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011347598.3(22)申请日 2020.11.26(71)申请人 西安航天计量测试研究所地址 710100 陕西省西安市15号信箱7分箱(72)发明人 赵米锋　丁国　邓鹏波　杨曦　朱锴　(74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限公司 61211代理人 汪海艳(51)Int.Cl.G05B 19/05(2006.01)(54)发明名称基于PLC的光栅尺数据采集系统及方法(57)摘要本发明涉及一种光栅尺数据采集系统及方法，具体涉及一种基于PLC的光栅尺数据采集系统及方法。

解决现有通过计算机专用板卡实现数据采集存在的成本高以及采用专用数显表实现数据采集存在的频率过高数据易丢失及功能单一的技术问题。

包括PLC、触摸屏及开关电源；PLC自带高速计数器；光栅尺输出信号与高速计数器的采集端口连接；PLC用于将光栅尺输出信号处理后上传至触摸屏；上述触摸屏用于接收PLC输出信号并进行人机交互；PLC内存储数据处理程序，PLC对光栅尺输出信号进行处理，将光栅尺的脉冲信号转换为实际长度。

本发明采用PLC高速计数器计数功能读取光栅尺信号，通过编程实现数据处理，无需采用计算机就可完成，可直接将数据上传触摸屏实现人机交互。

权利要求书4页 说明书7页 附图2页CN 112415944 A 2021.02.26C N 112415944A1.一种基于PLC的光栅尺数据采集系统，其特征在于：包括PLC、触摸屏及开关电源；所述开关电源包括5V开关电源及24V开关电源，所述5V开关电源用于给光栅尺供电，所述24V开关电源用于给PLC和触摸屏供电；所述PLC包括高速计数器；光栅尺输出信号与高速计数器的采集端口连接；所述PLC用于将光栅尺输出信号处理后上传至触摸屏；所述触摸屏用于接收PLC输出信号并进行人机交互；所述PLC内存储数据处理程序，用于对光栅尺输出信号进行处理，将光栅尺的脉冲信号转换为实际长度；所述数据处理程序包括暖启动程序、主程序及校准子程序；所述数据处理程序被执行时，执行以下步骤：步骤1、运行暖启动程序，实现初始化；PLC上电，对高速计数器数据存储地址以及其它数据存储地址清零，初始化；步骤2、运行主程序，计算光栅尺实际长度；步骤2.1、PLC的数字量输入端口接收到光栅尺参考点的上升沿信号触发高速计数器开始计数，并将脉冲数存储到高速计数器数据存储地址中；步骤2.2、读取高速计数器数据存储地址中的脉冲数，若该地址中的脉冲数有不稳定或跳变现象，则在设定时间内连续存储n个脉冲数，取其平均值或者中位值作为该地址当前脉冲数；其中n为大于等于2的正整数；步骤2.3、根据采集到的脉冲数及光栅尺栅距计算光栅尺实际长度；步骤3、运行校准子程序，对光栅尺实际长度进行校准。

基于51的光栅位移检测装置的设计光栅位移检测装置是一种用于实时测量物体运动状态和位置的高精度检测装置。

本文将介绍基于51单片机的光栅位移检测装置的设计方案。

首先，我们需要了解光栅位移检测装置的原理。

光栅是由若干个平行的透明和不透明带组成的，当光线照射到光栅上时，通过等距离的光学系统形成的像点阵，可以通过像点位置移动的方式来测量物体的位移。

在本设计方案中，我们将使用两个光栅和一个反射片来实现测量物体的位移。

其中一个光栅作为发射光栅，另一个作为接收光栅，两个光栅之间的距离即为测量范围。

当物体顺着测量范围运动时，反射片会将光栅反射回发射光栅，形成一条条亮暗相间的条纹。

通过记录条纹的数量和位置，可以计算出物体的位移量。

整个系统的核心是51单片机，它负责控制发射光栅和接收光栅的工作，同时采集反射片反射回来的光信号并进行信号处理和数据计算。

具体的设计步骤如下：1. 确定光栅和反射片位置在实际应用中，需要根据实际要测量的物体大小和位移范围，确定发射光栅和接收光栅的距离以及反射片的位置。

一般来说，发射光栅和接收光栅间距越大，测量范围也就越大，精度也就越高。

反射片应该放置在物体底部，确保在位移时始终与光栅保持垂直。

2. 确定光栅频率光栅频率是指单位长度内的光栅条数，频率越高，精度也就越高。

在实际应用中，可以根据需要选择不同的光栅频率。

3. 确定光电转换电路光电转换电路是用于将光信号转化为电信号的重要部分。

一般来说，光电二极管或光敏电阻是常用的光电转换器件。

电路设计需根据实际应用进行优化。

4. 确定数据采集与处理方法数据采集与处理是整个系统的核心，一般采用51单片机或者ARM等处理器芯片进行数据采集、处理、存储及通信。

本设计中，选择51单片机进行数据采集和处理，通过中断方式采集反射回来的光信号，并进行信号处理和数据计算。

5. 电路实现和调试根据以上设计步骤，可以实现整个系统的电路设计，需要进行实物搭建和调试。

在调试过程中，需要注意电路的稳定性、信号通量和干扰等问题，确保系统的精度和稳定性。

光栅式位移测量欣欣机械学院摘要光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。

光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。

关键词光栅莫尔条纹辨向光栅干涉1 引言随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。

相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。

传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分和处理来实现位移量的测量。

但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。

这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。

中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。

粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。

它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。

传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。

同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。

特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。

2 光栅式位移测量分析2．1光栅测量原理2．1．1光栅的分类和结构光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。

实验报告格式要求一. 实验题目名称:光栅位移测试系统二. 实验目的、任务和要求:1.目的：应用VHDL语言编写出一套测试系统程序以实现对光栅的位移测量及方向的辨别。

2.任务和要求：对两列因明暗变化而产生高低电位不同的电信号进行处理，能根据提供的两列相位差为π/2的电信号，计算出光栅的位移量和方向。

三.实验系统结构设计分析1.模块划分思想和方法：原理简述：光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。

用于位移测量的光栅称为计量光栅。

光栅主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。

标尺光栅的有效长度即为测量范围。

必要时，标尺光栅还可接长。

指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d(取d＝W 2/λ，W为栅距，λ为有效光波长)，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。

若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。

位移量为脉冲数与栅距的乘积。

当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。

划分思想：注意到无论可动光栅片是向左或向右移动，在一固定点观察时，莫尔条纹同样都是作明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法判别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。

因而必须在测量电路中加人辨向电路。

在图所示的光栅辨向原理中，两个相隔1／4莫尔条纹间距的光电元件，将各自得到相差π／2的电信号u1和u2。

它们经整形转换成两个方波信号u1’和u2’。

从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲(图中充填的脉冲)正好发生在u2’处于“l”电平时，从而经Y l输出一个计数脉冲；而u1’经反相并微分后产生的脉冲(图中未充填的脉冲)则与u2’的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。

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【摘要】针对通用的光栅传感器位移测量系统存在性能不稳定、抗干扰性不强等问题,介绍了一种基于PCI总线的光栅传感器位移测量系统的设计方法,系统采用CPLD对光栅传感器的信号进行处理,采用CH365完成PCI总线的接口电路设计.通过测试,系统的分辨率为0.1um,精度为±1um,性能指标达到了预定目标,该系统已经成功运用到某型号的坐标测量机中.【期刊名称】《湖北民族学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(028)001【总页数】3页(P90-92)【关键词】光栅传感器;位移测量;信号处理;CPLD;PCI总线【作者】刘利平;黄勇;廖红华【作者单位】湖北民族学院,信息工程学院,湖北,恩施,445000;湖北民族学院,信息工程学院,湖北,恩施,445000;湖北民族学院,信息工程学院,湖北,恩施,445000【正文语种】中文【中图分类】TP212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. 图1 系统原理框图Fig.1 Block diagram of system principle(a)指示光栅正向运动 (b)指示光栅反向运动图2 光栅传感器输出信号Fig.2 Output signal of grating sensor图3 光栅传感器信号处理电路Fig.3 Signal processing circuit of grating sensor 图4 数字滤波电路Fig.4 Filter circuit图5 数字滤波电路仿真波形图Fig.5 Simulation waveform of digital filter circuit图6 细分辨向电路仿真波形Fig.6 Simulation waveform of subdivision and distinguish direction circuit2 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Fig.7 Simulation waveform of reversible counter circuit图8 PCI总线接口电路框图Fig.8 Block diagram of interface circuit of PCI bus 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/mm13.00003.00043.00023.000126.00006.00026.00046.000339.00009.000 29.00019.0003412.000012.000412.000012.0002515.000015.000115.000515. 0003618.000017.999717.999917.9996721.000021.000421.000321.0002824. 000024.000324.000224.0007927.000027.000127.000324.00041030.000030. 000130.000330.00013.4 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.参考文献:[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.。