一种多轴运动参数在线测量方法

第３１卷第６期　

２０１１年６月　核电子学与探测技术　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３ｌ　Ｎｏ．６　

Ｊｕｎｅ．　２Ｏｌｌ　

一种多轴运动参数在线测量方法　

程森林　，梁自华　

（１．重庆大学ＩＣＴ研究中心，重庆４０００３０；２．重庆大学自动化学院，重庆４０００３０）　

摘要：针对多轴运动轨迹、速度和加速度等运动参数采用传统检测方法存在实时性差的问题，提出　了一种简单通用的多轴在线测量方法。该方法中的多路并行光栅位移信号的实时采集和存储分别由可　编程逻辑器件ＣＰＬＤ和ＳＲＡＭ负责，数据整理和传送借助微控制器ＡＲＭ实施，运动参数的离线分析和　记录用上位机完成。为验证所提出方法的有效性和可用性，以工业ＣＴ　ＣＤ３００ＢＸＲ分度轴、平移轴、射线　源和探测器分层轴运动的状态检测为例，采用１　ｍｓ中断方式采集运动状态数据４　ｍｉｎ．，然后用Ｍａｔｌａｂ　对其实时性进行分析，测量值和理论值的最大位移偏差率和速度偏差率分别为０．０１２％和０．０２７％，上　位机采集一次数据的延时时长为８１４　ｎｓ。结果表明，该测量方法能够实现多轴运动参数的在线测量。　关键词：多轴运动；运动参数；在线测量　中图分类号：　ＴＰ　２７４．５　文献标识码：　Ａ　文章编号：０２５８－０９３４（２０１　１）０６－０６３６－０５　

多轴协调运动控制是运动控制系统中的重　要技术，在半导体、高速机械加工、光电产业、工　

业测控、医疗器械等众多产业领域有着非常广　

泛的应用。多个运动轴之间的高精度协同运动　是实现复杂的设备功能、高精度控制策略和提　

高产品质量的关键。　

而多轴运动协同性是借助对其运动轨迹和　速度的实时检测实现的¨　Ｊ。目前多轴运动状　

态检测主要是基于单片机系统或是带板卡的工　

控机系统，其特点是或者速度低、实时性不好，　或是可靠性低且体积庞大，不利于移动且布线　复杂，成本高、可应用场合受限－３　Ｊ。为此，项　

目中应用ＦＰＧＡ技术，开发了基于ＡＲＭ的多轴　运动实时检测装置，很好地解决了数据采集的　

实时性和同步性问题，同时系统在抗干扰方面　

收稿日期：２０１１—０１—１３　作者简介：程森林（１９６８一），男，重庆人，博士学位，　副教授，主要从事检测技术与自动化系统、模式识别　与图像技术、计算机层析成像技术与系统等技术研　究。　

６３６　采取了相应措施，保证了系统运行的可靠性，且　

系统具有体积小、模块化强、安装简单等优点。　

１检测原理及硬件构成　

多轴运动在线测量方法的硬件主要由光栅　尺，Ａｌｔｅｒａ公司推出的低成本、高性能的ＭＡＸ　ＩＩ　

器件系列的可编程逻辑器件ＥＰＭ５７０Ｔ１００Ｃ５，　

ＰＨＩＬＩＰＳ公司出品的基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ（一Ｓ）内　核的嵌人式微处理器ＬＰＣ２２１４等组成。　１．１系统基本结构　

设计中的主控制芯片选用Ａｌｔｅｒａ公司出品　

的低功耗高性能ＭＡＸ　ＩＩ器件系列　ＥＰＭ５７０Ｔ１００Ｃ５　ＣＰＬＤ，ＣＰＬＤ控制光栅尺信号　的采样、滤波、倍频、计数，控制不同测量轴的位　置数据同步锁存及保持、对位置数据寄存器寻　

址和读写操作以及控制与微控制器之间的数据　

通信握手协议。选用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＬＰＣ２２１４　微控制器，控制与ＣＰＬＤ之间的通信，ＣＰＬＤ以　

存储器的方式挂载在ＡＲＭ的控制器接口上，　

ＡＲＭ与ＣＰＬＤ之间的数据交换采用定时器中　断方式，即当设定值采样周期Ｉ　ｍｓ到达后，　

ＡＲＭ进人中断服务程序并以静态存储器的标　准读方式读取缓存器中的测量数据。　由光栅尺检测位移信号输出的差分信号Ａ　

＋、Ａ一和Ｂ＋、Ｂ一经过ＡＭ２６ＬＳ３２芯片构成　

的调理电路转化得到相位差为９０。的正交编码　信号Ａ和Ｂ，对于多轴同步控制系统所需的高　

精度协同性，若将光栅尺输出信号直接读出，必　

定会由于各轴采样信号不同步而引起数据延时　

的不确定性问题，设计中在ＣＰＬＤ内部生成缓　

存器，由缓存器在同一个时钟沿将位置数据同　

步采集、缓存，输出到数据总线上以供ＡＲＭ读　取和管理，最终传人上位机以完成数据采集过　

程　Ｊ。系统的基本原理框图如图ｌ所示。　

图１系统原理框图　

１．２系统硬件构成　１．２．１数据采集电路接口设计　数据采集是指将信号源送人ＣＰＬＤ的整个　

过程。为了能有较远距离的传输，各个光栅或　

磁栅的输出采用差分的Ａ＋、Ａ一、Ｂ＋、Ｂ一、ｚ　

＋、ｚ一信号方式输出，先由ＤＢ９将其引人测量　装置，再用芯片ＡＭ２６ＬＳ３２将差分的信号转化　为单端的Ａ、Ｂ、ｚ信号输入ＣＰＬＤ进行处理。　

为了增加硬件电路的可靠性和灵活性，采用　

ＣＰＬＤ构建电路的各个逻辑功能，如图２所示。　ＣＰＬＤ用于实现采集脉冲信号的滤波、倍频处　

理、光栅Ａ／Ｂ两相正交信号的二倍频、计数和　鉴向、将地址译码成片选信号等功能。　ＣｐＩＤ　

光栅输入　—－一二倍频　．．　滤　波　（Ａ／Ｂ两相信号）　——一　鉴向　—’　可　逆　计　数　

片选信号｝—一　——＿一　地址译码　

图２　ＣＰＬＤ逻辑功能图　１．２．２　ＡＲＭ处理器与ＣＰＬＤ的接口技术　

设计中，利用ＣＰＬＤ的高度可编程特性来　

实现对多轴运动参数的采集控制，为了实现多　

个轴的同步测量，将采集后的数据存储到　

ＣＰＬＤ缓存器中，同时ＣＰＬＤ完成相关的数字逻　辑电路。需要在ＡＲＭ控制器中完成对数据的　

处理及传送，因此，需要设计ＡＲＭ控制器与　

ＣＰＬＤ的通信连接，由于ＡＲＭ处理器集成了丰　

富的串行外设接口，包括２个１６Ｃ５５０工业标　

准ＵＡＲＴ、高速Ｉ　Ｃ接口（４００　ｋｂｉｔ／ｓ）和２个ＳＰＩ　

接口。因而，它与ＣＰＬＤ之间的通信可以采取　多种方式。　

由于需要对多个轴进行同步测量，设计中　采用通过外部总线方式连接ＡＲＭ和ＣＰＬＤ，将　

ＣＰＬＤ映射成系统的一段存储器进行读写访　问，系统将ＡＲＭ处理器外部总线的数据线　

ＤＡＴＡ［０…３１］、地址线ＡＤＤＲ［１…３］、读写信　

号ＯＥ、ＷＥ、片选信号ＣＳ１、ＣＳ２以及中断信号　ＩＮＴ０、ＩＮＴ１连接到ＥＰＭ５７０Ｔ１００Ｃ５的ＩＯ管脚。　

测量输出信号通过芯片ＡＭ２６ＬＳ３２处理后接人　ＣＰＬＤ。ＡＲＭ与ＣＰＬＤ的接口连接图如图３所　

刁　。　

ＤＡＴＡ［０．．．３１］　

ＡＤＤＲ［１…３】　ＥＰＭ５７０Ｔ１００Ｃ５　ＬＰＣ２２１４　ＣＳＩ　ＣＳ２　

ＷＥ　１　ＯＥ　Ｄ门　ｒｒｌ　

图３　ＡＲＭ处理器与ＣＰＬＤ接口　

２系统软件设计　

整个多轴在线测量系统的软件设计包括　

ＣＰＬＤ在内的滤波鉴相、倍频、计数、握手协议　

的测量数据采集控制程序、中断程序和应用程　

序的设计。其中ＣＰＬＤ中的数据处理程序采用　Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ语言编写，ＡＲＭ控制器中的数据　

采集控制程序和应用程序分别应用Ｃ语言和　Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋完成。　

２．１　ＣＰＬＤ同步数据采集控制程序设计　

设计中的在线测量方法面向多轴系统，探　

测系统由多个光栅转换接口板构成，并且可根　

６３７　据实际应用需要进行扩展。每个转换接口均由　

一路Ａ／Ｂ／Ｚ数字信号输出，因此要求测量装置　必须具有同时处理多路并行信号的能力，由于　

多轴数据采集采用相同的物理接口且遵循相同　

的传输协议，因此在ＣＰＬＤ中采用复制拷贝技　

术将多个轴的输出信号进行解复用以后送入缓　存器中，以实现多轴运动参数实时测量　卜　。　

所有的复用模块采用相同的状态机实现，　

状态机分４个状态ｓｌ—Ｓ４，ＣＰＬＤ控制的同步　

采集程序状态转移图如图４所示。Ｓｌ为滤波　鉴向状态，设计一个数字滤波模块以消除抖动　

脉冲，采用以一定频率的时钟脉冲对信号进行　

采样处理，连续３次采样得到高电平的信号即　为正常信号，并参与以后的数据处理，其余信号　

视为干扰给予滤除的滤波方法防止计数器错误　

计数，鉴于滤波后Ａ、Ｂ信号顺序未改变，用１　个Ｄ触发器实现其鉴相功能；ｓ２为四倍频状　

态，信号的倍频有利于提高测量精度，设计中采　

用Ｄ触发器延时的方法对其中一个信号进行　延时后异或的逻辑运算以实现信号的四倍频；　

ｓ３为可逆计数状态，倍频后的测量信号经计数　器计数后转化为位移计数值；Ｓ４状态完成在同　

一时钟上升沿将不同轴的测量数据锁存，ＣＰＵ　

向ＣＰＬＤ发送命令，ＣＰＬＤ根据从ＡＲＭ接收到　的相应命令将计数值放到数据总线上，ＣＰＵ定　

时读取测量计数值。用ＭｏｄｅｌＳｉｍ—Ａｈｅｒａ　６．４ａ　软件仿真Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ语言编写的ＣＰＬＤ的同　

步采集程序仿真波形如图５所示。　

图４解复用模块状态机　

图５　ＣＰＬＤ仿真波形　由于ＡＲＭ从ＣＰＬＤ读取数据和ＡＲＭ向　

ＣＰＬＤ写命令两个过程同时进行会发生时序冲　

突，因此设计中采用在ＣＰＬＤ中编写接口协议　

方法解决冲突问题。由Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ语言定义　

一个数据总线控制信号ｂｕｓ—ｓｗｉｔｃｈ用于控制　

６３８　ＣＰＬＤ对总线的占用，当ｂｕｓ—ｓｗｉｔｃｈ为低电平且　写信号也为低电平时，同时总线数据处于已建　

立的状态，ＡＲＭ向ＣＰＬＤ写命令；反之，当ｂｕｓ—　ｓｗｉｔｃｈ为高电平且读信号为低电平时，同时测　

量数据已放到数据总线上，ＡＲＭ从ＣＰＬＤ读取　

测量值，从而解决冲突问题。　２．２基于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＸＰ环境下的应用程序的　

设计　系统应用程序决定调用资源以完成相应的　任务。应用程序的设计采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋集成　

开发环境，利用ＭＦＣ编程，其主要完成程序初　

始化、实时地从串口采集、分析并显示数据。测　

量系统按照上位机ＰＣ命令完成相应的动作。　当接收到ＰＣ发送的“０ｘ００”时，测量装置即将　

当前计数值发送到Ｐｃ，经计算就可显示当前各　

个轴的位置信息；当接收到ＰＣ发送的“０ｘ０１”　时，将外部存储器中的数据按地址顺序依次发　

送至ＰＣ作历史数据保存，以供后续处理和分　析用。测量系统的主程序流程图和中断程序流　

程图分别如图６和图７所示。　

程序开始　

兰　

计数并显示各轴运动信息　

藏　口接收数据为Ｑ≥：，＿一　

发送当前数据到上位机　

＆　

发送ＳＲＡＭ存储值到上位机　

堡＜　矗　＞壅　

图６主程序流程图　

３　实验结果　

将上述测试方法用于工业ＣＴ　ＣＤ３００ＢＸ平　

台上，定时ｌ　ｍｓ采样该平台分度、平移、射线源　

分层和探测器分层共四轴的位移信号４　ｍｉｎ，并　对采样数据使用Ｍａｔｌａｂ软件分析其实时性。　～一一一一一一