|
1 引言 光柵數顯系統主要用于普通機床，可直接顯示機床加丁的長度值，有助于提高加工精度和效率。目前國內市場上的光柵數顯系統大多采用國外集成電路實現，研發成本高，且不便于操作人員使用。針對這種狀況，研發了基于MCU+CPLD的新型光柵數顯系統。該系統具有計數精度高、成本低、操作方便以及升級快等特點，能夠處理高達5 MHz／s的正交脈沖，并在掉電時有效存儲當前長度值，其數碼管可顯示關鍵的長度值，點陣式液晶屏還可顯示相關的提示信息。 2 系統工作原理 利用CPLD實現正交脈沖處理邏輯電路，而可逆計數器則用于處理計數光柵尺輸出的正交脈沖，CPLD的高速并行處理能力可保證光柵尺輸出信號無遺漏采樣，從而確保計數的可靠性。可逆計數器的值通過MCU一系列運算后轉換為機床加工的長度值、MCU再將其長度值回送至CPLD并在數碼管上顯示。 此外，CPLD還具有7×8鍵盤按鍵檢測和去抖功能，將處理后的可靠按鍵送至MCU。MCU主要用于液晶屏的顯示控制、掉電數據保存，以及復雜的數學運算。系統工作原理框圖如圖1所示。 3 正交脈沖信號采集處理 3．1 正交脈沖采集 光柵尺輸出一組正交脈沖信號，即相位差為90°的兩路方波，如圖2所示。當光柵尺正向移動一個柵距時，光柵尺輸出一個00—01一11—10—00循環，A路方波相位超前于B路90°；當光柵尺反向移動一個柵距時，光柵傳感器輸出一個00—10一11一01一00循環，A路方波相位滯后B路90°。 分析A，B兩路方波的邏輯狀態發現A，B兩路方波在任意時刻下只有一路信號發生邏輯狀態變化。如果在邏輯狀態變化前A，B兩路的狀態相同，那么變化后的邏輯狀態肯定相異；如果變化前A，B兩路方波邏輯狀態相異，那么變化后邏輯狀態肯定相同。只需對這兩路信號異或，就能提取光柵尺運動的方向信號updown以及與運動距離成正比的計數脈沖cp。 由圖2看出，光柵尺移動一個柵距將輸出4個cp脈沖，系統測量的最小分辨率提高至1／4柵距，通常稱為四裂相或四倍頻。CPLD在每個clk的上升沿檢測A，B兩路方波的狀態，首先分別對當前檢測的狀態A0，B0和上次檢測的狀態A1，B1相異或，然后將兩次異或值再異或。如果最后異或值為1，則說明A，B兩路方波發生變化，則向可逆計數器輸入一個高電平寬度為1個clk周期的計數脈沖cp，實現邏輯如圖3所示。 3．2 可逆計數器 將提取的方向信號updown和計數脈沖cp輸入至可逆計數器，實現對光柵尺輸出的正交脈沖計數。可逆計數器模塊的VHDL程序如下： 3．3 clk的取值 由于CPLD的采樣時鐘clk必須大于8倍光柵尺輸出的正交脈沖，因此系統不會丟失信號。該系統設計使用40 MHz有源晶體振蕩器作為CPLD的采樣時鐘源，可記錄的最大光柵傳感器輸出信號頻率為5 MHz。如果使用50線／mm的光柵尺，經過CPLD的四裂相細分后，計算該光柵尺接該系統的最大不漏數加工速度為20 μmx5 MHz="100" m／s，最小分辨率為5μm。遠遠超出機床運行的極限速度，完全滿足實際需求。 3．4 EPM240簡介 選用Altera公司的EPM240作為CPLD，EPM240是MAX Ⅱ系列器件中的一員。MAX Ⅱ CPLD系列的體系結構使其在所有CPLD系列器件的單位I／O引腳的功耗和成本最低；支持高達300 MHz的內部時鐘頻率，面向通用低密度邏輯應用，MAX Ⅱ CPLD可替代高功耗和高成本 ASSP 以及標準邏輯CPLD。 EPM240含有240個邏輯單元(LE)，等效于192個宏單元；8 192 bit的用戶Flash存儲器，可滿足用戶小容量信息存儲要求：最大用戶I／O數為80，最快速度為4．5 ns，完全滿足系統設計要求。 4 MCU掉電數據存儲 掉電數據存儲是系統設計的另一重要功能，要求高可靠性。系統在掉電時應保存光柵尺的當前位置信息，下次開機時通過調用上次掉電時保存的位置信息恢復系統。因此，掉電瞬間，掉電報警電路將迅速響應．向MCU_ 發出報警信號；MCU檢測到報警信號后，馬上進行相應處理，將當時光柵尺的當前位置信息存入EEPROM。其硬件電路如圖4所示。 為了提高MCU的掉電響應速度，增強系統可靠性，系統設計采用新的增強型51單片機STC-89C516RD。該器件具有1 KB RAM和高達64 KB大容量ROM，ISP 功能，指令周期有6clock和12clock兩種可選模式。使用20 MHz晶體振蕩器，采用6clock模式燒寫時，單指令周期的程序執行時問僅為0．3μs，比普通51單片機在最高24 MHz晶體振蕩器下的運行速度要快得多。因此，大大縮短了掉電數據存儲程序的執行時間。 4．1 掉電報警電路 選用超小型高精度電壓檢測器S80848，內部檢測電壓固定為4．8 V，精度為±2％，最大響應時間為60μs。S80848采用標準5 V供電，電源正常時輸出高電平；當電源電壓降至4．8 V時，則輸出低電平。將S80848的輸出腳連接至MCU 的INT0，并將MCU的INT0設置為電平觸發。因此，電源電壓只要低于4．8 V就會使MCU進入INT0中斷，MCU在中斷程序中保存位置信息。 4．2 EEPROM選取 當MCU對EEPROM的寫操作完成后，EEP-ROM需用10 ms的最大自寫入時間將信息寫入存儲單元。為了使用更多的時間用于EEPROM自寫入，選用低壓EEPROM，即AT24C64—2．7 V，其工作電壓為5．5 V～2．7 V，容量為64 KB，每頁為32 B，最大寫入次數為1 000 000。 4．3 掉電時間計算 選用工作電壓為4．5 V～5．5 V的STC89C516RD，當電源電壓降至4．5 V以下時，MCU不能可靠工作。MCU的INT0的中斷服務程序只能使用電源電壓從4．8 V降至4．5 V的這段時間，所有處理必須在該段時間內完成。因此中斷程序設計時應盡量考慮使其執行時間最短，中斷應先將所有存儲的數據存入一個數組，然后將該數組的所有元素寫入AT24C64，當然該數組的元素數必須小于AT24C64一頁的長度．即必須小于32 B。 當輸出電壓為5 V時，最大電流為，Imax=0．8 A，等效負載R=5／I=6．25 Ω，與5 V電源并聯的電容C=4700μF，則系統時間常數為丁：τ=RC=0．029 s。設發生掉電t=0，根據公式u(t)=Vcc exp(一t/τ)=5 exp(一t／0．029)可知：t=1 183 μs時，電源電壓Vcc從5 V降至4．8 V；t=3 055μs時，Vcc降至4．5 V；t=17 869μs時，Vcc降到2．7 V。MCU的中斷服務程序時間為3 055-1 183=1872μs，故大于實測中斷服務程序時間1 350μs；EEPROM自寫入有效時間為17 869-3 055=14 814μs，故完全滿足EEPROM寫入要求。 4．4 中斷服務程序 為了避免MCU頻繁寫入EEPROM，使用次數超出最大有效寫入次數。中斷程序對中斷輸入引腳上的電平進行必要濾波。濾波算法為：系統進入中斷程序后，首先關閉中斷，然后連續10次判斷INT0的電平，如果每次判斷得到的電平值都為低，則繼續往下執行中斷服務程序，只要有一次為高則立即退出中斷服務程序。完成寫入數據，要確保INT0上的低電平解除后再返回中斷，否則等待，直至低電平解除。中斷服務程序流程圖如圖5所示。 5 結束語 詳細介紹光柵數顯系統設計，采用CPLD可大大簡化系統硬件設計，降低系統成本，增強系統可靠性和靈活性。選用STC89C516RD，可避免擴展外部存儲器，從而簡化單片機的外圍電路設計。 |
