基于DSP的数字球径仪系统研制
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摘要
数字球径仪是对传统球径仪的革命，本文主要介绍了一种莫尔条纹信号软硬件相结合的细分方法及其装置在数字球径仪的应用。根据曲率半径测量原理，构造了数字球径仪硬件系统，采用数字信号处理器DSP，并与放大电路、滤波电路、辨向电路、鉴零电路、A／D转换电路、计数系统和显示电路等外部电路相结合，实现了莫尔条纹信号200倍频的快速细分，系统分辨力可达50nm。
系统通过差动放大器和滤波电路改善了莫尔条纹原始信号的质量，降低了高次谐波的干扰，采用内置的高速10位A／D转换器提高了模拟数字量的转换精度，减少了系统元器件的数量并提高了系统的稳定性和可靠性，利用数字信号处理器DSP完成软件幅值相位法细分，数据处理时间小于12ns，有效地缩短了数据处理时间，提高了系统的响应频率。通过软、硬件技术的有机结合，将光栅测量技术应用于曲率半径测量中，给球径仪带来广阔的发展前景。
Digital spherometer is a revolution to traditional spherometer. This paper mainly introduces a kind of means about subdivision of grating moire fringe and its device used on digital spherometer system. Based on principle of subdivision, this device could realize 200 part-subdivisions and the resolution of system reached to 50nm, depended on common effects of differential amplifier, filer, comparator, trigger, analog-to-digital converter and DSP.
Differential amplifier circuit and filer circuit improve the quality of original moire fringes and ultra-fast comparators improve the quality of pulse. The set adapts the high speed 12 bits A/D which has eight-channel track/hold circuits, so the parts of the apparatus are reduced and the system stability is improved. The DSP completes software-subdivision of grating moire fringes, the data process time is less 12ns and responding-frequency of the system is improved. The system acquires A/D value of shift-point by means of combined effect of software and hardware, which is innovational compared with traditions. Combined hardware and software, the application of subdivision to digital spherometer will be developed toward the nice prospect.
系统通过差动放大器和滤波电路改善了莫尔条纹原始信号的质量，降低了高次谐波的干扰，采用内置的高速10位A／D转换器提高了模拟数字量的转换精度，减少了系统元器件的数量并提高了系统的稳定性和可靠性，利用数字信号处理器DSP完成软件幅值相位法细分，数据处理时间小于12ns，有效地缩短了数据处理时间，提高了系统的响应频率。通过软、硬件技术的有机结合，将光栅测量技术应用于曲率半径测量中，给球径仪带来广阔的发展前景。
Digital spherometer is a revolution to traditional spherometer. This paper mainly introduces a kind of means about subdivision of grating moire fringe and its device used on digital spherometer system. Based on principle of subdivision, this device could realize 200 part-subdivisions and the resolution of system reached to 50nm, depended on common effects of differential amplifier, filer, comparator, trigger, analog-to-digital converter and DSP.
Differential amplifier circuit and filer circuit improve the quality of original moire fringes and ultra-fast comparators improve the quality of pulse. The set adapts the high speed 12 bits A/D which has eight-channel track/hold circuits, so the parts of the apparatus are reduced and the system stability is improved. The DSP completes software-subdivision of grating moire fringes, the data process time is less 12ns and responding-frequency of the system is improved. The system acquires A/D value of shift-point by means of combined effect of software and hardware, which is innovational compared with traditions. Combined hardware and software, the application of subdivision to digital spherometer will be developed toward the nice prospect.
引文
1 谭宇．透镜表面参数的测量[J]．光学仪器，1994，16 (3)：23-25．
2 沈海龙，光学零件的检验[M]，第1版，南京：华东工程学院，1982．
3 Moon-Sik Jeong, Seung-Woo Kim. Phase-shifting projection moire for out-of-plane displacement measurement. Proc. SPIE Vol. 4317: 170-179, 2001.
4 Tatiana Lukianowicz. Method of measuring small periodical movements involving laser interferometry. Proc. SPIE Vol. 2340: 415-422, 1994.
5 Zhao Mingshan, Jing Yaling. Spherometer based on shearing interferometer. Proc. SPIE Vol. 2536: 498-505, 1995.
6 Zhang Yiru, Zhu Yeqing. Optomechanical design of 50-mm displacement measuring apparatus with nanometer accuracy. Proc. SPIE Vol. 1998: 180-189, 1993.
7 张光强，朱亚一．直读式球径仪的工作原理与结构[J]．设计光学仪器，1995，17 (06)：17-19．
8 V. Sarmiento, N. Mauricio. optical digital spherometer based in structured light perfilometry. Proc. SPIE Vol. 4419: 206-209, 2001.
9 何立民．单片机应用系统设计[M]．第1版，北京：北京航空航天大学出版社，1990．
10 刘志存，魏忠仁．数字化球径仪的研制[J]．电测与仪表，1993，6(3)：41-42．
11 Wang Xiaoman, Song Lu. Research on photoelectric displacement online measuring technology. Proc. SPIE Vol. 2899: 415-419, 1996.
12 吕海宝．位移精密测量技术[J]．国防科技大学学报，1994，16 (02)：44-45．
13 何春娟．莫尔条纹技术在微小测量中的应用[J]．西北工业学院学报，2005，25 (12)：565-567．
14 Lu Haibao, Cao Juliang. research on displacement sensor with nonsymmetrical double gratings. Proc. SPIE Vol. 4077: 40-43, 2000.
15 Su Shaojing, Huang Zhiping. software solution to quanlity enhencement of moire fringes in displacement. Proc. SPIE Vol. 4223: 217-220, 2000.
16 He Shurong, Xiao Zongyang, He Zhuang. A grating displacement sensor instead of the moire fringes the grating line are subdivided directly by CCD. Proc. SPIE Vol. 4221: 406-409, 2000.
17 祝绍箕．光栅数字显示技术及其应用[M]，第1版，北京：机械工业出版社，1992．
18 陈白宁，王生力．光栅传感器测量系统前通道配置与接口设计[J]，沈阳工业学院学报，1997，16(3)：23-28．
19 纪刚．光栅传感器信号特性分析[J]，计量技术，1992，11(7)：1-3．
20 郑克哲．光学计量(上、下册)[M]．第1版，北京：原子能出版社，2002．
21 果宝智．自准直法测量大的硅透镜曲率半径[J]．激光与红外，1997，27 (04)：17-19．
22 张艳．微光学元件面形的数字刀口检测技术[J]．强激光与粒子束，2004，16(02)：01-03．
23 袁吕军．刀口定量检验技术的研究[J]．光学学报，1999，19(06)：24-26．
24 王占芹，于瀛洁．光干涉在光学元件面形测量中的应用[J]．物理测试，2006，24 (02)：11-13．
25 张善钟等主编．计量光栅技术[M]，第1版，北京：机械工业出版社，1992年．
26 马品仲．几何量与光栅技术进展[J]．上海计量测试，1994，22 (2)：22-23．
27 TMS320C2x User's Guide. Texas Instruments. 1990.
28 TMS320 Family Development Support Reference Guide. Texas Instruments. 1990.
29 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．第1版，北京：北京航空航天大学出版社，2001．
30 张伟雄，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发[M]．第3版，北京：电子工业出版社，2004．
31 情源科技．TMS320LF240xDSP应用程序设计教程[M]．第1版，北京：机械工业出版社，2003．
32 刘和平．TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M]．第1版，北京：北京航空航天大学出版社，2004．．
33 扈宏杰，DSP控制系统的设计与实现[M]．第1版，北京：机械工业出版社，2004．
34 TMS320LF/LC240xA DSP Controllers System and Peripherals. 2001.
35 江思敏．TMS320LF240xDSP硬件开发教程[M]．第1版，北京：机械工业出版社，2003．
36 徐科军．TMS320LF／LC24系列DSP的CPU与外设[M]．第1版，北京：清华大学出版社，2004．
37 TMS320F/C24xDSP Controllers CPU and Instruction Set. 2000.
38 高鹏，安涛，寇怀成．Protel99入门与提高[M]．第1版，北京：人民邮电出版社，2000．
39 赵晶．Protel99高级应用[M]．第1版，北京：人民邮电出版社，2000．
40 MAX877/MAX878/MAX879. www.21ic.com.
41 TPS7333Q low-dropout voltage regulators with integrated delayed reset function. Texas Instruments. 1999.
42 MAXIM．MAXIM产品资料全集光盘．北京：美信集成产品公司北京办事处．2002．
43 CY7C1021BV33 CYPRESS. www.21ic.com.
44 宋华军．DSP在高精度数据采集仪中的应用[D]，长春理工大学硕士学位论文，2002(2)．
45 沈兰苏．高速数据采集系统原理及其应用[M]．第1版，北京：人民邮电出版社，1995．
46 LM6118 quad differential comparators. Texas Instruments. 2000.
47 鲍国华．光栅传感器检测电路的设计[J]．仪表技术，1997，9(4)：43-44．
48 纪刚，叶军．光栅传感器的设计要点分析[J]，仪表技术与传感器，1995，7(4)：11-14．
49 Wang Zhao, Tan Yushan. Frepuency-shifting shodow moire fringes. Proc. SPIE Vol. 3476: 130-137, 1998.
50 MAX268 pin programmable universal and bandpass filters. www.21ic.com.
51 李怀琼．一种新的计量光栅辩向技术[J]，西北光电，1999，10(3)：14-17．
52 李艳丽．一种提高芯片内置／转换器精度的方法[J]．继电器，2005，21 (1)：58-61．
53 李谋等主编．位置检测与数显技术[M]．第1版，北京：机械工业出版社，1993．
54 廖传书，刘超。TMS320LF 2407 DSP程序的调试[J]．软件工程，2004，20 (5)：85-86．
55 苏涛，蔡建隆，何学辉．DSP接口电路设计与编程[M]，第1版，西安：西安电子科技大学出版社，2003．
56 张卫宁．TMS320C2000系列DSPs原理及应用[M]．第1版，北京：国防工业出版社，2002．
57 曹晖．TMS320LF2407中断系统分析及C语言编程[J]．新余高专学报，2005，17 (4)：76-79．
58 彭启琮．DSP集成开发环境：CCS及DSP-BIOS的原理与应用[M]．第1版，北京：国防工业出版社，2002．
59 苏绍馄．大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究[D]，国防科学技术大学工学博士学位论文，2001 (10)．
60 卢国纲．现代光栅测量技术[J]．WMEM，2002．10(5)：10-14．
61 王祖文．单片机高倍数光栅细分[J]．光学工程，1989，13(5)：51-59．
62 王作斌．莫尔条纹信号的快速细分方法[J]，长春光学精密机械学院学报，1991，14(2)：21 44-48．
63 喻洪麟，黄良明等．莫尔条纹信号的DSP滤波及细分技术研究[J]．光电工程， 2004，22(9)：61-65．
64 苏绍景，吕海宝，李圣怡．基于DSP的宽动态范围莫尔条纹计数与精密细分技术[J]．光学精密工程，2001，19(4)：146-150．
65 刘清，用DSP实现光栅高精度细分技术[J]．传感器技术，2003，21(7)：25-27．
66 王凤丽．莫尔条纹高插补系数快速细分方法的研究[D]，中国科学院研究生院硕士学位研究生学位论文，2002 (3)．
67 Su Shaojing, Lu haibao. A software solution to counting and subdivision of moire fringes with wide dynamic range. Proc. SPIE Vol. 4222: 308-412, 2000.
68 王跃琼，高速莫尔条纹信号单片机细分的一种方法[J]，光学精密工程，1997，17 (2)：112-118．
69 刘建华，亢海伟．TMS320LF2407模数转换模块几种触发源的应用[J]．仪器仪表，2005，18 (2)：84-85．
70 李培江．DSP细分技术在光栅检波器中的应用[D]，天津大学硕士学位论文，2004(3)．
71 Aijun Zeng, Xiangzhao Wang. Displacement measurement based on moire technique and polarization modulation. Proc. SPIE Vol. 5634: 719-726, 2005.
72 H. Hoefler, J. Molnar, C. Schroeder. Interferometric displacement measurement with automatic compensation ofinfluences of the ambient air. Proc. SPIE Vol. 70: 46-54, 1989.
2 沈海龙，光学零件的检验[M]，第1版，南京：华东工程学院，1982．
3 Moon-Sik Jeong, Seung-Woo Kim. Phase-shifting projection moire for out-of-plane displacement measurement. Proc. SPIE Vol. 4317: 170-179, 2001.
4 Tatiana Lukianowicz. Method of measuring small periodical movements involving laser interferometry. Proc. SPIE Vol. 2340: 415-422, 1994.
5 Zhao Mingshan, Jing Yaling. Spherometer based on shearing interferometer. Proc. SPIE Vol. 2536: 498-505, 1995.
6 Zhang Yiru, Zhu Yeqing. Optomechanical design of 50-mm displacement measuring apparatus with nanometer accuracy. Proc. SPIE Vol. 1998: 180-189, 1993.
7 张光强，朱亚一．直读式球径仪的工作原理与结构[J]．设计光学仪器，1995，17 (06)：17-19．
8 V. Sarmiento, N. Mauricio. optical digital spherometer based in structured light perfilometry. Proc. SPIE Vol. 4419: 206-209, 2001.
9 何立民．单片机应用系统设计[M]．第1版，北京：北京航空航天大学出版社，1990．
10 刘志存，魏忠仁．数字化球径仪的研制[J]．电测与仪表，1993，6(3)：41-42．
11 Wang Xiaoman, Song Lu. Research on photoelectric displacement online measuring technology. Proc. SPIE Vol. 2899: 415-419, 1996.
12 吕海宝．位移精密测量技术[J]．国防科技大学学报，1994，16 (02)：44-45．
13 何春娟．莫尔条纹技术在微小测量中的应用[J]．西北工业学院学报，2005，25 (12)：565-567．
14 Lu Haibao, Cao Juliang. research on displacement sensor with nonsymmetrical double gratings. Proc. SPIE Vol. 4077: 40-43, 2000.
15 Su Shaojing, Huang Zhiping. software solution to quanlity enhencement of moire fringes in displacement. Proc. SPIE Vol. 4223: 217-220, 2000.
16 He Shurong, Xiao Zongyang, He Zhuang. A grating displacement sensor instead of the moire fringes the grating line are subdivided directly by CCD. Proc. SPIE Vol. 4221: 406-409, 2000.
17 祝绍箕．光栅数字显示技术及其应用[M]，第1版，北京：机械工业出版社，1992．
18 陈白宁，王生力．光栅传感器测量系统前通道配置与接口设计[J]，沈阳工业学院学报，1997，16(3)：23-28．
19 纪刚．光栅传感器信号特性分析[J]，计量技术，1992，11(7)：1-3．
20 郑克哲．光学计量(上、下册)[M]．第1版，北京：原子能出版社，2002．
21 果宝智．自准直法测量大的硅透镜曲率半径[J]．激光与红外，1997，27 (04)：17-19．
22 张艳．微光学元件面形的数字刀口检测技术[J]．强激光与粒子束，2004，16(02)：01-03．
23 袁吕军．刀口定量检验技术的研究[J]．光学学报，1999，19(06)：24-26．
24 王占芹，于瀛洁．光干涉在光学元件面形测量中的应用[J]．物理测试，2006，24 (02)：11-13．
25 张善钟等主编．计量光栅技术[M]，第1版，北京：机械工业出版社，1992年．
26 马品仲．几何量与光栅技术进展[J]．上海计量测试，1994，22 (2)：22-23．
27 TMS320C2x User's Guide. Texas Instruments. 1990.
28 TMS320 Family Development Support Reference Guide. Texas Instruments. 1990.
29 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．第1版，北京：北京航空航天大学出版社，2001．
30 张伟雄，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发[M]．第3版，北京：电子工业出版社，2004．
31 情源科技．TMS320LF240xDSP应用程序设计教程[M]．第1版，北京：机械工业出版社，2003．
32 刘和平．TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M]．第1版，北京：北京航空航天大学出版社，2004．．
33 扈宏杰，DSP控制系统的设计与实现[M]．第1版，北京：机械工业出版社，2004．
34 TMS320LF/LC240xA DSP Controllers System and Peripherals. 2001.
35 江思敏．TMS320LF240xDSP硬件开发教程[M]．第1版，北京：机械工业出版社，2003．
36 徐科军．TMS320LF／LC24系列DSP的CPU与外设[M]．第1版，北京：清华大学出版社，2004．
37 TMS320F/C24xDSP Controllers CPU and Instruction Set. 2000.
38 高鹏，安涛，寇怀成．Protel99入门与提高[M]．第1版，北京：人民邮电出版社，2000．
39 赵晶．Protel99高级应用[M]．第1版，北京：人民邮电出版社，2000．
40 MAX877/MAX878/MAX879. www.21ic.com.
41 TPS7333Q low-dropout voltage regulators with integrated delayed reset function. Texas Instruments. 1999.
42 MAXIM．MAXIM产品资料全集光盘．北京：美信集成产品公司北京办事处．2002．
43 CY7C1021BV33 CYPRESS. www.21ic.com.
44 宋华军．DSP在高精度数据采集仪中的应用[D]，长春理工大学硕士学位论文，2002(2)．
45 沈兰苏．高速数据采集系统原理及其应用[M]．第1版，北京：人民邮电出版社，1995．
46 LM6118 quad differential comparators. Texas Instruments. 2000.
47 鲍国华．光栅传感器检测电路的设计[J]．仪表技术，1997，9(4)：43-44．
48 纪刚，叶军．光栅传感器的设计要点分析[J]，仪表技术与传感器，1995，7(4)：11-14．
49 Wang Zhao, Tan Yushan. Frepuency-shifting shodow moire fringes. Proc. SPIE Vol. 3476: 130-137, 1998.
50 MAX268 pin programmable universal and bandpass filters. www.21ic.com.
51 李怀琼．一种新的计量光栅辩向技术[J]，西北光电，1999，10(3)：14-17．
52 李艳丽．一种提高芯片内置／转换器精度的方法[J]．继电器，2005，21 (1)：58-61．
53 李谋等主编．位置检测与数显技术[M]．第1版，北京：机械工业出版社，1993．
54 廖传书，刘超。TMS320LF 2407 DSP程序的调试[J]．软件工程，2004，20 (5)：85-86．
55 苏涛，蔡建隆，何学辉．DSP接口电路设计与编程[M]，第1版，西安：西安电子科技大学出版社，2003．
56 张卫宁．TMS320C2000系列DSPs原理及应用[M]．第1版，北京：国防工业出版社，2002．
57 曹晖．TMS320LF2407中断系统分析及C语言编程[J]．新余高专学报，2005，17 (4)：76-79．
58 彭启琮．DSP集成开发环境：CCS及DSP-BIOS的原理与应用[M]．第1版，北京：国防工业出版社，2002．
59 苏绍馄．大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究[D]，国防科学技术大学工学博士学位论文，2001 (10)．
60 卢国纲．现代光栅测量技术[J]．WMEM，2002．10(5)：10-14．
61 王祖文．单片机高倍数光栅细分[J]．光学工程，1989，13(5)：51-59．
62 王作斌．莫尔条纹信号的快速细分方法[J]，长春光学精密机械学院学报，1991，14(2)：21 44-48．
63 喻洪麟，黄良明等．莫尔条纹信号的DSP滤波及细分技术研究[J]．光电工程， 2004，22(9)：61-65．
64 苏绍景，吕海宝，李圣怡．基于DSP的宽动态范围莫尔条纹计数与精密细分技术[J]．光学精密工程，2001，19(4)：146-150．
65 刘清，用DSP实现光栅高精度细分技术[J]．传感器技术，2003，21(7)：25-27．
66 王凤丽．莫尔条纹高插补系数快速细分方法的研究[D]，中国科学院研究生院硕士学位研究生学位论文，2002 (3)．
67 Su Shaojing, Lu haibao. A software solution to counting and subdivision of moire fringes with wide dynamic range. Proc. SPIE Vol. 4222: 308-412, 2000.
68 王跃琼，高速莫尔条纹信号单片机细分的一种方法[J]，光学精密工程，1997，17 (2)：112-118．
69 刘建华，亢海伟．TMS320LF2407模数转换模块几种触发源的应用[J]．仪器仪表，2005，18 (2)：84-85．
70 李培江．DSP细分技术在光栅检波器中的应用[D]，天津大学硕士学位论文，2004(3)．
71 Aijun Zeng, Xiangzhao Wang. Displacement measurement based on moire technique and polarization modulation. Proc. SPIE Vol. 5634: 719-726, 2005.
72 H. Hoefler, J. Molnar, C. Schroeder. Interferometric displacement measurement with automatic compensation ofinfluences of the ambient air. Proc. SPIE Vol. 70: 46-54, 1989.