基于DSP2812的光栅细分技术研究
摘要
光栅技术应用极为广泛,除应用于大型精密数控机床、测量仪器外,在中小型测量设备上也有诸多应用,近年来在便携式精密测量仪器领域也逐渐推广应用,如西南交通大学牵引动力实验室研发的五连杆轮轨测量仪中也用到光栅编码器来测量角度。光栅细分是实现精密测量的必由之路,为跟踪该技术的发展,提高轮轨测量仪精度,本文对光栅细分技术进行了如下研究：
首先,对光栅测量原理进行分析,研究了经典细分法方法及新型细分方法的特点,根据现代数字信号处理器(DSP)的发展现状,结合设计中采用直线式粗光栅,选取了一种软硬件结合的幅值相位细分法,设计了系统总体方案,对细分系统的主要组成模块进行了选择及功能设计
其次,设计了细分硬件电路：差分放大电路滤除光栅尺输出信号中的直流分量,然后一路通过过零比较电路将正弦波转换为方波,另一路在通过低通滤波电路滤除高频噪声后,两路分别通过不同参数的加法及比例运算电路对幅值进行调节,以满足各自后续电路对输入信号的要求；DSP2812芯片的正交编码模块用于方波信号的辨向和计数,其A/D转换模块检测光栅信号正弦电压波形,串口通信模块向外发送细分计数结果。
再次,编写了DSP软件：对QEP、 A/D模块及串口的功能进行设置,设计了数字滤波程序对采样数进行滤波,零点补偿程序模块消除温漂,设计幅值相位细分表,编写查表程序,实现了非完整脉冲位移细分计数,设计串口发送程序,实现了细分结果的正确发送。
最后分析了光栅细分系统的测量误差,介绍了系统调节、测试情况,结果表明,系统的分辨率由0.04mm提高到0.001mm。
Grating technology is widely used. In addition to used in large precision CNC machine tools, measuring instruments area, it also used in the portable precision measuring instruments also gradually popularized by recent years. Traction Power State Key Laboratory of Southwest Jiaotong University developed five-bar mechanism wear precision rofilometer is also used the Grating measurement to measuring the angle. Grating subdivision is an important way to realization precision measurement, in order to tracking the technology development, improve the measurement accuracy of five-bar mechanism wear precision rofilometer, this paper did research on grating subdivision technology as following:
First, analysis the principle of grating measurement, studied on the characteristic of classics subdivision method and new subdivision method, according to the current development of modern digital signal processor (DSP), combined with the actual grating, selects a the amplitude phase subdivision method combining hardware and software. Designed the overall program, selecting and functional designing the main subdivision system function modules.
Secondly, designing the hardware circuit of subdivision:DC component in the output signal filtered by differential amplifier circuit, then one road sine wave converted to square wave when passed over zero-crossing comparison circuit; the other road filtered the high-frequency noise by a low-pass filter circuit, the two road signals through separate addition and proportion arithmetic circuit with different parameters of for amplitude regulation for amplitude regulation to meet their the requirements of signa input subsequently; The orthogonal coding module of DSP2812chip was used to identify the direction and count, its AD conversion module detects the grating signal voltage waveform, serial communication module is used to send subdivision counting results.
Once again, the preparation of the DSP software:initialized and set the QEP, AD module and serial port, designed the program of digital filtering on the number of samples is filtered, zero compensation program module to eliminate temperature drift designed amplitude phase subdivision table, writing the look-up table procedures, realized displacement of nonholonomic pulse subdivision count, designed the program of serial port sending to realized the correct data transmission.
首先,对光栅测量原理进行分析,研究了经典细分法方法及新型细分方法的特点,根据现代数字信号处理器(DSP)的发展现状,结合设计中采用直线式粗光栅,选取了一种软硬件结合的幅值相位细分法,设计了系统总体方案,对细分系统的主要组成模块进行了选择及功能设计
其次,设计了细分硬件电路：差分放大电路滤除光栅尺输出信号中的直流分量,然后一路通过过零比较电路将正弦波转换为方波,另一路在通过低通滤波电路滤除高频噪声后,两路分别通过不同参数的加法及比例运算电路对幅值进行调节,以满足各自后续电路对输入信号的要求；DSP2812芯片的正交编码模块用于方波信号的辨向和计数,其A/D转换模块检测光栅信号正弦电压波形,串口通信模块向外发送细分计数结果。
再次,编写了DSP软件：对QEP、 A/D模块及串口的功能进行设置,设计了数字滤波程序对采样数进行滤波,零点补偿程序模块消除温漂,设计幅值相位细分表,编写查表程序,实现了非完整脉冲位移细分计数,设计串口发送程序,实现了细分结果的正确发送。
最后分析了光栅细分系统的测量误差,介绍了系统调节、测试情况,结果表明,系统的分辨率由0.04mm提高到0.001mm。
Grating technology is widely used. In addition to used in large precision CNC machine tools, measuring instruments area, it also used in the portable precision measuring instruments also gradually popularized by recent years. Traction Power State Key Laboratory of Southwest Jiaotong University developed five-bar mechanism wear precision rofilometer is also used the Grating measurement to measuring the angle. Grating subdivision is an important way to realization precision measurement, in order to tracking the technology development, improve the measurement accuracy of five-bar mechanism wear precision rofilometer, this paper did research on grating subdivision technology as following:
First, analysis the principle of grating measurement, studied on the characteristic of classics subdivision method and new subdivision method, according to the current development of modern digital signal processor (DSP), combined with the actual grating, selects a the amplitude phase subdivision method combining hardware and software. Designed the overall program, selecting and functional designing the main subdivision system function modules.
Secondly, designing the hardware circuit of subdivision:DC component in the output signal filtered by differential amplifier circuit, then one road sine wave converted to square wave when passed over zero-crossing comparison circuit; the other road filtered the high-frequency noise by a low-pass filter circuit, the two road signals through separate addition and proportion arithmetic circuit with different parameters of for amplitude regulation for amplitude regulation to meet their the requirements of signa input subsequently; The orthogonal coding module of DSP2812chip was used to identify the direction and count, its AD conversion module detects the grating signal voltage waveform, serial communication module is used to send subdivision counting results.
Once again, the preparation of the DSP software:initialized and set the QEP, AD module and serial port, designed the program of digital filtering on the number of samples is filtered, zero compensation program module to eliminate temperature drift designed amplitude phase subdivision table, writing the look-up table procedures, realized displacement of nonholonomic pulse subdivision count, designed the program of serial port sending to realized the correct data transmission.
引文
[1]耿淑琴,郑立评.基于MSP430F435芯片控制的光栅数字细分系统.北京工业大学学报,2007：
[2]刘中力.光栅度盘测角仪中信号的辨向细分技术的研究.长春理工大学硕士论文,2009
刘柯等.基于TMS320F2812的光栅细分卡的设计.北京航天计量测试技术研究所,2008：
[3]刘世峰.基于幅值采样的光栅莫尔条纹信号细分技术的研究.华中科技大学硕士论文,2007：
[4]http://wwww.heidenhain.com.cn/
[5]www.renishaw.com.cn/
[6]http://www.fagor.com/
[7]http://www.sony.com.cn/
[8]郭雨梅.莫尔条纹细分理论及其在磨床测控系统中的应用研究.沈阳工业大学博士论文,2009：
[9]苏邵景,吕海宝等.基于DSP的宽动态范围莫尔条纹计数与精密细分技术.光学精密工程,2001：
[10]吕孟军.光栅莫尔条纹电子学细分技术研究.南京航空航天大学硕士论文,2008：
[11]曹卫锋,张梅等.高速高精度光栅位移传感器变相与细分算法的设计.设计与研究,2010：
[12]杜西亮.基于振幅分割的光偏振测量技术的研究.哈尔滨工业大学博士论文,2007：
[13]毛志阳TMS320LF2407A在莫尔条纹的新型细分方法中的应用.长春理工大学学报,2007：
[14]谭为民.差线栅位移传感器原理与参数设计准则及其实验研究.重庆大学博士论文,2004：
[15]李培江.DSP细分技术在光栅检波器中的应用.天津科技大学研硕士论文,2004：
[16]卢国纲.世界制造技术与装备市场.功能部件,2002：
[17]约翰内斯.海德汉的新型测量产品.航空制造技术,2008：
[18]MAXiu-shuia. FEI Ye-taia. CHENXiao-huaia. New measuring scale of CMMs. 3rd International SymPosium Instrumentation Science and Technology, Aug.2004, Xi'an, China.
[19]Zhang Zhaozong, ZhangHaifeng. Nanometer grating technology and its research direction. Proceedings of 2nd International Symposium on Science and Technology, Harbin Institute of Technology Press,2002:
[20]Zhang Guoxiong. The development tendency of coordinate measuring machines. China Mechanical.Engineering,2000:
[21]苏绍憬.大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究.国防科学技术大学博士论文,2001：
[22]欧阳航空,陆林海等.基于DSP的光栅莫尔条纹信号辨相与细分电路研究.制造业自动化,2005：
[23]楚兴春.纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究.国防科学技术大学博士论文.2005：
[24]万山明TMS320F281x DSP原理及应用实例.北京航空航天大学出版社,2007：
[25]苏奎峰.吕强.汤霞清.邓志东TMS320x28xxx原理与开发.电子工业出版社.2009：
[26]卢国纲.直线位移传感器发展的回顾和当今产品.功能部件,2005
[27].堪延政,吕海宝.CCD细分技术方法研究及应用.光学学报,2002：
[28]李正.张强.非调制式光纤细分光栅测量系统.计量技术.1999：
[29]关蕊.检测技术与自动化装置.沈阳工业大学硕士论文.2010：
[30]桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析.电子科技.2010：
[31]林桦.S、C波段电可调等离子体滤波器理论分析及实验基础研究.上海交通大学硕士论文,2007：赵君,田利民.RC滤波参数对PWM方式D/A转换精度的影响.东北电力学院学报.1998：
[32]郭云,刘鹏程.一类椭圆数字滤波器的全新设计方法.电子测量与仪器学报.1995：
[33]王英.模拟电子技术基础.西南交通大学出版社.1999：133-138
[34]庄严,王骁,汤建敏.嵌入式C/C++系统工程师实训教程.清华大学出版社
[35]王长千.基于PCI总线与CPLD的光栅尺细分采集系统.长春理工大学硕士论文,2009：
[36]卢少武,唐小琦,马泽龙,邹腾跃.CORDIC算法在光栅莫尔条纹细分中 的应用.自动化仪表,2010：
[37]左全生.带通滤波电路的相频特性研究.常州工学院学报,2010：
[38]邓荣泉,陈胜馨.光栅测量在机械加工中的应用.应用技术,1996：
[39]汪涛,杜立剑.基于Nios Ⅱ的光栅细分电路系统设计.技术纵横,2010：
[40]马铁信.基于CPLD的光栅倍频细分电路的设计与实现.甘肃科技,2008：
[41]武佳贺,郑玮,马建立,李洪祚.基于CPLD的光栅信号快速细分技术的研究.长春理工大学学报,2007：
[42]张百海,柴森春,贾媛媛,江泽民,彭光正.数据采集系统中光栅尺信号处理方法的研究.机床与液压,2003：
[43]孙贤颐,安维蓉,王志晓,任红忠.提高光栅测距精度的四倍频判向电路.北方交通大学学报,1996：
[44]王桂芳.现代数控机床的测量系统—光栅尺的测量原理和选择标准.测量专题报道,2002：：
[45]张维学.一种高精度光栅尺细分电路.新技术：
[46]李晖,刘庭欣.光栅莫尔条纹的辨向和细分电路研究.辽宁大学学报,2003：
[47]刘清.用DSP实现光栅高准确度细分技术.传感器技术,2003
[48]张勇,王选择,郭桂珍.一种提高光栅尺测量精度的有效方法.湖北工学院学报,2002：
[49]周华.DSP嵌入式系统下的C语言开发.中国高新技术企业,2010：
[50]三恒星科技TMS320F2812 DSP原理与应用实例。电子工业出版社
[51]王昶辉,蔡晴.DSP嵌入式系统人机接口设计电子设计工程,2009：
[52]海德汉CIMT2005参展产品.制造技术与机床,2005：
[53]杨静竹,熊迪,瞿涛.基于DSP的嵌入式实时数字信号分析系统.制造业自动化,2010：
[54]孙莹.小型行天级光电编码器细分误差补偿方法研究.中国科学研究生院博士论文,2010：
[55]胡赛纯,李加升,龚吉清.整流滤波电路中谐波电流分析及其改进的研究.通信电源技术,2010：
[56]王熙梅.数控机床零点漂移的研究.自动化应用,2010：
[57]蔡涔,崔献刚.伺服系统零点漂移的解决办法.设备管理与维修,2010：
[58]李艳.浅析直接耦合放大电路中零点漂移的抑制.
[59]王月明.光纤光栅传感产业化技术研究及应用.武汉理工大学,2009：
[60]Jin SC,Kuang Y C. The design of an All-digital phase- locked loop with small Dco hardware and fast phase loek[J]. IEEE Transactions on Cireuits and Systems-analog and Digital Signal Processing,1999:
[61]Lattice Semiconductor Corporation. Lattice Semiconductor Data Book,1996:
[62]TEXAS INSTRUMENTS. 8-BIT HIGH-SPEED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTERS. USA:Texas Instruments Incorporated,2003:
[63]G.Meinhardt.Learning to discriminate simple sinusoidal gratings is task specific. Psychological Research (2002) 66:
[64]Kramer,P.,Graham,N.,&Yager,D.Simultaneous measurement of spatialfrequency summation and uncertainty effects. Journal of the Optical Society of America, 2:
[65]Hongxin Luo, Changhe Zhou.Nanoscanning method for high-density grating measurement.Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,2002:
[66]ALTERA. Pin Information for the MAX?II EPM240 Device. USA:Altera International Limited,2005:
[67]Heeht-Nielsen R. Theory of the Back propagation Neural Network[A].International Joint Conferenee on Neural Networks. New YOrk:IEEE TAB Neural Network Committee, 1989, vol.1:
[2]刘中力.光栅度盘测角仪中信号的辨向细分技术的研究.长春理工大学硕士论文,2009
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