USB總線在光柵位移傳感器檢測系統中的應用

　　摘要：由于光柵傳感器測量精度高、動態測量范圍廣、可進行無接觸測量、易實現系統的自動化和數字化，因而在機械工業中得到了廣泛的應用。在本課題設計時，文章選用MFC基于對話框的設計，數據的顯示等全用Windows的公用控件完成。
　　
　　由于光柵傳感器測量精度高、動態測量范圍廣、可進行無接觸測量、易實現系統的自動化和數字化，因而在機械工業中得到了廣泛的應用。
　　
　　特別是在量具、數控機床的閉環反饋控制、工作母機的坐標測量等方面，光柵傳感器起著重要作用。
　　
　　目前，USB端口已成為微機主板的標準端口，利用USB總線技術，開發適用于科學研究和工業生產的各種儀器儀表設備，借以取代傳統計算機測控系統中采用的串行RS232、并行接口以及ISA或PCI總線的儀器儀表設備，不僅可使計算機測控系統更加實時、方便靈活，而且可滿足高質量、高可靠性、低成本計算機測控系統的要求。本文以光柵位移傳感器檢測系統的設計背景，詳細介紹了系統的硬件、軟件設計方法。
　　
　　光柵位移傳感器的基本原理和特點
　　
　　光柵位移傳感器的基本構成是一對光柵，其中一塊是固定的，而另一塊是運動的。當它們發生相對運動并有光通過兩者時，能夠獲得相當于干涉儀中得到的條紋信號，即所謂的莫爾條紋信號。與普通位移傳感器相比，它有以下幾個特點。
　　
　　●精度高。光柵位移傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉傳感器。在圓分度和角位移測量方面，光柵式傳感器也屬于精度zui高的。
　　
　　●大量程測量兼有高分辨率。感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點，但分辨力和精度都不如光柵位移傳感器。
　　
　　●可實現動態測量，易于實現測量及數據處理的自動化。
　　
　　●具有較強的抗*力，對環境條件的要求不像激光干涉傳感器那樣嚴格，但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強，油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環境較好的車間使用。
　　
　　系統硬件設計
　　
　　1、系統原理簡介
　　
　　光柵位移傳感器是進行高精度位移測量的光電轉換器，它將位移微變量轉換為多路正弦光柵信號。硬件電路要求首先對正弦光柵信號合成，消除測量中的共模干擾信號，然后一路進入單片機進行A/D轉換；另一路通過比較器轉換成數字信號后由D觸發器和與門電路完成光柵位移的辨向，而后進入單片機進行正向和反向計數；其次單片機將這些數據通過USB插口送入計算機，zui后由計算機進行數據細分和處理，從而得到光柵位移長度。
　　
　　2、方案的選定
　　
　　利用USB總線的數據采集方案有兩種，一種方案是采用普通單片機另加上的USB通信芯片，現在的芯片中較為流行的有NationalSemiconductor公司的USBN9602、USBN9603、USBN9604，Philips公司提供的PDIUSBD12，以及SanLogic公司的SL11等。該方案可充分利用開發人員原有的硬件資源和軟件知識，開發成本較低，但設計和調試較為麻煩，而且電磁兼容性差，容易造成主機不能識別USB設備。另一種是利用具有USB接口功能的單片機。目前國外不少主要芯片廠商都陸續推出了帶USB通信接口的單片機，使用這些芯片構成的數據采集系統電路設計簡單，調試方便，電磁兼容性好。本設計的USB光柵位移檢測系統接口電路就采用了Microchip的USBPIC單片機。
　　
　　3、PIC18F4550芯片特點
　　
　　Microchip公司的帶USB通信接口的單片機PIC18F4550芯片為40/44腳封裝，配備了功能強大的12MIPSRISC內核，自編程閃存存儲器以及納瓦節能技術，工作頻率達48MHz，數據傳輸速率高達12Mb/s。新器件還具有Microchip*的PMOS電可擦除單元（PEEC）閃存技術，耐擦寫次數可高達100萬次，而數據保存期能超過40年。此外，其全速USB2.0接口包括一個片上收發器和一個并行流端口，能把數據直接傳送到外部的設備，減少CPU的開銷，而且大大增加了系統的抗*力和工作的可靠性。
　　
　　PIC18F4550單片機的一個關鍵特性在于它配備了32Kb自編程增強型閃存，使得設計人員可以通過USB端口對zui終應用進行現場升級。結合新器件配備的一系列片上外設和納瓦技術（nanoWatt）的功耗管理功能，該全速USBPIC單片機非常適用于多種嵌入式應用，包括工業領域、醫療、汽車、電池供電應用和消費類產品。
　　
　　從光柵傳感器輸入的信號有5路：±SIN、±COS以及零窗信號ZERO，它們經差分放大電路合成，分3路進入PIC單片機模擬量輸入口進行A/D轉換；同時，經差分放大電路合成后的SIN、COS信號再經零比較器后轉換成數字脈沖信號，然后經D觸發器和與門電路完成光柵位移的辨向。PIC單片機T0和T1口接收來自與門電路的數字脈沖，完成光柵位移的計大數（計算光柵尺移動的完整光柵數）；PIC單片機RC1口輸出4MHz的PWM脈沖信號作為D觸發器的CP信號。計算機的USB接口兩根數據線分別接PIC18F4550的D＋和D－口用以完成計算機和單片機之間的數據通信，計算機的USB電源一方面為PIC微處理器提供能源，另一反面通過電源模塊轉換成±12V電源，為運放電路提供正負電源。
　　
　　系統軟件設計
　　
　　1、單片機軟件部分的設計
　　
　　單片機的軟件部分主要完成光柵位移傳感器的數據采集、A/D轉換、計算光柵位移傳感器的正向、反向莫爾條紋的個數、為數字電路提供CP脈沖以及完成USB的通信等工作。
　　
　　①A/D轉換部分的程序設計
　　
　　PIC18F4550器件的ADC模塊有13個輸入通道。該模塊能將任意一個模擬輸入信號轉換成相應的10位數字信號。本檢測系統需要把COS和SIN兩路正弦模擬信號轉換成數字信號，同時把一路零位脈沖信號送入單片機寄存器中。因此在設計A/D轉換部分程序時，把RA0、RA3分別設為SIN和COS兩路模擬信號的輸入，把RA5設為零位信號的數字輸入，其他模擬信號口都分別設為數字量輸出口，以便zui大限度的減少單片機的外圍電路對該系統信號采集的影響，提高整個系統的抗*力和精度。
　　
　　②定時器/計數器部分的程序設計
　　
　　本檢測系統的單片機需要把光柵位移傳感器正向移動的光柵線數和反向移動的光柵線數計算出來，然后通過USB接口送到上位機，作為光柵位移長度的計大數部分。光柵位移傳感器輸出的正弦信號經過信號調理電路后，可以把它移動的光柵線數轉換成數字脈沖，從而可以通過計算脈沖的個數來達到計算光柵線數的目的。因此我們可以選擇Timer0和Timer1作為計數器使用，從而計算出光柵位移傳感器正反向移動的光柵線數。
　　
　　③比較/捕捉/PWM（CCP）模塊的設計
　　
　　PIC18F4550具備一個16位數據和分辨率的捕捉（Capture）/比較（Compare）/PWM（PulseWidthModulation）模塊CCP2和一個增強型捕捉/比較/PWM模塊CCP1。其中，增強型CCP1具有死區控制和故障保護輸入功能。每個CCP模塊有一個16位寄存器，它可以用作16位捕捉寄存器、16位比較寄存器或PWM主/從占空比寄存器。因為本設計只需要一路PWM輸出，所以我們只需要使用一個CCP2就能滿足設計要求。根據系統設計要求，我們使用單片機的Timer2配合單片機的CCP使用，使CCP模塊輸出4M的方波。
　　
　　④USB模塊的設計
　　
　　對于單片機控制程序，目前沒有任何廠商提供自動生成固件（firmware）的工具，因此所有程序都要由自己手工編制。本系統的設計就是在Microchip提供的DEMO程序的基礎上，進行必要的修改而完成的。
　　
　　2、PC軟件部分的設計
　　
　　PC的軟件部分主要用于完成上位機同下位機之間的USB通信，光柵位移傳感器位移信號的細分和顯示等功能。為了下一步的軟件開發以及與廠家的其它軟件接口，應廠家的要求，本系統上位機的軟件部分采用VC++6.0來實現。
　　
　　該設備驅動程序采用了Microchip的通用USB設備驅動程序，而接口通信程序采用了Microchip的BAPI.DLL動態鏈接庫。
　　
　　計算機對zui后一個正弦信號進行細分，細分點通過計算相位程序結合正、余弦信號象限判別來獲得。為了提高精度，我們把正、余弦信號分為8個象限，然后求出細分點的比值，然后通過求細分點反正切函數求出光柵尺的相位，再根據光柵尺相位的弧度值計算出光柵尺細分點的位移值，zui后把光柵尺細分點的位移值加上光柵尺移動的完整光柵線數，從而得到光柵尺的位移值。
　　
　　因為光柵尺柵線的柵距不同，為了設計的通用性，我們在編程時對三種常用的柵距（100線/mm、50線/mm、25線/mm）都分別作了處理。若使用光柵尺柵線為100線/mm，即光柵柵距為0.01mm，對正弦信號進行100細分，可得測距分辨率為0.1μm。
　　
　　在本課題設計時，文章選用MFC基于對話框的設計，數據的顯示等全用Windows的公用控件完成。