一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法及轉(zhuǎn)接卡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法及轉(zhuǎn)接卡，屬于光柵傳感器測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵傳感器是采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵和指示光柵是采用光刻工藝在長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上刻出密集等間距平行的一組刻線，刻線密度為10?100線毫米，對(duì)應(yīng)的精度為100?10微米。刻線的密度決定了光柵傳感器的精度，精度越高的光柵傳感器價(jià)格也越高。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。正弦波的波長(zhǎng)(周期，因?yàn)锳f=c，即波長(zhǎng)λ =周期乘以光速=Tc)等于兩條刻線之間的距離。因此刻線的密度與光柵傳感器的測(cè)量精度有著密切的關(guān)系，但由于受到目前光刻工藝的限制，刻線的密度很難進(jìn)一步提高，也就制約了光柵傳感器測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，提供一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法及轉(zhuǎn)接卡，可進(jìn)一步提高光柵傳感器的測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)使用低價(jià)位光柵傳感器進(jìn)行位移量的高精度測(cè)量。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法，該方法是在光柵傳感器的輸出端連接一個(gè)轉(zhuǎn)接卡，轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片對(duì)光柵傳感器輸出的正弦波信號(hào)中完整的正弦波數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，將完整的正弦波數(shù)量作為測(cè)量值的整數(shù)位；轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有微控制芯片，微控制芯片將不完整的正弦波細(xì)分之后作為測(cè)量值的小數(shù)位；將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到精確的測(cè)量值；以提高光柵傳感器測(cè)量精度。
[0005]前述方法中，所述轉(zhuǎn)接卡設(shè)有光柵信號(hào)采集模塊，光柵信號(hào)采集模塊將接收到的相位為O度、90度、180度和270度4路正弦波信號(hào)中相位為O度與180度的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路差分信號(hào)，將正弦波信號(hào)中相位為90度與270度正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一路差分信號(hào)，兩路差分信號(hào)同時(shí)送入信號(hào)整理模塊。
[0006]前述方法中，所述兩路差分信號(hào)經(jīng)信號(hào)整理模塊整理后同時(shí)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和方波轉(zhuǎn)換模塊，方波轉(zhuǎn)換模塊將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸出至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將不完整的正弦波細(xì)分后存入微控制芯片。
[0007]前述方法中，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片與微控制芯片雙向連接，將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到精確的測(cè)量值。
[0008]前述方法中，所述微控制芯片與USB接口模塊連接，通過USB接口模塊與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)根據(jù)來自轉(zhuǎn)接卡的數(shù)據(jù)計(jì)算出光柵移動(dòng)的距離得位移量。
[0009]根據(jù)上述方法所構(gòu)建的并用于上述方法的本發(fā)明的一種轉(zhuǎn)接卡為，該轉(zhuǎn)接卡包括光柵信號(hào)采集模塊，光柵信號(hào)采集模塊與信號(hào)整理模塊連接，信號(hào)整理模塊設(shè)有兩路輸出，一路與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，另一路與方波轉(zhuǎn)換模塊連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與微控制芯片連接，方波轉(zhuǎn)換模塊與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片與微控制芯片之間雙向連接，微控制芯片與USB接口模塊連接。
[0010]由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用高時(shí)鐘頻率的FPGA可編程邏輯陣列芯片，并使用具有USB接口、有20路模擬輸入信號(hào)MCU，從而降低了硬件成本；并且，此種測(cè)量方式對(duì)光柵尺刻線要求較低，可使用低價(jià)位的光柵尺來實(shí)現(xiàn)高分辨率的測(cè)量；再者，此種光柵數(shù)據(jù)采集方式完全改變了以前的數(shù)顯箱方式，大大降低了外圍設(shè)備。此夕卜，轉(zhuǎn)接卡的分辯率為31為，最高計(jì)數(shù)頻率為100MHz。具有以下特點(diǎn):本發(fā)明可以使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比51單片機(jī)綜合性能大幅度提高，保證了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，并可以開發(fā)出易用性好、通用性強(qiáng)、交互性好的測(cè)量軟件；由于使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過上位機(jī)功能強(qiáng)大的圖形軟件，可以將工具的尺寸以圖形方式顯示出來；轉(zhuǎn)接卡能夠兼容電流輸出型光柵尺和電壓輸出型光柵尺；細(xì)分可以采用軟件，細(xì)分?jǐn)?shù)是可配置的，最高可達(dá)1000倍細(xì)分；使用ACTEL公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片，該芯片為FLASH架構(gòu)，較SRAM的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA，該芯片不需任何配置，保證了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA工作的可靠性；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA集成有上百萬個(gè)邏輯門電路，最高計(jì)數(shù)頻率可達(dá)100MHz，可滿足任何高速、高精度的光柵傳感器；本發(fā)明能夠同時(shí)對(duì)3路(即3坐標(biāo))光柵信號(hào)進(jìn)行采集，且每路的計(jì)數(shù)位數(shù)高達(dá)31位；轉(zhuǎn)接卡能夠同時(shí)兼容光柵尺的單端輸入信號(hào)和差分輸入信號(hào)；采集卡有強(qiáng)的抗干擾能力，并有防雷擊保護(hù)措施；轉(zhuǎn)接卡計(jì)算精度為10位十進(jìn)制有效數(shù)字。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是光柵傳感器輸出的波形圖；
圖3是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA的工作流程圖；
圖4是微控制芯片MCU的工作流程圖；
圖5是計(jì)算機(jī)發(fā)出的外部中斷O的流程圖；
圖6是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA發(fā)出的外部中斷I的流程圖。
[0012]附圖中的標(biāo)記為:1_光柵信號(hào)采集模塊，2-信號(hào)整理模塊，3-模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，4-方波轉(zhuǎn)換模塊，5-USB接口模塊，F(xiàn)PGA-現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片，MCU-微控制芯片。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不作為對(duì)本發(fā)明的任何限制。
[0014]一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法，如圖1所示，該方法是在光柵傳感器的輸出端連接一個(gè)轉(zhuǎn)接卡，轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA對(duì)光柵傳感器輸出的正弦波信號(hào)(見圖2)中完整的正弦波數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，將完整的正弦波數(shù)量作為測(cè)量值的整數(shù)位；轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有微控制芯片MCU，微控制芯片MCU將不完整的正弦波細(xì)分之后作為測(cè)量值的小數(shù)位；將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到精確的測(cè)量值；以提高光柵傳感器測(cè)量精度。轉(zhuǎn)接卡設(shè)有光柵信號(hào)采集模塊，光柵信號(hào)采集模塊將接收到的相位為O度、90度、180度和270度4路正弦波信號(hào)中相位為O度與180度的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路差分信號(hào)，將正弦波信號(hào)中相位為90度與270度正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一路差分信號(hào)，兩路差分信號(hào)同時(shí)送入信號(hào)整理模塊。兩路差分信號(hào)經(jīng)信號(hào)整理模塊整理后同時(shí)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和方波轉(zhuǎn)換模塊，方波轉(zhuǎn)換模塊將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸出至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將不完整的正弦波細(xì)分后存入微控制芯片MCU?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA與微控制芯片MCU雙向連接，將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到高精確的測(cè)量值。微控制芯片MCU與USB接口模塊連接，通過USB接口模塊與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)根據(jù)來自轉(zhuǎn)接卡的數(shù)據(jù)計(jì)算出光柵移動(dòng)的距離得位移量。
[0015]根據(jù)上述方法所構(gòu)建的并用于上述方法的本發(fā)明的一種轉(zhuǎn)接卡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該轉(zhuǎn)接卡包括光柵信號(hào)采集模塊1，光柵信號(hào)采集模塊I與信號(hào)整理模塊2連接，信號(hào)整理模塊2設(shè)有兩路輸出，一路與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3連接，另一路與方波轉(zhuǎn)換模塊4連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3與微控制芯片MCU連接，方波轉(zhuǎn)換模塊4與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA與微控制芯片MCU之間雙向連接，微控制芯片MCU與USB接口模塊5連接。
[0016]具體實(shí)施時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA采用ACTEL公司生產(chǎn)的最高計(jì)數(shù)頻率可達(dá)10MHz的FPGA芯片。微控制芯片MCU采用型號(hào)為C8051F340的MCU芯片，MCU芯片內(nèi)集成有細(xì)分軟件，最高可達(dá)1000倍細(xì)分。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法，其特征在于:該方法是在光柵傳感器的輸出端連接一個(gè)轉(zhuǎn)接卡，轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FPGA)，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FPGA)對(duì)光柵傳感器輸出的正弦波信號(hào)中完整的正弦波數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，將完整的正弦波數(shù)量作為測(cè)量值的整數(shù)位；轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有微控制芯片(MCU)，微控制芯片(MCU)將不完整的正弦波細(xì)分之后作為測(cè)量值的小數(shù)位；將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到精確的測(cè)量值；以提高光柵傳感器測(cè)量精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于:所述轉(zhuǎn)接卡設(shè)有光柵信號(hào)采集模塊，光柵信號(hào)采集模塊將接收到的相位為O度、90度、180度和270度4路正弦波信號(hào)中相位為O度與180度的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路差分信號(hào)，將正弦波信號(hào)中相位為90度與270度正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一路差分信號(hào)，兩路差分信號(hào)同時(shí)送入信號(hào)整理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于:所述兩路差分信號(hào)經(jīng)信號(hào)整理模塊整理后同時(shí)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和方波轉(zhuǎn)換模塊，方波轉(zhuǎn)換模塊將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸出至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FPGA)進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將不完整的正弦波細(xì)分后存入微控制芯片(MCU)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其特征在于:所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FPGA)與微控制芯片(MCU)雙向連接，將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到精確的測(cè)量值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述方法，其特征在于:所述微控制芯片(MCU)與USB接口模塊連接，通過USB接口模塊與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)根據(jù)來自轉(zhuǎn)接卡的數(shù)據(jù)計(jì)算出光柵移動(dòng)的距離得位移量。
6.—種根據(jù)權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述方法所用的轉(zhuǎn)接卡,其特征在于:包括光柵信號(hào)采集模塊(1)，光柵信號(hào)采集模塊(I)與信號(hào)整理模塊(2)連接，信號(hào)整理模塊(2)設(shè)有兩路輸出，一路與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(3)連接，另一路與方波轉(zhuǎn)換模塊(4)連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(3 )與微控制芯片(MCU)連接，方波轉(zhuǎn)換模塊(4 )與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FPGA)連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(FPGA)與微控制芯片(MCU)之間雙向連接，微控制芯片(MCU)與USB接口模塊(5)連接。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高光柵傳感器測(cè)量精度的方法及轉(zhuǎn)接卡。該方法是在光柵傳感器的輸出端連接一個(gè)轉(zhuǎn)接卡，轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片（FPGA），通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片（FPGA）對(duì)光柵傳感器輸出的正弦波信號(hào)中完整的正弦波數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，將完整的正弦波數(shù)量作為測(cè)量值的整數(shù)位；轉(zhuǎn)接卡上設(shè)有微控制芯片（MCU），微控制芯片（MCU）將不完整的正弦波細(xì)分之后作為測(cè)量值的小數(shù)位；將整數(shù)位與小數(shù)位組合后得到精確的測(cè)量值；以提高光柵傳感器測(cè)量精度。本發(fā)明可使用低價(jià)位的光柵尺來實(shí)現(xiàn)高分辨率的測(cè)量；從而降低了硬件成本；由于對(duì)光柵刻線要求較低，完全改變了以前的數(shù)顯箱方式,大大降低了外圍設(shè)備。
【IPC分類】G01B11-02
【公開號(hào)】CN104748687
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310746904
【發(fā)明人】張厚武, 姚凱學(xué), 劉光林
【申請(qǐng)人】貴州英特利智能控制工程研究有限責(zé)任公司
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2013年12月31日