1、I双光栅干涉表面轮廓测量传感器摘 要随着现代制造朝着高精密方向发展，满足一般实验和生产条件下的低成本、方便实用的高精密位移计量测试手段和测量传感器面临紧迫的需求。本文中介绍了一种低成本、高精度的接触式微位移传感器。该装置由半导体激光器、双光栅干涉单元、干涉条纹光电接收与信号处理电路、计数细分与位移数显单元等组成。首先，文中讲到了光栅干涉单元的选用，传感器所用激光器的介绍及由日本滨松公司生产的型号为 S6695-01 的四象限光电探测器介绍。紧接着讲述了由信号前置放大所得两路正交信号滤波、消除直流偏置和差分放大,及整形为方波信号的各部分电路的具体设计及 GAL16V8 进行四倍频细分和辨向处理,
2、最后送到AT89C51 单片机实现干涉条纹计数,并用共阴极七段数码管显示出计数值的具体电路设计及计量位移程序设计，并画出了相应的电气原理图和 PCB 板图。在各部分分完成之后进行程序的软件模拟调试及全文总结。关键词：双光栅干涉，高精度，四象限光电探测器，四倍频细分IIDOUBLE GRATING INTERFEROMETER SENSOR FOR SURFACE PROFILE MEASUREMENT ABSTRACTWith the development of modern manufacturing, high precision measuring and displacement s
3、ensor is used more urgently which is low-cost and convenient in normal experiment and production conditions. This paper introduces a low-cost, high-precision micro-displacement sensor contacts. The sensor is made up of semiconductor laser, double grating interference cell, photoelectric receiver, th
4、e signal processing circuit and so on.Firstly, this paper specifically introduces double grating interferometer units, the laser used in sensor and the four-quadrant optoelectronic detector produced by the Japanese company Hamamatsu model S6695-01. Secondly，I explain the specific design of each part
5、 of the circuit，including, the signal filtering about the two orthogonal signal from preamplifier circuit, eliminating DC bias and differential amplification, shaping for the square wave signal, using GAL16V8 for four sub-frequency and identifying the direction, sending the square wave signal to the
6、 MCU AT89C51 to count, and using the common cathode seven segment LED to display the count. At last I need to write the program of measuring displacement and draw electrical schematics and PCB boards.Software simulation test of the programs and summary of full paper are carried out after the complet
7、ion of each part of the design.KEY WORDS: Double grating interference，High-precision ，Four-quadrant optoelectronic detector，Fourth harmonic subdivisionIII目 录前 言 .1第 1 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器工作原理 .21.1 微位移传感器概况及本课题研究内容 .21.1.1 微位移传感器发展概况 .21.1.2 本课题研究内容 .21.2 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构 .31.2.1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器原理 .4第
8、2 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器光学系统设计 .52.1 双光栅光学系统简介 .52.1.1 光栅光学系统定义 .52.1.2 光栅光学系统应具有的一般性能 .52.1.3 光栅光学系统组成 .52.2 双光栅光学系统设计 .52.2.1 激光器的选择 .52.2.2 双光栅干涉单元 .62.2.3 光电接收单元 .6第 3 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器控制电路设计 .73.1 传感器光电信号处理的设计 .73.1.1 传感器光电信号处理综述 .73.1.2 四象限光电探测器前置放大电路设计 .73.1.3 两路信号消除直流偏置和信号放大的电路设计 .83.1.4 整形电路的简单设计
9、.93.1.5 干涉条纹信号的辨向和硬件细分 .103.1.6 干涉条纹信号的计数 .113.1.7 LED 显示驱动电路设计 .123.2 电路设计中的芯片简介 .133.2.1 LM324 芯片 .133.2.2 LM339 芯片 .14IV3.2.3 编程逻辑器件 芯片 GAL16V8 .15第 4 章 程序设计 .184.1 GAL16V8 的变向与细分程序的设计 184.1.1 程序设计 .184.2 该系统的位移计量及显示程序设计 .194.2.1 程序流程图的设计 .194.3 位移计量显示程序的调试 21结 论 .24谢 辞 .25参考文献 .26附 录 .271前 言表面计量
10、技术是近年来国内外摩擦学和表面计量学领域的一个重要研究方向。基于迈克尔逊干涉原理的位移传感器 ,测量受空气成分、压强、湿度的影响,使用时必须对空间位置及工件的温度进行实时测量及补偿。其测量精度取决于稳频的精度和环境条件，使用起来十分不便。 对此文中提出了一种基于光栅干涉原理的新型微位移传感器。该传感器具有使用方便、计量精度高、抗干扰性强等特点。本课题是基于“能够解决实际工程问题”的指导思想，并结合三年来所学机电知识及国内外文献和王淑珍老师的指导，来完成该传感器的设计。该课题能够很好的把自己三年来所学机械设计理论、自动控制理论及机电一体化技术三者融合，以此来锻炼自己能够解决简单的实际工程问题的能
11、力同时也可以为将来走向工作岗位时能够承担关于机电设计的工作打下基础。在该课题设计中我的主要目标就是掌握双光栅干涉轮廓测量传感器的工作原理，设计传感器基本控制电路和传感器的位移计量显示电路，并画出相应的电气原理图和 PCB 板图，位移计量程序及程序的软件模拟调试。2第 1 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器工作原理1.1 微位移传感器概况及本课题研究内容1.1.1 微位移传感器发展概况传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。那些高精度、快响应、高可靠性、宽温度范围、微型化、微功耗及无源化、智能化、集成化、网络化的传感器
12、将成为未来市场中的新星。传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的是汽车市场的需求，占第二位的是过程控制市场，前景看好是通讯市场。而且由于传感器是光仪电系统的“感觉器官” ，是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。传感技术综合了物理、化学、生物、电子和微电子、材料、精密机械、微细加工和实验测量等方面的知识和技术。中国、美、日、英、法、德等国都把传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一。1.1.2 本课题研究内容本课题介绍了光栅干涉单元，传感器所用激光器及由日本滨松公司型号为S66
13、95-01 的四象限光电探测器作为光电接接收并对信号前置放大的设计。所得两路正交信号滤波、消除直流偏置和差分放大,及整形为方波信号的各部分电路的具体设计。GAL16V8 进行四倍频细分和辨向处理,然后送到 AT89C51 单片机实现干涉条纹计数,并有共阴极七段数码管显示出计数值的具体电路设计及计量位移程序设计及调试。31.2 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构该传感器主要由透射型全息衍射正弦相位光栅、平行簧片机构、触针及测杆、半导体激光器、光电探测器及信号处理电路组成。传感器结构如图 1-1 所示。平行簧片机构由一对带夹板的片簧、平移架和固定架成,衍射光栅安装在平行簧片机构的平移架上。在测量
14、过程中,触针随工件轮廓起伏运动,使杠杆绕其支点转动并通过刀口带动安装在平移架上的光栅上下平移运动。激光器发出的激光束入射到第一全息衍射光栅上,产生l 级衍射光, 当 1 级衍射光经过第二全息衍射光栅利用一定的光学方法使其产生的衍射光发生干涉现象，形成明暗相间的干涉条纹。当光栅上下移动时,干涉条纹跟随移动,条纹移动量由光电探测器件测出。图 1-1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构示意图复位弹簧的作用是对平移架施加预拉力，使传感器复位。当触针与工件轮廓接触时，杠杆受到测量力的作用，该力通过刀口传递到平移架上，与复位弹簧的预拉力一起使上下两个片簧发生变形。1.2.1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器
15、原理双光栅干涉表面轮廓测量传感器采用的计量系统，即双光栅干涉计量4系统基本原理如图 1-2。图 1-2 双光栅干涉系统基本原理当光栅常数相同，刻线平行的两个透射式衍射光栅的平行放置在一起时，如果单色平行光对第一光栅 G1 的入射角为 ，从 G1 产生的第 p 级衍射光经过 G2后产生 q 级衍射光，则从光栅组合出射的这一衍射光束的等级序列就可表示为(p,q)。从光栅组合出射的两衍射光，如果它们的等级序列之和相等，即p1+q1=p2+q2=r (1-1)则它们将以相同方向出射，相当于单光栅的第 r 级方向的出射光。在双衍射光栅计量系统中，单色平行光对第一光栅 G1 的入射角为 0，(p 1,q1
16、)(+1,0)和(p 2,q2)(0,+1)两束光将以相同方向出射，相当于单光栅的第 r=+1 级方向的出射光，其强度将由此方向上(+1,0)和(0,+1)两束光干涉的结果决定。当两个光栅不完全平行时，(+1,0)和 (0,+1)两束光之间会有一个会聚角，从而发生干涉现象。5第 2 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器光学系统设计2.1 双光栅光学系统简介2.1.1 光栅光学系统定义光栅光学系统是指形成莫尔条纹光学系统（包括拾取莫尔条纹的光电接收元件） 。它的作用是把标尺光栅的位移转换为光电元件的输出信号。2.1.2 光栅光学系统应具有的一般性能(1) 系统结构简单，装调方便，工作可靠，具有良好的
17、抗干扰能力。(2) 系统结构参数的变化对莫尔条纹信号质量的影响不显著。(3) 光学系统的输出信号能够实现高倍频电子细分的要求。(4) 系统输出多相信号，在一个莫尔条纹信号周期，能输出两路或四路相位相差 90的信号，以满足计数、以及电子细分等的要求。2.1.3 光栅光学系统组成 光栅传感器的光学系统主要有照明系统、光栅副、光电接收原件和机械部件组成，对它的设计主要是对上述各部件的制作材料的选择、某些尺寸的计算、一些元器件的选用以及某些结构应具有的性能等等。2.2 双光栅光学系统设计2.2.1 激光器的选择由于激光的相干性较普通光源好，因此采用激光作为光源。激光器提供位移传感器中发生衍射、干涉所需
18、要的光源。目前比较常用的有半导体激光器和 HE-NE 激光器等。与 HE-NE 激光器等其他激光器相比，半导体激光器体积小、重量轻，相干性高，可靠性高，可单片集成化，价格便宜。虽然温度特性差，容易产生噪声，但是由于半岛体激光器做衍射干涉的光源对温度特性及噪声要求不高，并且目前集成化以后可以解决输出光发散的问题。综合以上原因考虑，并结合双6光栅干涉位移传感器构架较小等现实原因，采用半导体激光器来满足系统需要。2.2.2 双光栅干涉单元双光栅干涉单元主要是用来接收激光发生装置所产生的激光束，并对激光束衍射、干涉后，形成等间距、高反差的干涉条纹。干涉条纹移动，反映双光栅相对位移。双光栅干涉单元的特点
19、是两块光栅平行放置，而且两光栅的栅线走向一致。采用的衍射光栅是从长春市恒宇光电科技有限公司购买的高精度透射型计量光栅，槽密度为 1000 线/mm。激光束从一侧垂直入射至双光栅干涉单元时，在另一侧干涉屏上可以看出在 0 级，1 级，1 级主极大位置出现激光光斑，而2级、2 级及以上位置由于光强较弱则很难看到。调节双光栅之间的距离，并且调整栅线走向始其保持一致，则可以明显看到1 级，1 级主极大位置出现高反差的干涉条纹，0 级主极大位置的由于有 0 级光的掩盖，则不会出现高反差的干涉条纹，肉眼看上去只是一个光斑。干涉条纹间距与双光栅之间的距离及栅线间距有关。2.2.3 光电接收单元 采用日本滨松
20、公司型号为 S6695-01 的四象限光电探测器作为光电接收装置。S6695-01 一共有 4 个光电接收单元，每个单元都可独立接收光信号， 4 个光电接收单元成田字型排列，总体的感光面积为 22mm。因为有 4 个光电接收单元，因此光电转化之后则有 4 路电流信号输出，这 4 路电流信号的强弱分别代表 4 个光电接收单元光信号强弱。若把四象限光电接收器以一定的角度卡在干涉条纹的一个周期内，则相当于平行放置的光电探测器阵列，当干涉条纹在光电接收器上发生持续移动的时候，这 4 路光电接收单元输出的电流信号成正弦分布，只是相位相差 /2。7第 3 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器控制电路设计3.1
21、 传感器光电信号处理的设计3.1.1 传感器光电信号处理综述双光栅干涉光栅是基于衍射光束的干涉原理,参与干涉的衍射光束是经过衍射后形成的,对于正弦型相位光栅,除去集中在 0 级极大处 90%以上的光能外,最后参与干涉的光能量较小。为了高信噪比地接受干涉条纹,本传感器采用四象限光电探测器接受光栅干涉信号,由四象限光电管接收的两路正交信号经前置放大、滤波、消除直流偏置和差动放大后,整形为方波信号后送入 GAL16V8 进行四倍频细分和辨向处理,然后送到 AT89C51 单片机实现干涉条纹四细分计数,并将计数值 N 送给LED 显示装置，从而直观的读出所测数值。3.1.2 四象限光电探测器前置放大电
22、路设计光电二极管响应速度快,被广泛应用于光学通信中 。为了消除光电转换中背景光强所产生的直流信号,光电信号采用差分接入方式。光电探测器前置放大电路如图 3-1 所示。 PIN1、PIN2、PIN3、PIN4 分别对应接收干涉条纹的四个光电管,sin(cos) 为理论相位相差 / 2 的两路差分信号。外加反向偏置电压用来提高光电管的响应频率和线性。假设各光电管输出电流分别为 I1 、I 2 、I 3、I 4，在干涉条纹稳定状态下,运算放大器输出端电压分别为：Usin = ( I1- I2 )RUcos = ( I3 - I4)R (3-1)8图 3-1 四象限光电探测器前置放大电路3.1.3 两
23、路信号消除直流偏置和信号放大的电路设计从光栅位移传感器得到的两路信号在实际中两路信号是相差近似为 90，幅值不等，直流漂移不同。为了得到满足莫尔条纹计数的信号，需要对这两路信号进行去直流、放大处理，得到两路幅值相同、直流漂移为零的信号。图 3-2 所示的是对 Usin 、Ucos 信号处理的电路原理图。根据运算放大器的虚短和虚断性质，电路的输出电压分别为：(3-2) 12152316cos15231662 5326sin231 )()( )(URURU其中 R24、R 23、R 22 和 R21 为可调电阻，通过调节 R24 和 R22 的大小可改变Usin 和 Ucos 的直流漂移，调节 R
24、23 和 R21 的大小可改变 U1 和 U2 的幅值变化。调节这四个电阻来达到莫尔条纹信号的有效范围。9图 3-2 Usin 、Ucos 信号的放大、去直流原理图3.1.4 整形电路的简单设计图 3-3 整形电路原理图这里的整形电路是一个单限比较器。输入信号为经过差分电路放大之后的正弦电压信号 U1，即待比较电压，它加到比较器的同相输入端 5，在反相输入端 410接一个参考电压（门限电平） ，这里选择 4 端接地，即参考电压为 0，如图 3-3。3.1.5 干涉条纹信号的辨向和硬件细分对于双衍射光栅计量系统，当光栅移动了一个光栅节距时，干涉条纹相位变化 2（1 个条纹常数） 。由于采用的是
25、1000 线/mm 的衍射光栅，光栅常数为1m，当干涉条纹移动一个周期时对应的标尺光栅位移量为 1m 。这对于测量系统的要求来说远远不够，还需要对条纹信号进行进一步的细分。硬件细分就是一种电路细分方法。为提高电路系统的速度和可靠性，减少元器件的数量，辨向和细分由可编程逻辑控制器 GAL16V8 实现。辨向细分的电路原理图如图 3-4 示： Usin,Ucos 经过过零处理后变为两路相差为 90o 的方波信号 Ua、 Ub，一个周期方波信号对应干涉条纹交替变化一次，对方波进行计数，可实现对位置的测量。对方波信号进行倍频细分，可提高测量的分辨率。由于工作台可以在正、反两个方向移动，所以在进行计数和
26、细分电路设计时要综合考虑辨向的问题。本系统所采用的四细分辨向电路中，输入信号为具有一定相位差（通常为 90o）的两路方波信号，这两路信号在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是根据两路方波相位的相对超前和后的关系作为判别依据。 1234差 分 放 大（ LM） 整 形 电 路（ 39)四 细 分 及辨 向 处 理GAL16V8 计 数T9C5LED显 示 电 路差 分 放 大（ ） 整 形 电 路（图 3-4 干涉光栅条纹信号辨向细分原理框图利用 GAL 实现干涉条纹的细分、辨向的原理是：方波信号 Ua、Ub 分别经过 D 触发器整形，经过一级触发器后变为方波
27、信号A1、B 1，经过二级触发器后变为方波信号 A2、B 2，如图 3-5 所示。当干涉条纹前进时，相超前 B 相 90o，后退时，Ua 相落后 Ua 相 90o。D 触发器能对信号进行整形，消除了原始输入信号中的尖脉冲的影响，因而提高了电路系统的抗干扰性。11A12BP+-前 进 后 退图 3-5 方波信号倍频辨向波形图两种情况下所能得到的 A1、B1、A2、B2 的逻辑组合分别为：前进：1000、1010、1110、1111、0111、0101、0001、0000后退：1101、1111、1011、1010、0010、0000、0100、0101其中 0000、1111、1010、0101
28、 是在前进和后退中都会出现的，不能用来进行前进或后退的判断，考虑两种情况所出现的不同脉冲状况来看有P+ =A1Error!2Error!1Error!2+A1A2B1Error!2+ Error!1A2B1B2 +Error!1Error!2Error!1B2P -=Error!1Error!2Error!1B2+ A1Error!2B1B2+ A1A2B1Error!2+ Error!1A2 B1Error!2这样，当目标前进时，从 P+输出四倍频的脉冲信号， P-无输出；目标后退时，从 P-输出四倍频的脉冲信号，P+无输出。而此时，一个脉冲信号就代表了干涉条纹移动了 1/4 个周期，这样就
29、实现了对干涉条纹信号的四细分。以上过程通过编程器写入 GAL16V8 中，可得 P+和 P-输出。3.1.6 干涉条纹信号的计数计数电路选用的是 AT89C51。从 GAL16V8 输出的 P+、P -方波信号分别送到AT89C51 的两计数器端口 T0、T 1。T 0、T 1 计数器对两个方向的脉冲信号分别进行累积，其累积计数结果的差即为所求结果。为了提高系统的测量范围，在AT89C51 的 RAM 中开辟了两个寄存器 R0、R1 ，分别作为 T0、T1 的高 8 位，与16 位计数器共同合成 24 位计数器。对高 8 位的计数器操作在计数器溢出中断子程序中完成。16 位计数器每产生一次溢出
30、中断，寄存器值就加 1。考虑到两计数器相减结果为有符号数，这样每个计数器值也必须为有符号数，将计数器的最高位设置为符号为，则它们最大允许计数值为 7FFFFFH=8388607，这对一般的表面轮廓测量是足够的。123.1.7 LED 显示驱动电路设计对计数结果的显示采用 AT89C51 直接驱动共阴极七段数码管来完成驱动电路的设计。P2 口接七段数码管， P0 口接 PNP 型三极管。其设计电路图 3-6。图 3-6 LED 显示驱动电路133.2 电路设计中的芯片简介3.2.1 LM324 芯片LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比
31、，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性，其外形引脚如图 3-8 所示。 5671432098-+VCGND图 3-8 LM324 引脚图参 数 描 述 ：(1) 运放类型:低功率(2) 放大器数目:4(3) 针脚数:14 (4) 工作温度范围:0C +70C(5) 封装类型:DIP-14(6) 器件标号:324 (7) 变化斜率:0.5V/s (8) 3dB 带宽增益乘积:1.2MHz(9) 电源电压范围:3V32V14LM3
32、24 的 特 点 ：(1) 短路保护输出(2) 真差动输入级(3) 可单电源工作(4) 低偏置电流：最大 100mA(5) 行业标准的引脚排列(6) 具有内部补偿的功能。(7) 共模范围扩展到负电源(8) 每封装含四个运算放大器。(9) 输入偏移电压最大：7mV3.2.2 LM339 芯片LM339 类 似 于 增 益 不 可 调 的 运 算 放 大 器 。 每 个 比 较 器 有 两 个 输 入 端 和 一 个输 出 端 ， 其 外 形 如 图 3-9 所 示 。 两 个 输 入 端 一 个 称 为 同 相 输 入 端 ， 用 “+”表示 ， 另 一 个 称 为 反 相 输 入 端 ， 用
33、“-”表 示 。 用 作 比 较 两 个 电 压 时 ， 任 意 一 个 输入 端 加 一 个 固 定 电 压 做 参 考 电 压 （ 也 称 为 门 限 电 平 ， 它 可 选 择 LM339 输 入共 模 范 围 的 任 何 一 点 ） ， 另 一 端 加 一 个 待 比 较 的 信 号 电 压 。 当 “+”端 电 压 高 于“-”端 时 ， 输 出 管 截 止 ， 相 当 于 输 出 端 开 路 。 当 “-”端 电 压 高 于 “+”端 时 ， 输 出管 饱 和 ， 相 当 于 输 出 端 接 低 电 位 。 两 个 输 入 端 电 压 差 别 大 于 10mV 就 能 确 保输 出
34、 能 从 一 种 状 态 可 靠 地 转 换 到 另 一 种 状 态 ， 因 此 ， 把 LM339 用 在 弱 信 号检 测 等 场 合 是 比 较 理 想 的 。 LM339 的 输 出 端 相 当 于 一 只 不 接 集 电 极 电 阻 的 晶体 三 极 管 ， 在 使 用 时 输 出 端 到 正 电 源 一 般 须 接 一 只 电 阻 （ 称 为 上 拉 电 阻 ， 选 3-15K） 。 选 不 同 阻 值 的 上 拉 电 阻 会 影 响 输 出 端 高 电 位 的 值 。 因 为 当 输 出 晶 体 三极 管 截 止 时 ， 它 的 集 电 极 电 压 基 本 上 取 决 于 上 拉
35、 电 阻 与 负 载 的 值 。 另 外 ， 各 比较 器 的 输 出 端 允 许 连 接 在 一 起 使 用 。LM339 集 成 块 内 部 装 有 四 个 独 立 的 电 压 比 较 器 ， 该 电 压 比 较 器 的 特 点 是 ：(1) 失 调 电 压 小 ， 典 型 值 为 2mV； (2) 电 源 电 压 范 围 宽 ， 单 电 源 为 2-36V， 双 电 源 电 压 为 1V-18V； (3) 对 比 较 信 号 源 的 内 阻 限 制 较 宽 ； (4) 共 模 范 围 很 大 ， 为 01.5V； 15(5) 差 动 输 入 电 压 范 围 较 大 ， 大 到 可 以 等
36、 于 电 源 电 压 ； (6) 输 出 端 电 位 可 灵 活 方 便 地 选 用 。43210VCGND +_987图 3-9 LM339 引脚图3.2.3 编程逻辑器件芯片 GAL16V8可编程逻辑器件（PLD）由于兼有灵活性好、速度快的优势，深受数字系统开发者的欢迎，与之相应的 EDA 技术近些年来得到了飞速的发展。 GAL 器件是早期 PLD 的典型代表。其外形结构图如图 3-10。1. GAL16V8 的特点GAL16V8 是以 DIP-20 封装的器件，根据其结构特点可以归纳出其使用要点如下： (1) GAL16V8 最多有 16 个输入端，即前 8 个输入缓冲器对应的引脚 29
37、，引脚 1、11 以及 8 个输出缓冲器中的 6 个对应的引脚 1214、1719 可作为输入端。引脚 15、16 不能作为输入端。 (2) GAL16V8 最多有 8 个输出端(引脚 1219)，每个输出端都可以是带触发器的输出。 16165432GALV80NDCKOE79图 3-10 GAL16V8 引脚图2. PLD 文件语法PLD 文件按顺序使用 5 个关键字： (1) Pld: 它必须起始于第一行第一列，以 pld 为前导，随后紧接器件型号 16V8（在 pld 与 16V8 间不留空格） 。其下数行为用户的说明或其他信息，如设计日期、设计姓名、功能等。 (2) Signature
38、：它仅用于 GAL 。在 signature 下面的字符（不超过 7 个）将写入 GAL 作为该芯片的设计信息，如设计日期、型号等，只要芯片不改写，即便芯片已加密，这一信息仍可读出，因此叫电签名。 (3) Pindef：在此关键字后开始依次定义 GAL16V8 芯片全部 20 条引脚的标号。引脚标号前不可加非号，各引脚标号后可加注释， （但注释前必须加一个分号） ，逻辑关系式中不用的引脚用 NC 作为标号。 (4) Equation：在此关键字后开始列写引脚间的逻辑关系式。列写时必须注意如下几点： a 有效逻辑运算符为*，+ 和/ 三种。 “*”表示逻辑与， “+”表示逻辑或，“/”表示逻辑非
39、。逻辑式内不能有括号； 17b 等式左边必须是器件的输出端。输入端的标号不允许出现在等式左边； c 等式左边的输出量取非值时（在有关的输出端标号加“ / ”表示它的逻辑非） ，说明该输出端是低有效，即：逻辑式右边为 1 时，输出端为低电平； d 输出端构型为 O 或 R 时，等号允许有 8 个与项。输出端构型为 E 或 F 时，等号右边只允许有 7 个与项，另一与项专用作三态门控制； e 三态输出控制需要单列逻辑式编程（ OE 控制） 。用如下格式： Output.OE=Expresion; 其中 Output 为有关输出端的标号，等号右边的表达式（Expresion）中只能含一个与项，不允许
40、有或项； f 当要求输出端带有触发器时，等号左端要加冒号，即“：=” ； g 每一逻辑式后需加分号“；” ，分号后可写入少量说明文字； h 数字“1” 与“0”也可作为与项，与项为“1 ” 时，与阵列中有关熔点全部断开，输出恒为高电平，如果要输出三态门保持打开时，便可令其 OE 控制项等于 1 ；与项为“0”时，与阵列中有关熔点全部保持原状，可用它调整被编程的与项位置； i 列写逻辑方程时，每行字符长度不宜超过 80，超过 80 的方程可以分行列写，在“*”或“+”号前分行均可。 (5) End：此关键字表示逻辑列式终止， PLD 文件到此结束。 18第 4 章 程序设计4.1 GAL16V8
41、 的变向与细分程序的设计4.1.1 程序设计根据本设计的特点和 GAL16V8 的设计方法可知，在对该芯片编程时只需要设置逻辑上的两个输入信号引脚 I1、I2 为两个输入接口分别对应信号 Ub、Ua 和两个输出信号引脚为 F1、 F0，对应信号 P+和 P-。其程序设计如下：GAL16V84DOUBLE FREQUENCYAPRIL 7 2010CLK I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 GND ;pin nameNC F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 VCCEQUATIONSF6:=F7F7:=I1 F4:=F5F5:=I2 F3:=I3 F1.OE=VCC ；F1
42、=F7*/F6*/F5*/F4+F7*F5*F6*/F4+/F7*F6*F5*F4+/F7*/F5*/F6*F4 ； F0.OE=VCC；F0=F7*/F6*F5*F4+/F7*F5*/F6*/F4+/F7*F6*/F5*/F4+F7*/F5*F6*F4 ； F2.OE=VCC；F2=F3 ； DESCRIPTION194.2 该系统的位移计量及显示程序设计4.2.1 程序流程图的设计结合本设计的特点首先设计的是主程序流程图，其设计流程如图 4-1 所示。单片机初始化扫描键盘判断是否按 下是程序开始计数开始调用显示子程序返回重复执行调用键盘子程序返回主程序否图 4-1 主程序流程图20开始判断
43、是否由抖动引起计数开始计数暂停计数清零关闭显示否是返回主程序调用延时程序 DL10,消除软件抖动程序返回图 4-2 键盘扫描子程序流程图在完成主程序流程图设计之后进行的是键盘扫描的流程设计，在该设计之中主要有计数开始、暂停、清零、关闭显示四个键盘程序，设计流程如图 4-2 所示。21开 始把计数器的内容转化为字形码存入显示缓冲区 35H-30HR0 指向开始检测的地址R5 指向最左边三极管，R0 指向字形码的起始地址，即把 35H-30H的内容从最左边开始显示出取出一行字形码取出一行字形码令显示熄灭消除残影R0 指向下一字形码R5 指向下一显示器显示完否返回主程序否是图 4-3 显示子程序流程
44、图在显示子程序流程图的设计中主要采用共阴极七段数码管动态显示的方法来显示所需内容。其设计流程如图 4-3 所示。224.3 位移计量显示程序的调试该程序的调试主要依靠软件 Medwin 来实现，Medwin 是集编辑、编译汇编，在线及模拟调试为一体用来开发 80C51 系列单片机的工具。在该程序调试过程中，采用向储存计数结果的寄存器 R6、R3、R2 中赋予十六进制数 4DFE2H，通过查看程序对该数的处理过程来判断程序是否正确：(1) 观察程序在执行完后是否把 4DFE2H 转化成十进制数存在 R1、R4、R5中。首先我们可得知该数的十进制数为 319458。程序仿真调试结果如图 5-1：图
45、 5-1 转化为十进制数程序仿真调试从上图我们可以看出 R1、R4、R5 中分别储存着 31、94、58。说明该段程序正确。(2) 观察程序能否把 319458 每位数转换成与共阴极七段数码管对应的字形码,并分别在 35H-30H 中对应的储存字形码 B0H、F9H 、90H 、99H 、92H、80H。程序仿真调试结果如图 5-2：23图 5-2 字形码转换程序仿真调试 从上图我们可以看出 35H-30H 中分别储存着B0H、 F9H、 90H、99H、 92H、80H。说明该段程序正确。(3) 观察程序能否把储存在 35H-30H 中的字形码B0H、 F9H、 90H、99H、 92H、8
46、0H，分别送至 P2 口显示出来。程序仿真调试结果如图 5-3：1 2 34 5 6图 5-3 字形码送至 P2 口程序仿真调试从上图中我们可以看到 P2 口从 1 至 6 依次变化的动态过程，这说明程序是24正确的。25结 论本文主要做了双光栅干涉轮廓测量传感器信号处理电路的设计。由四象限光电探测器对双光栅干涉信号探测，得到两路信号。然后由信号处理电路针对这两路电路信号做出进一步处理，得到运动位移测量结果，并通过单片机控制 LED显示出来。主要包括：前置放大电路、差分放大电路、整形电路、四细分辨向电路、单片机处理电路以及数显电路等模块。但设计的不足之处是仅提出双光栅干涉轮廓测量原理、构建了简
47、单的装置以及信号处理电路板的设计，要将其真正实现产品化以推向实际应用，还有诸多工作需要进一步改进：(1) 信号处理电路进一步完善，提高运算精度，转换速度，以便能适应更快的移动速度。(2) 系统上进一步集成，使结构更加紧凑，最终完成系统的产品设计，以推广应用。(3) 由于光栅传感器具有精度高、易于实现测量自动化和数字化等特点，在光栅传感器的设计和调试中，应不断引入新技术，使其更加完善。以满足在精密测量领域内对光栅传感器输出信号的质量愈加严格的要求。26谢 辞本设计是在王淑珍老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。老师严谨认真的工作态度、一丝不苟的工作作风、严谨的治学态度、和诲人不倦的敬业精神，都使作为学生的我受益匪浅。在论文的选题、课题设计及论文撰写、修改的全过程中无不倾注着老师的心血。在此，谨向尊敬的王老师致以崇高的敬意和深深的谢意。感谢我的同学任忠杰及同寝室的室友们给予的帮助和指导!向所有在成长道路上关心我，帮助我的老师和朋友们表示真诚的感谢！他们的热情和爱心将永远珍藏在我的心中！
