本文以光柵位移傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計背景，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)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(gòu)成是一對光柵，其中一塊是固定的，而另一塊是運動的。當(dāng)它們發(fā)生相對運動并有光通過兩者時，能夠獲得相當(dāng)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?zhèn)鞲衅�。在圓分度和角位移測量方面，光柵式傳感器也屬于精度最高的。
● 大量程測量兼有高分辨率。感應(yīng)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(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。
● 具有較強的抗干擾能力，對環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)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(huán)境較好的車間使用。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
1 系統(tǒng)原理簡介
光柵位移傳感器是進(jìn)行高精度位移測量的光電轉(zhuǎn)換器，它將位移微變量轉(zhuǎn)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(jìn)入單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；另一路通過比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由D觸發(fā)器和與門電路完成光柵位移的辨向，而后進(jìn)入單片機進(jìn)行正 向和反向計數(shù)；其次單片機將這些數(shù)據(jù)通過USB插口送入計算機，最后由計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)細(xì)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(shù)據(jù)采集方案有兩種，一種方案是采用普通單片機另加上專用的USB通信芯片，現(xiàn)在的專用芯片中較為流行的有 National Semiconductor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(fā)人員原有的硬件資源和軟件知識，開發(fā)成本較低，但設(shè)計和調(diào)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(shè)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(xù)推出了帶USB通信接口的單片機，使用這些專用芯片 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好。本設(shè)計的USB光柵位移檢測系統(tǒng)接口電路就采用了Microchip的USB PIC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12MIPS RISC內(nèi)核，自編程閃存存儲器以及納瓦節(jié)能技術(shù)，工作頻率達(dá)48MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12Mb/s。新器件還具有Microchip先進(jìn)的PMOS 電可擦除單元（PEEC）閃存技術(shù)，耐擦寫次數(shù)可高達(dá)100萬次，而數(shù)據(jù)保存期能超過40年。此外，其全速USB 2.0接口包括一個片上收發(fā)器和一個并行流端口，能把數(shù)據(jù)直接傳送到外部的設(shè)備，減少CPU的開銷，而且大大增加了系統(tǒng)的抗干擾能力和工作的可靠性。
PIC18F4550單片機的一個關(guān)鍵特性在于它配備了32Kb自編程增強型閃存，使得設(shè)計人員可以通過USB端口對最終應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場升 級。結(jié)合新器件配備的一系列片上外設(shè)和納瓦技術(shù)（nanoWatt）的功耗管理功能，該全速USB PIC單片機非常適用于多種嵌入式應(yīng)用，包括工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療、汽車、電池供電應(yīng)用和消費類產(chǎn)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(jīng)差分放大電路合成，分3路進(jìn) 入PIC單片機模擬量輸入口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；同時，經(jīng)差分放大電路合成后的SIN、 COS 信號再經(jīng)零比較器后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號，然后經(jīng)D觸發(fā)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(shù)字脈沖，完成光柵位 移的計大數(shù)（計算光柵尺移動的完整光柵數(shù)）；PIC單片機RC1口輸出4MHz的PWM脈沖信號作為D觸發(fā)器的CP信號。計算機的USB接口兩根數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成±12V電源，為運放電路提供正負(fù)電源。