基于PMAC控制卡的激光扫描尺寸测量系统

1 引言

在机械加工中经常需要对一些简单的几何尺寸，如直径、边距等进行测量。这类工作重复性大，工作量大，传统的手工测量不仅增加了现场工作人员的工作强度，精度低，且手工测量的数据在统计处理时也很不方便。这类工作如果使用坐标测量仪等精度高，通用性强的仪器测量，在经济和效率上都很难满足要求。另有一种专门的激光扫描传感器可用于此类测量，但其测量精度是建立在对独立运动系统速度的精确控制上的，这无疑增加了成本。为了方便实现对这类简单、一维尺寸、高效、高精度，且易于数据管理的测量，在此提出一种可在PMAC控制卡控制的普通运动平台上实施激光扫描测量的系统。它融合了以上两种测量方法，即通过对激光信号的检测获得被测物的边缘信号，并根据此信号锁存光栅尺读数，以得到被测物的边缘位置，从而进一步得到尺寸值。

这种方法具有光电测量高速、非接触的优点，又可充分利用技术成熟、应用广泛的光栅尺资源。由于光栅尺的精度通常都较高，此测量系统可在一定范围内获得较高的精度。

2 测量原理及整体构造

测量系统由工控机、PMAC控制卡、运动测控系统(包括光栅尺、伺服电机、丝杠等)、激光发射装置和光电检测装置组成。系统的主要原理如图1所示，被测物装在实验台上，并随实验台一起运动，运动的控制由PMAC控制卡完成，它读人光栅尺的读数，并输出给电机的控制量。被测物两侧分别是激光发射装置和光电检测元件，当被测物位于光路中时，检测元件处于断开状态；当被测物离开时，元件导通。随着被测物的移动，当其边沿通过激光束时，检测元件会产生由通到断或由断到通的跳变。通过一定的设置，PMAC可检测到这些跳变信号，并锁存当时的光栅尺读数，这样就得到被测物的边沿位置，而通过测量前后两个边沿位置，就可得到所需的尺寸值。

激光器采用了小功率半导体激光器，波长为640nm。其小巧的体积和较低的价格使其非常适用于这类应用场合。光电检测元件采用普通的金属封装光电三极管。

PMAC插在工控机的PCI插槽内，并通过PCI总线进行通信。通信的主要内容有两方面：向PMAC发运动控制指令，从而使其完成平台的运动控制；从PMAC内读取其锁存的被测物边沿位置读数，从而完成结果的输出、保存及分析工作。为方便对采集数据的处理分析，以及便于研究系统性能，该系统采用了工控机加PMAC的组织方案，在系统定型后可以使用更加经济的方案，如ARM-Linux加PMAC。
PMAC控制卡的使用是很灵活的，要构成上面所述的系统需要对其进行一些设置。下面将详细介绍在这种应用中PMAC卡的设置方法及上下位机通信的实现办法。

3 2PMAC卡的设置

3．1 PMAC卡简介

PMAC运动控制卡是Delta-Tau公司推出的，它是可通过多种方式与微机接口的系列控制卡。该例使用的是PCI接口控制卡：PMAC-PC。

PMAC本质上是一个基于DSP芯片的多功能板上系统。该例的PMAC有2个主接口，每个主接口可以同时控制4台电机的运动。对于每一台电机，主接口都有一组相应的引脚(如图2所示)。分别负责光栅尺信号输入，电机控制输出和标志信号输入。在该例中主接口通过跳线设置为光电隔离模式。

除主接口外，PMAC还有一系列通用的模拟、数字输入／输出口。这些端口与其DSP内存统一编址，可通过统一的方式存取。PMAC地址空间的功能是预设固定的，如某一部分地址保存的数据代表某台电机的设置，另一部分则是用户应用所保存的数据。为方便上位机对PMAC内存的操作和应用程序的编写，其内存被按其功能划分为各种变量，如I变量、M变量、P变量。I变量的值设置了PMAC卡的工作环境，这又使I变量可被划分为许多种类型，如电机设置I变量、通信设置I变量、编码器I变量、P变量(供用户程序使用的全局变量、M变量(指针变量)，即其本身所代表的内存地址存储的是另一个存储单元的地址)。M变量可根据需要指向任意存储位置，包括内存和端口寄存器。不过在PMAC上电时，部分M变量会被预先初始化为指向特殊位置的值，如M203的缺省值指向2号编码器的位置捕获寄存器。

3．2 位置捕获功能的设置

位置捕获功能是指在一个外部事件进入某一寄存器时，锁存相应的当前编码器位置。这是一个完全由与编码器相关的硬件电路来完成的任务，所以它惟一的延迟就是硬件门的延迟，这使它具有非常高的位置捕捉精度。

电路的工作方式可通过软件选择，如可设置读入外部事件的位置。设置是通过相关编码器I变量完成的。每一个编码器都可通过5个I变量来设置，位置捕获功能相关的变量为编码器I变量2和编码器I变量3。变量3设置事件捕捉的位置，如可将其设为通过HOME标志捕捉。变量2设置外部事件的捕捉方式，如是上跳沿还是下跳沿。PMAC共可设置16个编码器，每个编码器的I变量是按顺序5个一组编排的，依次为I900～I979。对于编码器2(编号从1开始)，若将其设置为捕捉HOME标志的上跳沿信号进行位置捕捉，则可通过向PMAC发送命令“I907=2”和“I908=0”来实现。每一个编码器都对应于一组寄存器，通过这些寄存器可设置编码器的工作方式，如前面对编码器I变量的设置，实际就是向这些寄存器的某些位写入某些值。通过这些寄存器也可读取编码器信息，如当编码器完成一次位置捕捉后，被锁存的位置就保存在这些寄存器中，对于编码器2，该寄存器的位置为X：MYMC007的所有24位。编码器还根据位置捕捉的情况自动设置某些标志位，即当完成一次捕捉时将标志置1。此时，无论外部信号有什么变化都不会再进行捕捉，当捕捉结果被取走时(即对相应寄存器有读操作)，编码器自动将标志置0，并重新开始响应外部事件进行新的位置捕捉。对于编码器2，该标志位的位置为X：MYMC004的第17位(从0开始，共24位)。