基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统设计

1 引言

光栅数显系统主要用于普通机床，可直接显示机床加丁的长度值，有助于提高加工精度和效率。目前国内市场上的光栅数显系统大多采用国外集成电路实现，研发成本高，且不便于操作人员使用。针对这种状况，研发了基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统。该系统具有计数精度高、成本低、操作方便以及升级快等特点，能够处理高达5 MHz／s的正交脉冲，并在掉电时有效存储当前长度值，其数码管可显示关键的长度值，点阵式液晶屏还可显示相关的提示信息。

2 系统工作原理

利用CPLD实现正交脉冲处理逻辑电路，而可逆计数器则用于处理计数光栅尺输出的正交脉冲，CPLD的高速并行处理能力可保证光栅尺输出信号无遗漏采样，从而确保计数的可靠性。可逆计数器的值通过MCU一系列运算后转换为机床加工的长度值、MCU再将其长度值回送至CPLD并在数码管上显示。

此外，CPLD还具有7×8键盘按键检测和去抖功能，将处理后的可靠按键送至MCU。MCU主要用于液晶屏的显示控制、掉电数据保存，以及复杂的数学运算。系统工作原理框图如图1所示。



3 正交脉冲信号采集处理

3．1 正交脉冲采集

光栅尺输出一组正交脉冲信号，即相位差为90°的两路方波，如图2所示。当光栅尺正向移动一个栅距时，光栅尺输出一个00—01一11—10—00循环，A路方波相位超前于B路90°；当光栅尺反向移动一个栅距时，光栅传感器输出一个00—10一11一01一00循环，A路方波相位滞后B路90°。



分析A，B两路方波的逻辑状态发现A，B两路方波在任意时刻下只有一路信号发生逻辑状态变化。如果在逻辑状态变化前A，B两路的状态相同，那么变化后的逻辑状态肯定相异；如果变化前A，B两路方波逻辑状态相异，那么变化后逻辑状态肯定相同。只需对这两路信号异或，就能提取光栅尺运动的方向信号updown以及与运动距离成正比的计数脉冲cp。         

由图2看出，光栅尺移动一个栅距将输出4个cp脉冲，系统测量的最小分辨率提高至1／4栅距，通常称为四裂相或四倍频。CPLD在每个clk的上升沿检测A，B两路方波的状态，首先分别对当前检测的状态A0，B0和上次检测的状态A1，B1相异或，然后将两次异或值再异或。如果最后异或值为1，则说明A，B两路方波发生变化，则向可逆计数器输入一个高电平宽度为1个clk周期的计数脉冲cp，实现逻辑如图3所示。



3．2 可逆计数器

将提取的方向信号updown和计数脉冲cp输入至可逆计数器，实现对光栅尺输出的正交脉冲计数。可逆计数器模块的VHDL程序如下：



3．3 clk的取值

由于CPLD的采样时钟clk必须大于8倍光栅尺输出的正交脉冲，因此系统不会丢失信号。该系统设计使用40 MHz有源晶体振荡器作为CPLD的采样时钟源，可记录的最大光栅传感器输出信号频率为5 MHz。如果使用50线／mm的光栅尺，经过CPLD的四裂相细分后，计算该光栅尺接该系统的最大不漏数加工速度为20 μmx5 MHz="100" m／s，最小分辨率为5μm。远远超出机床运行的极限速度，完全满足实际需求。

3．4 EPM240简介

选用Altera公司的EPM240作为CPLD，EPM240是MAX Ⅱ系列器件中的一员。MAX Ⅱ CPLD系列的体系结构使其在所有CPLD系列器件的单位I／O引脚的功耗和成本最低；支持高达300 MHz的内部时钟频率，面向通用低密度逻辑应用，MAX Ⅱ CPLD可替代高功耗和高成本 ASSP 以及标准逻辑CPLD。

EPM240含有240个逻辑单元(LE)，等效于192个宏单元；8 192 bit的用户Flash存储器，可满足用户小容量信息存储要求：最大用户I／O数为80，最快速度为4．5 ns，完全满足系统设计要求。         

4 MCU掉电数据存储

掉电数据存储是系统设计的另一重要功能，要求高可靠性。系统在掉电时应保存光栅尺的当前位置信息，下次开机时通过调用上次掉电时保存的位置信息恢复系统。因此，掉电瞬间，掉电报警电路将迅速响应．向MCU_ 发出报警信号；MCU检测到报警信号后，马上进行相应处理，将当时光栅尺的当前位置信息存入EEPROM。其硬件电路如图4所示。



为了提高MCU的掉电响应速度，增强系统可靠性，系统设计采用新的增强型51单片机STC-89C516RD。该器件具有1 KB RAM和高达64 KB大容量ROM，ISP 功能，指令周期有6clock和12clock两种可选模式。使用20 MHz晶体振荡器，采用6clock模式烧写时，单指令周期的程序执行时问仅为0．3μs，比普通51单片机在最高24 MHz晶体振荡器下的运行速度要快得多。因此，大大缩短了掉电数据存储程序的执行时间。

4．1 掉电报警电路

选用超小型高精度电压检测器S80848，内部检测电压固定为4．8 V，精度为±2％，最大响应时间为60μs。S80848采用标准5 V供电，电源正常时输出高电平；当电源电压降至4．8 V时，则输出低电平。将S80848的输出脚连接至MCU 的INT0，并将MCU的INT0设置为电平触发。因此，电源电压只要低于4．8 V就会使MCU进入INT0中断，MCU在中断程序中保存位置信息。