USB总线在光栅位移传感器检测系统中的应用

由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。

特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面，光栅传感器起着重要作用。

目前，USB端口已成为微机主板的标准端口，利用USB总线技术，开发适用于科学研究和工业生产的各种仪器仪表设备，借以取代传统计算机测 控系统中采用的串行RS232、并行接口以及ISA或PCI总线的仪器仪表设备，不仅可使计算机测控系统更加高效实时、方便灵活，而且可满足高质量、高可 靠性、低成本计算机测控系统的要求。本文以光栅位移传感器检测系统的设计背景，详细介绍了系统的硬件、软件设计方法。

光栅位移传感器的基本原理和特点

光栅位移传感器的基本构成是一对光栅，其中一块是固定的，而另一块是运动的。当它们发生相对运动并有光通过两者时，能够获得相当于干涉仪中得到的条纹信号，即所谓的莫尔条纹信号。与普通位移传感器相比，它有以下几个特点。

● 精度高。光栅位移传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移测量方面，光栅式传感器也属于精度最高的。

● 大量程测量兼有高分辨率。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅位移传感器。

● 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。

● 具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

系统硬件设计

1 系统原理简介

光栅位移传感器是进行高精度位移测量的光电转换器，它将位移微变量转换为多路正弦光栅信号。硬件电路要求首先对正弦光栅信号合成，消除测量 中的共模干扰信号，然后一路进入单片机进行A/D转换；另一路通过比较器转换成数字信号后由D触发器和与门电路完成光栅位移的辨向，而后进入单片机进行正 向和反向计数；其次单片机将这些数据通过USB插口送入计算机，最后由计算机进行数据细分和处理，从而得到光栅位移长度。

2 方案的选定

利用USB总线的数据采集方案有两种，一种方案是采用普通单片机另加上专用的USB通信芯片，现在的专用芯片中较为流行的有 National Semiconductor公司的USBN9602、USBN9603、USBN9604，Philips公司提供的PDIUSBD12，以及 SanLogic公司的SL11等。该方案可充分利用开发人员原有的硬件资源和软件知识，开发成本较低，但设计和调试较为麻烦，而且电磁兼容性差，容易造 成主机不能识别USB设备。另一种是利用具有USB接口功能的单片机。目前国外不少主要芯片厂商都陆续推出了带USB通信接口的单片机，使用这些专用芯片 构成的数据采集系统电路设计简单，调试方便，电磁兼容性好。本设计的USB光栅位移检测系统接口电路就采用了Microchip的USB PIC单片机。

3 PIC18F4550芯片特点

Microchip公司的带USB通信接口的单片机PIC18F4550芯片为40/44脚封装，配备了功能强大的12MIPS RISC内核，自编程闪存存储器以及纳瓦节能技术，工作频率达48MHz，数据传输速率高达12Mb/s。新器件还具有Microchip先进的PMOS 电可擦除单元（PEEC）闪存技术，耐擦写次数可高达100万次，而数据保存期能超过40年。此外，其全速USB 2.0接口包括一个片上收发器和一个并行流端口，能把数据直接传送到外部的设备，减少CPU的开销，而且大大增加了系统的抗干扰能力和工作的可靠性。

PIC18F4550单片机的一个关键特性在于它配备了32Kb自编程增强型闪存，使得设计人员可以通过USB端口对最终应用进行现场升 级。结合新器件配备的一系列片上外设和纳瓦技术（nanoWatt）的功耗管理功能，该全速USB PIC单片机非常适用于多种嵌入式应用，包括工业领域、医疗、汽车、电池供电应用和消费类产品。

从光栅传感器输入的信号有5路：±SIN、±COS以及零窗信号ZERO，它们经差分放大电路合成，分3路进 入PIC单片机模拟量输入口进行A/D转换；同时，经差分放大电路合成后的SIN、 COS 信号再经零比较器后转换成数字脉冲信号，然后经D触发器和与门电路完成光栅位移的辨向。PIC单片机T0和T1口接收来自与门电路的数字脉冲，完成光栅位 移的计大数（计算光栅尺移动的完整光栅数）；PIC单片机RC1口输出4MHz的PWM脉冲信号作为D触发器的CP信号。计算机的USB接口两根数据线分 别接PIC18F4550的D＋和D－口用以完成计算机和单片机之间的数据通信，计算机的USB电源一方面为PIC微处理器提供