基于DSP的光栅信号处理实验平台构建

黄 勇

(湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000)

光栅测距是以光栅传感器输出的莫尔条纹信号为基础，光栅信号处理系统将输出的信号通过细分、辨向和计数处理，从而将位移量转变为数字量，通过数显装置或PC机，可以将测试结果显示出来或实现自动测量.因此，在整个光栅测距系统中，对于光栅信号的处理是整个测试系统的关键.对于光栅信号的处理，传统的方法是采用单片机来处理，存在的主要问题是只能处理输入信号频率较低的信号，也就意味着在处理高频率小位移的光栅信号时响应不够快，不能正确的进行测量.针对上述问题，本文提出了构建一种基于DSP处理器的光栅信号处理实验平台，采用TI公司5000系列DSP处理器TMS320VC5402来实现对光栅信号的采集、滤波、细分、辨向和频谱分析，该实验平台具有多通道、智能化程度高的特点.

1 光栅传感器位移测量基本原理

图1 光栅传感器输出信号

本实验平台中采用的光栅传感器输出两路正交信号，其中一路为正弦信号，另外一路为余弦信号，图1给出了相差90°的两路信号，其中u1(x)与u2(x)可以表示为：

图2 光栅传感器位移测量模型

式中:u1(x)代表光栅传感器输出的一路信号，U0代表信号中的直流分量，Um代表信号的幅度，x代表光栅中指示光栅与标尺光栅的发生的相对位移，w代表光栅的栅距.

光栅测量系统工作时，当光栅输出信号变化一个周期时，则发生的位移量为一个栅距w.通过计算输出光栅信号的周期数，即可以测算出实际的位移量，从而实现测距[1].一般情况下，如果仅仅通过计算输出信号的周期数来进行位移测量，则系统的分辨率仅为光栅栅距w，如采用100线/mm的光栅，其分辨率也只有10 μm.因此，为了得到比光栅栅距更小的位移量，必须对光栅输出信号进行细分，具体办法就是在一个信号周期给出N个计数脉冲，这样系统的分辨率就提高了N倍.光栅位移测量模型如图2所示.

光栅每移动栅距w，则计数值为N，当实际计数值为k，则位移量x为：x=wk/N.

2 光栅信号的谱分析

由前述的光栅传感器输出的信号为周期信号，输出信号u(x)可以展开成傅里叶级数为：

对光栅传感器输出的信号采用傅里叶分析法进行频谱分析，可以了解信号在整个时域内的情况，据此可以判断出光栅传感器的测头是否受到撞击、摩擦等异常情况，从而为数据的分析提供直接依据[2-3].利用示波器对光栅传感器输出的信号进行频谱分析，图3为正常情况下光栅传感器输出信号的频谱，图4为异常情况下光栅传感器输出信号的频谱.

通过图3、4可以得出，在光栅传感器位移测量系统中分析信号的频谱是有必要的，在本文所构建的光栅信号处理实验平台中，利用TMS320VC5402来实现该功能.

图3 正常情况下光栅传感器输出信号的频谱 图4 异常情况下光栅传感器输出信号的频谱

3 实验平台硬件结构

整个实验平台的硬件结构如图5所示，主要由TI公司的16位定点DSP处理器TMS320VC5402、A/D转换器MAX115、TI公司的异步通信芯片及其它的外围电路构成，其中TMS320VC5402是整个实验平台的核心部分.实验平台工作过程为：当DSP处理器上电后，完成自身的初始化，然后对A/D转换器MAX115进行设定.当DSP检测到光栅传感器输出的零位触发信号后，对计数器清零，同时，DSP启动MAX115对光栅传感器输出的两路信号进行快速同步采集，A/D转换结束后，DSP读取转换数据并进行细分、辨向、计数处理，测量的结果通过TL16C750芯片、并经过MAX232传送的PC机显示[4].

3.1 TMS320VC5402芯片简介

TMS320VC5402芯片是TI公司推出的高性能、低功耗的16位定点DSP处理器，工作电源3.3 V，内核电源1.8 V，操作速度达到100 MIPS，具有先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线)，具有17bit*17bit的并行乘法器与40位专用加法器，带有4K*16bit的ROM和16K*16bit的DARAM.其片内外设主要包括：内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟发生器、2个多通道缓冲串行口、1个8位并行与外部处理器通信的HPI口、2个16位定时器以及6通道DMA控制器[5-6].芯片内部结构如图6所示.

图5 实验平台系统框图 图6 TMS320VC5402内部结构框图

图7 电源电路

图8 A/D转换电路

3.2 电源电路

本文所构建的光栅信号处理平台需要考虑所有芯片的供电情况，设计时主要从系统电压要求、电流要求和上电次序等三个方面考虑.对于TMS320VC5402而言，其GPIO引脚为3.3 V，CPU内核电压是1.8 V，结合到本系统其它芯片的供电情况，电源电路要求提供三种电压：5、3.3和1.8 V.因此电源电路设计需要采用电压转换芯片，将5 V电压转换成3.3和1.8 V，以供TMS320VC5402芯片使用.基于上述要求，本设计中选用电压转换芯片TPS767D301[7]，将5 V变为3.3 V和1.8 V，电路图如图7所示.

3.3 A/D转换电路

为了提高精度、降低整个实验平台的成本，对于光栅信号采集中的A/D芯片选用的是MAX115[8]，具有电路连接简单、接口方便的特点，该芯片在使用双通道情况下采样速率为218ksps，可以较好的满足设计要求.A/D转换电路图如图8所示.

3.4 异步通信电路

TMS320VC5402没有专门的UART(通用异步接收/发送装置)接口，只有2个McBSP(多通道缓冲串口)，要实现异步串行通信，大多数情况下都是用软件对TMS320VC5402的McBSP口编程来模拟的，这种方法软件编程相对复杂，且占用很大系统资源.

在本设计中，采用TI公司生产的异步通信芯片TL16C750[9]来实现TMS320VC5402与PC机的连接通信，然后通过MAX232完成电平转换，最后将转换结果送到PC机以实现DSP与PC的异步通信，该方法避免了用McBSP来模拟串口的缺点.DSP与PC通过TL16C750和MAX232进行串口通信的电路图如图9所示

图9 串口通信电路

图13 串口通信流程图

4 软件设计

光栅信号处理实验平台软件主要包括主程序、细分辨向子程序、频谱分析子程序、串口通信程序等4个部分.

主程序流程图如图10所示，主要完成对各个硬件模块的初始化，相关子程序的调用；细分辨向子程序流程图如图11所示，主要是通过A/D转换结果来分析和判断当前值处于哪个区间位置，以及指示光栅运动的方向；频谱分析子程序流程图如图12所示，主要是对A/D转换结果进行频谱分析，检测光栅传感器输出信号是否有异常；串口通信子程序流程图如图13所示，主要是设置串行通信的数据格式，向PC机发送测试数据.

图10 主程序流程图 图11 细分辨向子程序流程图 图12 频谱分析子程序流程图

5 结语

采用DSP处理器的光栅信号处理实验平台，实现了对光栅信号的细分、辨向、频谱分析等复杂处理，克服了传统处理方法中存在的精度不高、实时性不强的缺点，该平台适合处理光栅输出信号频率较高的情况.经过测试，实验平台的分辨率为0.1 μm、系统精度±1 μm，应用范围较广.

参考文献:

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