光栅传感器实验控制系统设计

宋露露

摘要 光栅位移传感实验可以帮助光电、信息类专业的学生深入了解光栅传感器的原理及其工程应用。本文基于学生的学习特点设计了一款光栅传感实验控制系统，着重阐述了核心芯片TMS320F2812的原理及对外接口技术，光栅与TMS320F2812的接口设计，步进电机驱动电路设计、基于FPGA的LED显示屏电路设计。针对传统的光栅传感实验系统操作复杂、显示缺乏人性化等问题，旨在设计一款性能稳定、操作性较强的实验设备。

【关键词】DSP 光栅尺 光电编码器 步进电机

1 引言

随着高校教育改革的不断推进，实验器材也在不断推陈出新，本文针对光电子信息类专业本、专科大学生，对光栅传感器原理及应用的掌握需要，设计了一型基于DSP的光栅传感器实验系统，这套系统性能稳定、数据显示非常人性化。通过这套实验系统，学生们可更加深入的了解光栅传感器测量位移的原理及方法，加深对莫尔条纹形成的光学原理、位移放大作用和误差平均效应的理解，同时，实验箱增加一些扩展功能，方便学生做衍生实验。

2 原理及硬件结构

光栅传感器实验系统由7个部分组成，分别是步进电动机驱动电路、光栅传感器测量电路、传动丝杆、两个步进电机，直流稳压电源、光栅线位移传感器（光栅尺）、光栅角位移传感器（光电编码器）组成。其中，步进电机驱动电路由DSP及外围数字电路组成，它能可靠监测步进电机的运行状态;光栅传感器测量电路由DSP的正交编码电路实现，能对光栅线位移传感器（光栅尺）或光栅角位移传感器（光电编码器）输入信号进行处理，并通过LED精确显示光栅线位移传感器（光栅尺）水平位移和光栅角位移传感器（光电编码器）角度。步进电机驱动电路和光栅传感器测量电路设计在一块电路上，采用同一片DSP实现。

其硬件结构框图如图1所示。

3 硬件实现

3.1 DSP控制器

光栅传感器实验系统的控制芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，这是一款32位定点DSP芯片，该芯片的内核工作频率可达150MHz，机器周期可以达到6.67ns，具有12 8K x16位片上FLASH，18Kx16位片上SRAM，并且具有多達12路的脉宽调制模块（PWM），两路正交编码器接口模块（QEP），另外还具备2路SCI接口，1路SPI接口，1路CAN总线接口，1路I2C总线接口等;该芯片外部接口丰富，在系统管理、电机控制应用方面具有独到的优势，也非常适合做扩展。

3.2 可编程逻辑器件

可编程逻辑器件用来实现电路的逻辑、时序控制，本文采用了Altera公司的Cyclonelll系列EP3C10F256型的FPGA芯片，共有10320个逻辑单元（LE），46个M9KRAM块，23个嵌入式18 X18乘法器、2个锁相环（PLL），具有最多182个用户IO管脚电路以及414Kbis的内部RAM。

3.3 驱动电路设计

电路设计中采用TMS320F2812为控制核心，采用FPGA的4路IO产生时序脉冲信号，通过L298P双H桥式驱动器对步进电机进行驱动控制。L298P是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动芯片，可以方便的驱动两个直流电机，也可以驱动一个两相步进电机。L298P输入端连接标准TTL逻辑电平，输出端直接驱动步进电机等电感性负载;驱动芯片的输出电压与供电电源相关，最大可驱动46V、2A的电机。

L298P外围接口电路图如图2所示。

步进电机是一种离散运动执行机构，通过接收不同时序的数字脉冲信号来实现步进电机的正转、反转或停止动作。步进电机的转速与数字脉冲频率相关，数字脉冲频率越快，电机转速越快;由于脉冲控速的方式没有累积误差，因此步进电机可广泛应用于各种开环控制。

具体到本电路中，是通过FPGA的10端口产生数字脉冲信号来控制步进电机的正、反转动作。当INA～IND按1-2—3—4一1...顺序控制时，步进电机顺时针转动;当INA～IND按4—3—2—1—4--顺序控制时，步进电机逆时针转动。步进电机驱动时序如表1所示。

3.4 光栅测量电路设计

3.4.1 光栅线位移传感器

光栅线位移传感器主要应用于直线移动机构，可实现直线移动量的精确测量，广泛应用于机械加工的位移测量、振动测量和变形测量等领域。

当步进电机转动时，通过联轴器带动传动丝杆转动，传动丝杆上的移动块带动光栅尺读数头移动，光栅尺读数头移动方向通过步进电机转动方向控制，移动速度通过步进电机转动速度控制。光栅尺读数头移动时会输出A、B两路相位相差900的TTL方波信号，同时输出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。

3.4.2 光栅角位移传感器

光栅角位移传感器作为角位移测控部件，目前己在数控机床、电梯行业、电脑刺绣、纺织机械、轧钢、印刷机、工业机器人及伺服传动、自动控制、位置检测等方面得到广泛应用。本实验箱光栅角位移传感器采用增量式光电编码器来实现测量。

步进电机转动时，通过转盘、联轴器带动光电编码器转动，光电编码器转动时输出相位相差900的A、B两路TTL方波信号，每转输出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。

3.4.3 测量电路设计

光栅尺或光电编码器输出的A、B、Z信号通过数字隔离、电平转换接到事件管理器（EVA）的正交编码电路QEP1和QEP2两个输入引脚;Z相脉冲信号接到EVA的QEPI1，每转一圈QEPI1就接到一个脉冲，同时校正一下零位。EVA中定时器T2采用定向增减计数模式，并以正交编码脉冲电路产生的4倍频信号作为时钟源，其计数值为A、B两路信号4倍频后脉冲数。通过QEP电路的解码逻辑可以判断哪个信号的相位超前，就可以推断出定时器的计数方向，当电机正转时，T2递增计数，当电机反转时，T2递减计数。其时序图如图3所示。

TMS320F2812包含兩个事件管理器EVA和EVB，每个事件管理器都含有1个QEP单元。该实验系统硬件电路提供两路QEP接入，分别接收光栅尺和光电编码器的脉冲信号，从而实现光栅尺和光电编码器的位移量计算。

通过对事件管理器的定时周期寄存器、比较寄存器、计数寄存器等进行配置，可进行QEP计数。QEP寄存器设置流程如下：

（1）在通用定时器2的计数器、周期和比较寄存器中载入预期值;

（2）配置T2CON寄存器，使通用定时器2工作在定向增减模式，时钟源为QEP电路，并使能使用的通用定时器;

（3）设置CAPCONA寄存器以使能正交编码脉冲电路。

3.5 LED显示控制电路

LED显示屏用于实时显示步进电机运行的状态以及光栅尺、光电编码器位移测量的值。本文设计一种由4个16 x16点阵LED模块组成的显示屏，它通过DSP和FPGA的控制可以实时显示或滚动显示任意的文字和符号。

LED显示屏的主控制器为FPGA，可通过硬件描述语言（VHDL或Verilog）来实现硬件功能，有效地简化了电路结构;而且FPGA功能强大、外部引脚数量多，扩展性很强，因此，要控制LED大屏幕的显示只需要用简单的外围电路加上一个FPGA就可以实现。本电路可级联扩展，实现由多个16 x16点阵LED模块组成的显示屏，显示丰富的文字信息。

16 x16点阵LED模块由4个8x8 LED显示屏组成，本文采用动态扫描方式进行LED的显示驱动，列显示采用串行传输信号控制，行采用从左至右的扫描方式输出驱动信号。驱动电路采用2片74HC595移位寄存器级联组成16位的列驱动信号、行信号采用FPGA串联排阻加至LED点阵显示屏的行选通端。

具体实现方法如下：通过字模提取工具，提取实验箱运行所需的数字或图文信息，将信息定义为一个大的数组，DSP根据实验箱需显示的状态值，调用数组中对应的字符码，发送至FPGA，FPGA的数据处理模块接收到DSP的指令后，译码成LED显示所需的行、列码值传送至扫描驱动模块，最后在LED显示屏上进行显示。当行扫描速度足够快时，由于人眼的余晖效应造成视觉暂留，就能看到显示屏上稳定的字符了。

4 结论

本文采用了DSP与FPGA结合的架构，设计了实验箱的硬件系统;充分利用了DSP丰富的控制接口与光栅传感器、FPGA、串口等连接，利用FPGA强大的逻辑、时序处理能力实现了步进电机的驱动控制、LED显示屏的文字和图形的动态显示控制。整个系统性能稳定、效果良好。

参考文献

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