a1 引言

高精度旋轉角測量廣泛應用于精密加工、航空航天和軍事等領域。測量角度和角位移的方法有：水準管式傾角儀，圓光柵以及電阻應變式、電感式、電容式、光電編碼式、磁阻式等角位移傳感器。目前，利用圓光柵方法實現的高精度軸轉角測量系統以其結構簡單，操作方便，測量精度高等特點而得到廣泛應用。這里提出一種基于圓光柵的非接觸式軸轉角位移測量系統設計，并配合新一代DSP處理器TMS320X 2812進行數據處理及控制，使得角位移的測量系統具有結構簡單，靈敏度高，功耗小，響應快，測量范圍廣，可智能化，不受電磁干擾等特點。

2 系統結構及工作原理

圖1給出基于TMS320X2812型DSP的旋轉軸角位移測量系統基本結構。主要包括圓光柵、正交脈沖接口電路、DSP控制單元和顯示單元等。圓光柵感測被測軸旋轉角位移的變化，再將角位移變化轉換為脈沖變化，經接口電路將圓光柵輸出的正交脈沖傳送到TMS320X2812型DSP的正交編碼脈沖電路（QEP）模塊進行測量計算，可直接通過LCD數碼顯示測量結果，還可將測量數據與上位計算機通信，或通過DSP輸出的控制信號來控制被測體的旋轉角位移。

2.1 圓光柵結構及工作原理

圖2給出典型的圓光柵。它是由光柵環（主光柵）和讀數頭（指示光柵）組成。光柵環與讀數頭相干涉形成莫爾條紋，光柵每移動1個柵距，莫爾條紋就移動1個條紋間隔；光柵改變運動方向，莫爾條紋也隨之改變運動方向，二者具有對應的運動關系。通過測量莫爾條紋的位移可獲取標尺光柵的位移量和移動方向。

由于主光柵與讀數光柵的夾角θ非常小，因此莫爾條紋方程為：

B=ω／θ （1）

式中：B為莫爾條紋間距；ω為光柵常數。

由條紋移動數目N來計算光柵移動距離：

S=Nω （2）

假設光柵環的半徑為r，則軸旋轉的角度為：

β=s／r=NBθ／r （3）

這樣就可通過計算輸出脈沖通過算出轉動角度。

該系統采用雷尼紹20μm圓光柵和與之配套的RGH20X系列讀數頭進行設計。為了提高精度，讀數頭內部對光柵5細分（分辨率為4μm），輸出的兩條正交方波脈沖又對光柵進行4倍細分。RESR圓光柵刻線直接刻在圓環的外表上（柵距20μm），RGH20系列讀數頭具有雷尼紹的獨一無二的光學濾波系統設計，可在有污染、劃痕、指紋情況下讀數，所有誤差都可通過簡單的精確調整獲得補償。

2.2 DSP及外圍電路

該測量系統的硬件設計是以TMS320X2812型DSP為控制核心的。TMS320X2812為32位定點DSP，其最高的主頻為150MHz，最小指令周期為6.67 ns，外部采用低頻時鐘，通過片內鎖相環倍頻。TMS320X2812內部事件管理器（EV）模塊的QEP單元可直接對正交脈沖信號譯碼，可方便、精確地對圓光柵輸出信號進行數據采集。TMS320X2812的串行通信接口（SCI）是一個雙線通信異步串行通信接口，為減少串口通信時CPU的開銷，其串口支持16級接收和發送FIFO。該接收器和發送器都是雙級緩沖器，具有各自獨立的控制位與中斷位，SCI采用硬件檢查通信數據極性和數據格式，可減少軟件負擔。

2.2.1 基于DSP的數據采集

圓光柵讀數頭輸出信號為兩列頻率變化且正交（即相位相差90°）的脈沖（A，B）如圖3所示。將兩列正交脈沖信號輸入到TMS320X2812的QEP1和QEP2計數引腳，EV模塊中QEP電路方向檢測邏輯可根據A，B脈沖的相位關系產生一個方向信號作為通用定時器的方向輸入。如果QEP1超前，定時器遞增計數，反之定時器遞減計數。QEP電路對兩列正交輸入脈沖的上升沿和下降沿計數，因此產生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，并把該時鐘作為通用定位器2的輸入時鐘，這樣可通過QEP對輸入的光柵信號4細分。通用定時器2總是從當前值開始計數，因此可在使能QEP前將所需值裝載到所選通用定時器的計數器中，定時器數值除以4得出讀數頭輸出的脈沖數，從而計算角度。QEP電路對輸人脈沖進行4細分，可使精度提高四倍，線位移精確到1μm。

2.2.2 接口電路設計

RGH20讀數頭輸出信號經光電隔離后直接送到QEP單元引腳。其中，光電耦合器件采用TLP550型高速光耦，用以實現電源與地的隔離。串行通信接口電路采用符合RS-232標準的驅動器件MAX232進行通信。由于MAX232的電源電壓為+5V，而DSP的電源電壓為3.3 V，故需在MAX232與TMS320X2812間加電平轉換器件74LVC04。如圖4所示。

3 系統軟件設計

上位機編程采用虛擬儀器軟件開發平臺LabWindows／CVI，串行通信是虛擬儀器系統中連接硬件與上位機的最易實現和最經濟的方式，LabWindows／CVI提供有實現串行通信的專門函數庫。該系統是采用SCI接口與RS232串口實現DSP與PC機之間的數據通信，上位機可跟蹤顯示軸的角度變化。圖5給出角度顯示界面。

該系統的下位機軟件設計運用C語言編程，采用模塊化設計，更有利于功能擴展及應變。圖6給出其主程序軟件流程。其中，初始化子程序主要包括了系統時鐘初始化、端口初始化、中斷設置等；自檢子程序用于實現系統的初始校正和定時器初始化；數據處理子程序中，用DSP對通用定時器2的計數器值進行分析、計算和修正，以得到相應的角位移值；結果輸出子程序用于實現角位移值的顯示，其關鍵是浮點數值的轉換，該子程序可通過串口將角位移數據傳輸到上位機顯示和存儲。

以下給出QEP電路的初始化編程代碼：

4 結語

該系統設計采用了雷尼紹圓光柵，不僅實現了角位移的非接觸高精度測量，而且還具有安裝簡單，調試方便，測量精度高，抗干擾能力強等優點。該測量系統采用DSP的QEP單元對圓光柵讀數頭輸出信號進行4細分計數，進一步提高了測試精度，其線位移達1μm。TMS320X2812型DSP在系統中實現測量數據的采集、處理、顯示及與上位計算機通信，并根據測量結果自動控制被測旋轉體的角位移，因此該測量系統具有智能化特點，現已用于某軍品測試系統，相信在測試、工業和軍事等領域中更具廣泛的應用前景。

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