1 引言

　　光栅数显系统主要用于普通机床，可直接显示机床加工的长度值，有助于提高加工精度和效率。 中国国际模具网
　　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00-01-11-10-00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00-10-11-01-00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：

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　　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。 中国国际模具网
　　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 μm×5 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

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　　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。 中国国际模具网
　　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间仅为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。

　　4.2 eeprom选取

　　当mcu对eeprom的写操作完成后，eep-rom需用10 ms的最大自写入时间将信息写入存储单元。为了使用更多的时间用于eeprom自写入，选用低压eeprom，即at24c64-2.7 v，其工作电压为5.5 v～2.7 v，容量为64 kb，每页为32 b，最大写入次数为1 000 000。

　　4.3 掉电时间计算

　　选用工作电压为4.5 v～5.5 v的stc89c516rd。当电源电压降至4.5 v以下时，mcu不能可靠工作。mcu的int0的中断服务程序只能使用电源电压从4.8 v降至4.5 v的这段时间，所有处理必须在该段时间内完成。因此中断程序设计时应尽量考虑使其执行时间最短，中断应先将所有存储的数据存入一个数组，然后将该数组的所有元素写入at24c64，当然该数组的元素数必须小于at24c64一页的长度，即必须小于32 b。

　　当输出电压为5 v时，最大电流为imax=0.8 a，等效负载r=5/i=6.25 ω，与5 v电源并联的电容c=4 700μf，则系统时间常数为τ=rc=0.029 s。设发生掉电t=0，根据公式u（t）=vccexp（-t/τ）=5exp（-t/0.029）可知：t=1 183μs时，电源电压vcc从5 v降至4.8 v；t=3 055μs时，vcc降至4.5 v；t=17 869μs时，vcc降到2.7 v。mcu的中断服务程序时间为3 055-1 183=1872μs，故大于实测中断服务程序时间1 350μs；eeprom自写入有效时间为17 869-3 055=14 814μs，故完全满足eeprom写入要求。

　　4.4 中断服务程序

　　为了避免mcu频繁写入eeprom，使用次数超出最大有效写入次数，中断程序对中断输入引脚上的电平进行必要滤波。 中国国际模具网
　　滤波算法为：系统进入中断程序后，首先关闭中断，然后连续10次判断int0的电平，如果每次判断得到的电平 值都为低，则继续往下执行中断服务程序，只要有一次为高则立即退出中断服务程序。完成写入数据，要确保int0上的低电平解除后再返回中断，否则等待，直至低电平解除。中断服务程序流程图如图5所示。

　　5 结束语

　　详细介绍光栅数显系统设计，采用cpld可大大简化系统硬件设计，降低系统成本，增强系统可靠性和灵活性。选用stc89c516rd，可避免扩展外部存储器，从而简化单片机的外围电路设计。中国国际模具网