基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统设计

1 引言
    光栅数显系统主要用于普通机床，可直接显示机床加丁的长度值，有助于提高加工精度和效率。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—01一11—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—10一11一01一00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：

   

  
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。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 μmx5 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。

    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。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问仅为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=4700μF，则系统时间常数为丁：τ=RC=0．029 s。设发生掉电t=0，根据公式u(t)=Vcc exp(一t/τ)=5 exp(一t／0．029)可知：t=1 183 μs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。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。