基于TMS320X2812的高精度转角测量系统设计

1 引言

高精度旋转角测量广泛应用于精密加工、航空航天和军事等领域。测量角度和角位移的方法有：水准管式倾角仪，圆光栅以及电阻应变式、电感式、电容式、光电编码式、磁阻式等角位移传感器。目前，利用圆光栅方法实现的高精度轴转角测量系统以其结构简单，操作方便，测量精度高等特点而得到广泛应用。这里提出一种基于圆光栅的非接触式轴转角位移测量系统设计，并配合新一代DSP处理器TMS320X 2812进行数据处理及控制，使得角位移的测量系统具有结构简单，灵敏度高，功耗小，响应快，测量范围广，可智能化，不受电磁干扰等特点。

2 系统结构及工作原理

图1给出基于TMS320X2812型DSP的旋转轴角位移测量系统基本结构。主要包括圆光栅、正交脉冲接口电路、DSP控制单元和显示单元等。圆光栅感测被测轴旋转角位移的变化，再将角位移变化转换为脉冲变化，经接口电路将圆光栅输出的正交脉冲传送到TMS320X2812型DSP的正交编码脉冲电路(QEP)模块进行测量计算，可直接通过LCD数码显示测量结果，还可将测量数据与上位计算机通信，或通过DSP输出的控制信号来控制被测体的旋转角位移。

2.1 圆光栅结构及工作原理

图2给出典型的圆光栅。它是由光栅环(主光栅)和读数头(指示光栅)组成。光栅环与读数头相干涉形成莫尔条纹，光栅每移动1个栅距，莫尔条纹就移动1个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹也随之改变运动方向，二者具有对应的运动关系。通过测量莫尔条纹的位移可获取标尺光栅的位移量和移动方向。

由于主光栅与读数光栅的夹角θ非常小，因此莫尔条纹方程为：

B=ω／θ (1)

式中：B为莫尔条纹间距；ω为光栅常数。

由条纹移动数目N来计算光栅移动距离：

S=Nω (2)

假设光栅环的半径为r，则轴旋转的角度为：

β=s／r=NBθ／r (3)

这样就可通过计算输出脉冲通过算出转动角度。

该系统采用雷尼绍20μm圆光栅和与之配套的RGH20X系列读数头进行设计。为了提高精度，读数头内部对光栅5细分(分辨率为4μm)，输出的两条正交方波脉冲又对光栅进行4倍细分。RESR圆光栅刻线直接刻在圆环的外表上(栅距20μm)，RGH20系列读数头具有雷尼绍的独一无二的光学滤波系统设计，可在有污染、划痕、指纹情况下读数，所有误差都可通过简单的精确调整获得补偿。

2.2 DSP及外围电路

该测量系统的硬件设计是以TMS320X2812型DSP为控制核心的。TMS320X2812为32位定点DSP，其最高的主频为150MHz，最小指令周期为6.67 ns，外部采用低频时钟，通过片内锁相环倍频。TMS320X2812内部事件管理器(EV)模块的QEP单元可直接对正交脉冲信号译码，可方便、精确地对圆光栅输出信号进行数据采集。TMS320X2812的串行通信接口(SCI)是一个双线通信异步串行通信接口，为减少串口通信时CPU的开销，其串口支持16级接收和发送FIFO。该接收器和发送器都是双级缓冲器，具有各自独立的控制位与中断位，SCI采用硬件检查通信数据极性和数据格式，可减少软件负担。

2.2.1 基于DSP的数据采集

圆光栅读数头输出信号为两列频率变化且正交(即相位相差90°)的脉冲(A，B)如图3所示。将两列正交脉冲信号输入到TMS320X2812的QEP1和QEP2计数引脚，EV模块中QEP电路方向检测逻辑可根据A，B脉冲的相位关系产生一个方向信号作为通用定时器的方向输入。如果QEP1超前，定时器递增计数，反之定时器递减计数。QEP电路对两列正交输入脉冲的上升沿和下降沿计数，因此产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，并把该时钟作为通用定位器2的输入时钟，这样可通过QEP对输入的光栅信号4细分。通用定时器2总是从当前值开始计数，因此可在使能QEP前将所需值装载到所选通用定时器的计数器中，定时器数值除以4得出读数头输出的脉冲数，从而计算角度。QEP电路对输人脉冲进行4细分，可使精度提高四倍，线位移精确到1μm。

2.2.2 接口电路设计

RGH20读数头输出信号经光电隔离后直接送到QEP单元引脚。其中，光电耦合器件采用TLP550型高速光耦，用以实现电源与地的隔离。串行通信接口电路采用符合RS-232标准的驱动器件MAX232进行通信。由于MAX232的电源电压为+5V，而DSP的电源电压为3.3 V，故需在MAX232与TMS320X2812间加电平转换器件74LVC04。如图4所示。

3 系统软件设计

上位机编程采用虚拟仪器软件开发平台LabWindows／CVI，串行通信是虚拟仪器系统中连接硬件与上位机的最易实现和最经济的方式，LabWindows／CVI提供有实现串行通信的专门函数库。该系统是采用SCI接口与RS232串口实现DSP与PC机之间的数据通信，上位机可跟踪显示轴的角度变化。图5给出角度显示界面。

该系统的下位机软件设计运用C语言编程，采用模块化设计，更有利于功能扩展及应变。图6给出其主程序软件流程。其中，初始化子程序主要包括了系统时钟初始化、端口初始化、中断设置等；自检子程序用于实现系统的初始校正和定时器初始化；数据处理子程序中，用DSP对通用定时器2的计数器值进行分析、计算和修正，以得到相应的角位移值；结果输出子程序用于实现角位移值的显示，其关键是浮点数值的转换，该子程序可通过串口将角位移数据传输到上位机显示和存储。

以下给出QEP电路的初始化编程代码：

4 结语

该系统设计采用了雷尼绍圆光栅，不仅实现了角位移的非接触高精度测量，而且还具有安装简单，调试方便，测量精度高，抗干扰能力强等优点。该测量系统采用DSP的QEP单元对圆光栅读数头输出信号进行4细分计数，进一步提高了测试精度，其线位移达1μm。TMS320X2812型DSP在系统中实现测量数据的采集、处理、显示及与上位计算机通信，并根据测量结果自动控制被测旋转体的角位移，因此该测量系统具有智能化特点，现已用于某军品测试系统，相信在测试、工业和军事等领域中更具广泛的应用前景。