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。