摘 要：介紹了一種采用正交解碼計數(shù)電路HCTL-2032的位移測量儀的設計,，其中的2個光柵傳感器輸出的信號通過硬件電路分別進行辨向和計數(shù)，再使用單片機對計數(shù)信號進行處理,，能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量,，該儀器的分辨率為0.5μm，精度可優(yōu)于±1μm,，具有工作可靠、結構簡單,、易于調試和擴展等特點,。
 關鍵詞：HCTL-2032；單片機,；光柵傳感器,；正交解碼 

　　X-Y工作臺的位移測量儀被廣泛應用在光學精密測量機器和高精度的數(shù)控機床上，位移檢測的精度和穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)起著關鍵作用,。使用光柵尺作為位置測量系統(tǒng)的傳感元件,，利用光柵尺輸出信號為數(shù)字量，不受溫度,、時間的影響,，抗干擾能力強，能夠動態(tài)而精確地測量直線位移,。本文介紹了基于HCTL-2032的位移測量儀以單片機為核心,，以光柵尺為傳感元件，結構簡單,，工作可靠,，制作成本低，能夠動態(tài)而高精度地測量直線位移,，實現(xiàn)了精確定位測量,。
1 儀器結構與原理
　　利用正交解碼脈沖記數(shù)處理電路HCTL-2032與單片機STC89C52RC為核心器件的位移測量儀硬件框圖如圖1所示。

1.1 光柵傳感器
　　將光源,、2塊長光柵（動尺和定尺）,、光電檢測器件組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號,，動尺移動一個柵距,，輸出的電信號便變化一個周期,，它是通過對信號變化周期的測量來測出動尺與定尺的相對位移。通常使用的光柵尺輸出信號為方波信號,。輸出方波信號的光柵尺有A相,、B相和Z相3個電信號，A相與B相信號周期相同,，均為W,，相位差90°。Z相信號可以作為校準信號以消除累積誤差,。圖2給出了動尺移動時,，A、B信號的變化情況,。正相運動時A相超前B相90°,，反相運動時B相超前A相90°，根據(jù)A,、B相超前與滯后,，可確定正、反相運動,。本文采用的是奧地利生產(chǎn)的MS60光柵尺,，柵距W為0.5μm。

1.2正交解碼脈沖計數(shù)處理電路HCTL-2032
　　HCTL-2032是Avago公司生產(chǎn)的CMOS專用集成電路,，集噪聲濾波,、正交解碼、可逆計數(shù),、總線接口于一體,，可大大改善測量系統(tǒng)的性能[1]。HCTL-2032可接收兩路（X軸,、Y軸）正交編碼脈沖,，并且增加了接收基準信號，時鐘頻率達33 MHz,，不僅使電路設計簡單,，而且提高了測量精度和處理數(shù)據(jù)的速度。
1.2.1引腳功能說明
 　　HCTL-2032采用32引腳封裝,，引腳功能說明如表1所示,。

1.2.2功能描述
　　HCTL-2032內部包括數(shù)字濾波器、正交解碼邏輯,、32位可逆計數(shù)器,、總線接口，內部邏輯結構框圖如圖3所示,。

　　HCTL-2032的輸入部分包括施密特觸發(fā)器與數(shù)字延遲濾波器,，用于抑制混入正交信號的噪聲,。正交信號通過施密特觸發(fā)器后，必須保持3個上升沿才能通過數(shù)字濾波器,，小于1 V的低電平噪聲被濾除,，高電平、持續(xù)時間短的噪聲脈沖通過數(shù)字濾波器時也被濾除,。 
　　HCTL-2032提供了1×,、2×、4×三種可選解碼方式,，解碼方式的選擇由EN1,、EN2的組合值控制，正交輸入相鄰跳變沿之間二者的電平狀態(tài)有4種：10,、11,、01、00,。當選擇4×模式時,，在一個周期內正交解碼器在時鐘上升沿采樣4種狀態(tài)進行計數(shù)，同理,，當選擇2×和1×模式時，在一個周期內正交解碼器在時鐘上升沿分別采樣2種,、1種狀態(tài)進行計數(shù),。每監(jiān)測到一次狀態(tài)變化，在CNTDEC引腳輸出一個寬度為半個時鐘周期的正脈沖,。同時給出狀態(tài)轉移方向信號,，U/D=1，表明A相超前B相,，反之B相超前A相,。正交解碼采集的脈沖輸入32位可逆計數(shù)器，在時鐘的上升沿計數(shù),，計數(shù)值送入32位鎖存器,。由于輸出數(shù)據(jù)線只有8位，因此32位的數(shù)據(jù)需要通過改變控制線SEL1,、SEL2,、/OE的值分4次依次讀出。
1.3 控制與顯示電路
　　用STC89C52RC單片機作為核心控制器件,，該單片機與8051兼容,，具有“6時鐘/機器周期”和“12時鐘/機器周期”功能，可在ISP編程時反復設置,，當采用“6時鐘/機器周期”時,，速度比普通8051快2倍,。工作頻率0～80 MHz，片內8 KB Flash程序存儲器,，擦寫次數(shù)10萬次以上,，片內512 B RAM數(shù)據(jù)存儲器，3個硬件16位定時器,，1個全雙工異步串行口,。
　　顯示部分采用 128×64點陣液晶顯示器，可以顯示4×8個（16×16點陣）漢字,，也可完成圖形顯示,。
1.4 光柵尺接口電路
　　HCTL-2032與光柵尺的接口電路如圖4所示。圖中A1采用高速光電隔離器6N136,，其傳輸信號頻率達到3 MHz以上,，能有效隔離X-Y工作臺所產(chǎn)生的干擾信號進入位移測量儀。圖中只給出X軸A相接口電路,，其余三相接口電路類同,。

1.5 儀器工作原理
　　位移測量儀原理圖如圖5所示。圖中U4A,、U4B,、U4C構成8MHz的有源振蕩電路，為HTCL-2032提供時鐘信號,，由于時鐘信號頻率要大于8倍光柵尺輸出的正交脈沖頻率,，因此可記錄的最大光柵尺輸出信號頻率為1 MHz，使用的光柵尺為2000線/mm,，計算光柵尺的最大不漏數(shù)運動速度為0.5μm×1 MHz=0.5m/s,。要提高不漏數(shù)運動速度，可提高時鐘信號頻率直達33 MHz,。

　　由光柵尺輸出的X軸A,、B相正交脈沖由HCTL-2032的CHAX（15腳）與CHBX（14腳）輸入，Y軸A,、B相正交脈沖由CHAY（16腳）與CHBY（13腳）輸入,，經(jīng)HCTL-2032的內部施密特電路整形，數(shù)字濾波器濾波,，正交解碼電路解碼,，32位二進制可逆計數(shù)器計數(shù)，32位鎖存器鎖存數(shù)據(jù),，由D0～D7輸出,。經(jīng)單片機P0口輸入單片機，單片機內部程序完成計算、顯示及控制等功能,。被測量的X軸與Y軸位移數(shù)據(jù)由單片機的P1口輸出到128×64點陣液晶顯示器顯示,。
　　采用MAX232串口通信芯片，實現(xiàn)單片機與計算機之間的通信,。單片機為下位機,，計算機為上位機，下位機向上位機傳送的數(shù)據(jù)主要有X軸與Y軸位移信息[2-3],。
2 軟件設計
　　軟件系統(tǒng)設計在Keil  μVision3軟件下通過C語言與匯編語言混合編寫,，主程序采用C語言，子程序采用匯編語言,，系統(tǒng)軟件設計流程為：單片機初始化,、LCD初始化，記錄X軸與Y軸位移脈沖信號,，分字節(jié)讀取HCTL-2032數(shù)據(jù),，計算X軸與Y軸位移距離，顯示X軸與Y軸位移位置,，單片機與計算機之間的通信[4-5],。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖6所示。

　　基于正交解碼脈沖計數(shù)處理電路HCTL-2032的位移測量儀,，硬件電路簡單,，程序編程簡單和運算速度快，抗干擾能力強,，能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量,。測量范圍由光柵傳感器的長度、分辨率及HCTL-2032正交解碼器內部32位可逆計數(shù)器決定,，測量分辨率0.5μm,，精度可優(yōu)于±1μm,。該位移測量系統(tǒng)已成功應用在激光鐳射點陣制板系統(tǒng)中,。該儀器通過擴展可作為直線運動閉環(huán)控制的測量部分。
參考文獻
[1] HCTL-2032數(shù)據(jù)手冊.http://cn.alldatasheet.com.2008.
[2] 江曉軍,，黃惠杰,，王向朝.基于光柵傳感器的位移測量儀的研制[J].電子測量技術，2008,，31（7）：147-150. 
[3] 但永平,，楊雷.基于FPGA的光柵尺信號智能接口模塊[J].國外電子元器件，2004（12）：4-6.
[4] 梁海峰,，嚴一心.基于光柵傳感器位移測量的軟,、硬件設計[J].  現(xiàn)代電子技術，2003，23（5）:88-89.
[5] 徐祿勇,，李尚柏.基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯系統(tǒng)設計[J].國外電子元器件,，2008（5）：8-10.