基于可定制微控制器的光栅检测片上系统

　　0　引言

　　在全数字细分的原理基础上,将光栅位移测量系统集成在一片可定制微控制器中,实现了数字化、集成化,可定制,提高了细分精度和速度,可连接不同栅距的方波传感器,满足不同的测量精度的要求。

　　1　可定制微控制器

　　Zylogic E5可定制微控制器在1个器件上集成了1个增强性能的加速8051嵌入式微控制器、1个SRAM、1个高速的专用系统总线CSI以及紧密连接在处理器和系统总线上的可配置逻辑矩阵CSL(FPGA),如图1所示。ZE5系列是对嵌入式系统应用进行了优化的高度集成的单芯片系统。

　　加速的8051内核在原有的8051上提了更多的功能,可工作在40 MHz,有1个受保护的看门狗定时器以及1个额外的数据指针用于优化数据传输程序。

　　可配置系统逻辑矩阵CSL,提供“按需派生”的系统定制,由高度互联的CSL单元矩阵组成,每个CSL单元的功能包括组合的以及序列的逻辑,组合部分执行布尔逻辑操作、算术运算功能以及存储功能,时序组件独立执行或者串联为组合功能操作。矩阵内的资源提供接入或接出内部系统总线便捷的连接方式。

　　可配置系统互联CSI总线内连着微控制器、它的外设以及CSL矩阵。该总线提供8 bit的读数据,8 bit的写数据以及1个32 bit的地址。地址映射逻辑可以把8051的16 bit地址翻译成内部系统总线所用的32 bit地址。

　　此外,该控制器还具有可编程的I/O口,先进的系统调试功能(JTAG接口)、低功耗等优点^[1]。

　　2　光栅测量原理及传统光栅表

　　2.1　测量原理

　　光栅位移测量是基于莫尔条纹与光栅尺移动方向和位移量的严格对应关系。方波输出的光栅尺就是将上述关系转换成两路相差90°方波信号输出,两路信号相位的超前滞后表示位移的方向,传感器输出的脉冲数表示位移的大小^[2]。

　　2.2　传统光栅表的构成

　　传统的光栅数显装置基本结构如图2所示。

　　整个系统是由分离器件构成,整形电路由非门实现,细分辨向电路常用四细分专用芯片SJ740210等,计数器常用8253或8254,单片机一般选MCS51系列,人机接口由数码管显示和矩阵键盘及译码驱动芯片完成。该系统的缺点是含有阻容元件、计数器速度低、器件多。

　　3　基于可定制微控制器光栅检测片上系统

　　3.1　系统构成

　　图3为基于ZE5的光栅检测片上系统,对比图1~图3可知,除光栅尺、显示、键盘外,图3是利用一片ZE5集成了传统光栅表的全部功能,ZE5内部的加速增强型8051代替原有的MCS51,ZE5内部的可配置系统逻辑矩阵CSL(FPGA)实现信号整形、细分辨向、计数、译码驱动等功能。ZE5管脚最高可达12mA的输出驱动,与液晶显示连接无需另加驱动,在该设计中选用了ZE5系列的ZE502S08器件,其内部集成了256个CSL单元8 K字节的RAM,可编程PIO最多为92个。