一款光栅尺数显表的设计

　　1 引言

　　光栅尺系统包含光栅尺传感器和数显表。光栅尺传感器是利用光栅的光学原理工作的测量装置。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大、检测精度高、响应速度快的特点。光栅尺数显表是对光栅尺传感器输出脉冲接收、计数、处理并显示的设备。数显表的好坏将直接影响到整个系统的测量精度和稳定性。目前的光栅尺数显表大多都是数字电路完成计数并显示，必须使用机械校表，这使得光栅尺校准十分困难，本款数显表采用数字电路计数，单片机对数据处理的技术。使光栅尺校表方便容易，计量更加精确。

　　2 光栅尺硬件设计组成结构

　　2.1 硬件组成框图

　　光栅尺数显表的硬件系统框图如图1所示。光栅尺系统包含光栅尺传感器和数显表。光栅尺传感器会随着光栅尺光头的移动输出两路相位差为90°的正交脉冲。这两路正交脉冲经过细分辨向电路的细分辨向后，输入到可逆计数器计数中。可逆计数器将脉冲加减计算后得到光栅尺光头的位移值，然后由单片机的IO口将可逆计数器的计数数值读出。单片机将此计数值校正后由SPI接传口送给显示电路显示。

　　单片机采用ATmega16L(Micro Control Unit以下称M C U)，它是美国爱特梅尔公司生产的AV R单片机。它具有片内16kb程序储存器，1kb静态随机储存器，512b的片内电可擦除可编程只读储存器(以下简称E E PRO M)，1个通用异步收发器(以下称串口)，1个同步串行接口(以下简称SPI接口)，同时内部还集成了看门狗。这些特点使这个M C U非常合适用在这个系统中。M C U串口转接成232接口与上位机通信，随时可以接收上位机下传的校表命令。用于校正可逆计数器计数值的校正系数储存在E E PR O M中，当要修改校正系数的时候就非常方便，数显表断电后重新上电这个系数也不会丢失。校正系数通过MCU内的校表部分软件进行修改，实现软件校正。看门狗可以随时防止程序跑飞。在光栅尺数显表系统中细分辨向电路是系统的核心，现将细分辨向电路详细叙述。

　　2.2 细分辨向电路

　　细分辨向电路图见图2。光栅尺传感器输出两路相位差为90°的正交脉冲，分别送到图2中的A、B处。传感器正向移动时，A的相位超前B的90°(波形见图3a中A、B)，当A由低向高跳变(用A↑表示)，由非门U5A、电阻R1、电容C1和与门U1A组成的单稳态触发器输出窄脉冲信号。此时A为高电平，所以C有窄脉冲输出(波形见图3a中C)，D为低。此时B为低电平，所以E、F都为低，所以与或非门U4 A有窄脉冲输出，U4B无脉冲输出。当B由低向高跳变(用B↑表示)，由非门U5 B、电阻R3、电容C 3和与门U1C组成的单稳态触发器输出窄脉冲信号，此时B为高电平，所以E输出窄脉冲信号(波形见图3a中E)，F为低。此时A为高，所以C、D都为低，所以与或非门U4 A有窄脉冲输出，U4 B无数脉冲输出。当A由高向低跳变(用A↓表示)，由非门U5C、电阻R2、电容C 2和与门U1B组成的单稳态触发器，此时A为低，所以D输出窄脉冲信号(波形见图3a中D)C为低。此时B为高，所以E、F为低，所以与或非门U4 A有窄脉冲输出，U4 B无脉冲输出。当B由高