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[1]。 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[2-3]

　　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。

　　该系统采用雷尼绍 20 μm 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 4 μm)，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 20 μm), 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150 MHz，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[4]。