1 引言
光柵數(shù)顯系統(tǒng)主要用于普通機(jī)床，可直接顯示機(jī)床加工的長度值，有助于提高加工精度和效率。目前國內(nèi)市場上的光柵數(shù)顯系統(tǒng)大多采用國外集成電路實(shí)現(xiàn)，研發(fā)成本高，且不便于操作人員使用。針對這種狀況，研發(fā)了基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有計(jì)數(shù)精度高、成本低、操作方便以及升級快等特點(diǎn)，能夠處理高達(dá)5 MHz／s的正交脈沖，并在掉電時有效存儲當(dāng)前長度值，其數(shù)碼管可顯示關(guān)鍵的長度值，點(diǎn)陣式液晶屏還可顯示相關(guān)的提示信息。
2 系統(tǒng)工作原理
利用CPLD實(shí)現(xiàn)正交脈沖處理邏輯電路，而可逆計(jì)數(shù)器則用于處理計(jì)數(shù)光柵尺輸出的正交脈沖，CPLD的高速并行處理能力可保證光柵尺輸出信號無遺漏采樣，從而確保計(jì)數(shù)的可靠性。可逆計(jì)數(shù)器的值通過MCU一系列運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為機(jī)床加工的長度值，MCU再將其長度值回送至CPLD并在數(shù)碼管上顯示。
此外，CPLD還具有7×8鍵盤按鍵檢測和去抖功能，將處理后的可靠按鍵送至MCU。MCU主要用于液晶屏的顯示控制、掉電數(shù)據(jù)保存，以及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。
3 正交脈沖信號采集處理
3.1 正交脈沖采集
光柵尺輸出一組正交脈沖信號，即相位差為90°的兩路方波，如圖2所示。當(dāng)光柵尺正向移動一個柵距時，光柵尺輸出一個00-01-11-10-00循環(huán)，A路方波相位超前于B路90°；當(dāng)光柵尺反向移動一個柵距時，光柵傳感器輸出一個00-10-11-01-00循環(huán)，A路方波相位滯后B路90°。
分析A，B兩路方波的邏輯狀態(tài)發(fā)現(xiàn)A，B兩路方波在任意時刻下只有一路信號發(fā)生邏輯狀態(tài)變化。如果在邏輯狀態(tài)變化前A，B兩路的狀態(tài)相同，那么變化后的邏輯狀態(tài)肯定相異；如果變化前A，B兩路方波邏輯狀態(tài)相異，那么變化后邏輯狀態(tài)肯定相同。只需對這兩路信號異或，就能提取光柵尺運(yùn)動的方向信號updown以及與運(yùn)動距離成正比的計(jì)數(shù)脈沖cp。
由圖2看出，光柵尺移動一個柵距將輸出4個cp脈沖，系統(tǒng)測量的最小分辨率提高至1／4柵距，通常稱為四裂相或四倍頻。CPLD在每個clk的上升沿檢測A，B兩路方波的狀態(tài)，首先分別對當(dāng)前檢測的狀態(tài)A0，B0和上次檢測的狀態(tài)A1，B1相異或，然后將兩次異或值再異或。如果最后異或值為1，則說明A，B兩路方波發(fā)生變化，則向可逆計(jì)數(shù)器輸入一個高電平寬度為1個clk周期的計(jì)數(shù)脈沖cp，實(shí)現(xiàn)邏輯如圖3所示。
3.2 可逆計(jì)數(shù)器
將提取的方向信號updown和計(jì)數(shù)脈沖cp輸入至可逆計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對光柵尺輸出的正交脈沖計(jì)數(shù)。可逆計(jì)數(shù)器模塊的VHDL程序如下：
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