关 闭

新闻中心

EEPW首页 > 工控自动化 > 设计应用 > 基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统设计

基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统设计

作者:徐禄勇,李尚柏,钟睿时间:2008-06-27来源:国外电子元器件

  1 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/84924.htm

  系统主要用于普通机床,可直接显示机床加工的长度值,有助于提高加工精度和效率。目前国内市场上的系统大多采用国外集成电路实现,研发成本高,且不便于操作人员使用。针对这种状况,研发了基于+的新型系统。该系统具有计数精度高、成本低、操作方便以及升级快等特点,能够处理高达5 MHz/s的,并在掉电时有效存储当前长度值,其数码管可显示关键的长度值,点阵式液晶屏还可显示相关的提示信息。

  2 系统工作原理

  利用实现处理逻辑电路,而可逆计数器则用于处理计数光栅尺输出的的高速并行处理能力可保证光栅尺输出信号无遗漏采样,从而确保计数的可靠性。可逆计数器的值通过一系列运算后转换为机床加工的长度值,再将其长度值回送至CPLD并在数码管上显示。

  此外,CPLD还具有7×8键盘按键检测和去抖功能,将处理后的可靠按键送至MCU。MCU主要用于液晶屏的显示控制、掉电数据保存,以及复杂的数学运算。系统工作原理框图如图1所示。

  3 正交脉冲信号采集处理

  3.1 正交脉冲采集

  光栅尺输出一组正交脉冲信号,即相位差为90°的两路方波,如图2所示。当光栅尺正向移动一个栅距时,光栅尺输出一个00-01-11-10-00循环,A路方波相位超前于B路90°;当光栅尺反向移动一个栅距时,光栅传感器输出一个00-10-11-01-00循环,A路方波相位滞后B路90°。

  分析A,B两路方波的逻辑状态发现A,B两路方波在任意时刻下只有一路信号发生逻辑状态变化。如果在逻辑状态变化前A,B两路的状态相同,那么变化后的逻辑状态肯定相异;如果变化前A,B两路方波逻辑状态相异,那么变化后逻辑状态肯定相同。只需对这两路信号异或,就能提取光栅尺运动的方向信号updown以及与运动距离成正比的计数脉冲cp。

  由图2看出,光栅尺移动一个栅距将输出4个cp脉冲,系统测量的最小分辨率提高至1/4栅距,通常称为四裂相或四倍频。CPLD在每个clk的上升沿检测A,B两路方波的状态,首先分别对当前检测的状态A0,B0和上次检测的状态A1,B1相异或,然后将两次异或值再异或。如果最后异或值为1,则说明A,B两路方波发生变化,则向可逆计数器输入一个高电平宽度为1个clk周期的计数脉冲cp,实现逻辑如图3所示。

  3.2 可逆计数器

  将提取的方向信号updown和计数脉冲cp输入至可逆计数器,实现对光栅尺输出的正交脉冲计数。可逆计数器模块的VHDL程序如下:

  3.3 clk的取值

  由于CPLD的采样时钟clk必须大于8倍光栅尺输出的正交脉冲,因此系统不会丢失信号。该系统设计使用40 MHz有源晶体振荡器作为CPLD的采样时钟源,可记录的最大光栅传感器输出信号频率为5 MHz。如果使用50线/mm的光栅尺,经过CPLD的四裂相细分后,计算该光栅尺接该系统的最大不漏数加工速度为20 μm×5 MHz=100 m/s,最小分辨率为5μm。远远超出机床运行的极限速度,完全满足实际需求。

  3.4 EPM240简介

  选用Altera公司的 EPM240作为CPLD,EPM240是MAX II系列器件中的一员。MAX II CPLD系列的体系结构使其在所有CPLD系列器件的单位I/O引脚的功耗和成本最低;支持高达300 MHz的内部时钟频率,面向通用低密度逻辑应用,MAX II CPLD可替代高功耗和高成本ASSP以及标准逻辑CPLD。

  EPM240含有240个逻辑单元(LE),等效于192个宏单元;8 192 bit的用户Flash存储器,可满足用户小容量信息存储要求;最大用户I/O数为80,最快速度为4.5 ns,完全满足系统设计要求。

  4 MCU掉电数据存储

  掉电数据存储是系统设计的另一重要功能,要求高可靠性。系统在掉电时应保存光栅尺的当前位置信息,下次开机时通过调用上次掉电时保存的位置信息恢复系统。因此,掉电瞬间,掉电报警电路将迅速响应,向MCU发出报警信号;MCU检测到报警信号后,马上进行相应处理,将当时光栅尺的当前位置信息存入EEPROM。其硬件电路如图4所示。

  为了提高MCU的掉电响应速度,增强系统可靠性,系统设计采用新的增强型51单片机STC-89C516RD。该器件具有1 KB RAM和高达64 KB大容量ROM,ISP功能,指令周期有6clock和12clock两种可选模式。使用20 MHz晶体振荡器,采用6clock模式烧写时,单指令周期的程序执行时间仅为0.3μs,比普通51单片机在最高24 MHz晶体振荡器下的运行速度要快得多。因此,大大缩短了掉电数据存储程序的执行时间。

  4.1 掉电报警电路

  选用超小型高精度电压检测器S80848,内部检测电压固定为4.8 V,精度为±2%,最大响应时间为60μs。S80848采用标准5 V供电,电源正常时输出高电平;当电源电压降至4.8 V时,则输出低电平。将S80848的输出脚连接至MCU的INT0,并将MCU的INT0设置为电平触发。因此,电源电压只要低于4.8 V就会使MCU进入INT0中断,MCU在中断程序中保存位置信息。

  4.2 EEPROM选取

  当MCU对EEPROM的写操作完成后,EEP-ROM需用10 ms的最大自写入时间将信息写入存储单元。为了使用更多的时间用于EEPROM自写入,选用低压EEPROM,即AT24C64-2.7 V,其工作电压为5.5 V~2.7 V,容量为64 KB,每页为32 B,最大写入次数为1 000 000。

  4.3 掉电时间计算

  选用工作电压为4.5 V~5.5 V的STC89C516RD。当电源电压降至4.5 V以下时,MCU不能可靠工作。MCU的INT0的中断服务程序只能使用电源电压从4.8 V降至4.5 V的这段时间,所有处理必须在该段时间内完成。因此中断程序设计时应尽量考虑使其执行时间最短,中断应先将所有存储的数据存入一个数组,然后将该数组的所有元素写入AT24C64,当然该数组的元素数必须小于AT24C64一页的长度,即必须小于32 B。

  当输出电压为5 V时,最大电流为Imax=0.8 A,等效负载R=5/I=6.25 Ω,与5 V电源并联的电容C=4 700μF,则系统时间常数为τ=RC=0.029 s。设发生掉电t=0,根据公式u(t)=Vccexp(-t/τ)=5exp(-t/0.029)可知:t=1 183μs时,电源电压Vcc从5 V降至4.8 V;t=3 055μs时,Vcc降至4.5 V;t=17 869μs时,Vcc降到2.7 V。MCU的中断服务程序时间为3 055-1 183=1872μs,故大于实测中断服务程序时间1 350μs;EEPROM自写入有效时间为17 869-3 055=14 814μs,故完全满足EEPROM写入要求。

  4.4 中断服务程序

  为了避免MCU频繁写入EEPROM,使用次数超出最大有效写入次数,中断程序对中断输入引脚上的电平进行必要滤波。滤波算法为:系统进入中断程序后,首先关闭中断,然后连续10次判断INT0的电平,如果每次判断得到的电平 值都为低,则继续往下执行中断服务程序,只要有一次为高则立即退出中断服务程序。完成写入数据,要确保INT0上的低电平解除后再返回中断,否则等待,直至低电平解除。中断服务程序流程图如图5所示。

  5 结束语

  详细介绍光栅数显系统设计,采用CPLD可大大简化系统硬件设计,降低系统成本,增强系统可靠性和灵活性。选用STC89C516RD,可避免扩展外部存储器,从而简化单片机的外围电路设计。



评论

技术专区

关闭