基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统设计

1 引言

　　光栅数显系统主要用于普通机床，可直接显示机床加丁的长度值，有助于提高加工精度和效率。目前国内市场上的光栅数显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MCU+CPLD的新型光栅数显系统。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的正交脉冲，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CPLD实现正交脉冲处理逻辑电路，而可逆计数器则用于处理计数光栅尺输出的正交脉冲，CPLD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MCU一系列运算后转换为机床加工的长度值、MCU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—01一11—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—10一11一01一00循环，A路方波相位滞后B路90°。

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　　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。

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　　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：

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　　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 μmx5 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。

 　4．4 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。