基于TMS320F28335＋PCI的光栅纳米测量卡的设计

光栅纳米测量的精度高，动态测量范围广，可广泛应用于计量、仪器仪表、数控机床、坐标测量机、精密工作台等领域。光栅测量卡设计的关键是对光栅信号的细分处理，光栅信号细分方法主要有2种：硬件细分和软件细分。

1)硬件细分硬件细分的特点为细分速度快，实时性强；缺点是细分倍数较低，细分倍数-般都在 100倍以下。

2)软件细分软件 细 分 的特 点 为 细 分 倍 数 可 以做 的 很 高，如HEIDENHAIN的IK220细分卡其细分倍数为 4 096。国收稿 日期 ：2013-03基金项目：安徽省自然科学研究基金项目(110406O6Ml13)· 1O0 ·内标 普 公 司 生 产 的 细 分 卡 所 采 用 的 细 分 原 理 与HEIDENHAIN 的 IK220细分卡相同，即采用计数器进行光栅周期计数(或 1/4光栅周期计数)，采用 A/D对不足-个光栅周期(或不足 1/4光栅周期)信号进行采样并进行高倍数软件细分计数，两者计数值之和构成-个完整的位移测量值。

目前的光栅高倍数细分技术[1]，依然存在光栅辨向算法或辨向电路雎 ]，因而光栅测量精度 的高低与光栅所处 的测量状态密切相关。-般情况下，单向测量精度高于双向测量精度，特别是远高于需要频繁切换方向的测量精度，这都是由于光栅辨向算法或辨向电路的辨向分辨率要低于或远远低于测量分辨率所致。在工业环境的测量条件下 ，测郭言文 等：基于 TMS320F28335PCI的光栅纳米测量卡的设计 第6期量过程中存在扰动和干扰是难 以避免的，因此研究在工业环境条件下实现光栅高倍数细分以及研究基于零辨向”的光栅细分算法都是今后光栅高倍数细分研究的主要内容和发展方向。

2 细分卡硬件电路结构以TMs32OF28335为核心，通过 PCI接口芯片与计算机进行实时通信，构成细分卡的主体。由光栅副输出的正交信号经过信号调理电路后输入 DSP，经过 DSP计数、采样，实现信号细分和位移的测量，通过 PCI接口芯片与主机相连 ，读取数据 ，系统框 图如图 l所示。 。

图 1 硬件结构TMS320F28335是 IT业 界推 出 的首 款 32位的 浮点型 DSP芯片，其时钟频率高达 l50 MHz，从光栅信号采样时刻到获取测量值之间的时间间隔可减少到 1O s以内，大大减小了细分算法中浮点运算的时间，提高测量精确度 ，但是由于TMS320F28335没有专门用来存储数据的内存单元 ，因此在这里我们用双向数据存储器cH421来存储数据。

PCI接口芯片选择通用接口芯片CH365，非突发存取的实测速度可达每秒7 MB，读写脉冲的宽度从 30240 I'S可选，底层驱动开发简单，有利于系统的集成。

3 信 号调 理光栅有效的高细分倍数撒于高质量的光栅信号。直接由光栅尺传输出的信号比较微弱，达不到高倍细分的要求，因此要对光栅信号进行预处理放大，这里采用 AD620放大器，AD620具有高精度、低失调电压、低失调漂移等特性，信号调理电路图如图 2所示。

从光栅尺传输出的 3路光栅信号相位分别为 9O。、180。、270。，为了保证输出信号Asin和Acos 的幅值相等，2个放大器 的增益电阻 R。和 R 的阻值要相等。 。为偏置电压，用来使得输出信号满足 A/D采样对信号电压值的要求。

5 V图2 AD620放大电路4 光栅细分4.I 细分计数目前在光栅细分技术中的光栅计数主要采用的是组合计数方法，如图 3所示。

图 3 组合计数法在图 3中，有-个可逆计数电路存在，使得组合计数法在方向识别上的分辨率相比于其测量分辨率要低，难以实现高速度和高精度的测量。因此，这里我们采用另-种方法，增量计数法，如图4所示。

在增量计数法中，没有可逆计数器电路存在，其在方向识别上的分辨率和其测量的分辨率-样。因此，增加计数方法相比较于组合计数法而言具有更高的分辨率以及更好的方 向识别和抗干扰能力，这也是为什么选择增量计数法的原因。在图 4中运用-种新型的光栅细分算法，基于互补函数的细分算法[6。]。

· 1O1 ·第 36卷 电 子 测 量 技 术图 4 增量计数法式中：n 和b 为第i组采样的正弦信号和余弦信号的值，取其数学期望得到的 和 。。作为零位点的测量值，由 式(5)、(6)得到的测量值的不确定度为单次测量不确定度l： 的 1/ ，因而提高了零位点的精确度。

： 2)测量数据处理基于传统的细分算法设计的细分卡，需要对量化后的光栅信号先进行处理，再细分，例如三角波细分法 ，在转换为三角波信号的处理过程中存在测量误差。相对于传统的细分算法，这种新型细分算法的优点在于直接对量化后的光栅信号值进行细分处理，相比较而言比传统的细分算法精度要高。

4.2 细分算法细分信号结构如式(1)所示，A是细分信号的幅值， 是待细分的相位，0- 90。/N，N为-个象限内总的细分数。

- Asin(- i× ) (1)将式(1)变换 ，得到另-细分式(2)式，其中C ，C 分别为，1//1tg ( × )、 (i× )/1tg ( × )。

U C1× Asino- C2× Acos (2)式(2)中过零点 i的值就是我们所需要的细分值〖虑到对于式(2)可能不存在过零点的值，因此在基于式(2)的基础上建立-对互补函数式(3)、(4)，这对函数有且只含有-个细分值 ： k×Asin- k2 ×Acos9 (3) N-- klf×Acose-k2f×Asino (4)式(3)、(4)就是我们基于 TMS320F28335细分算法 的基本公式 。

4.3 数据处理数据处理分为2个部分：零位点数据处理和测量数据处理。

1)零位点数据处理零位点的测量精度直接影响着整个光栅纳米测量卡的测量精度，确保零位点的测量精度至关重要。在最初的很小的-段时间内，采样 72个数据取平均值，如式(5)、(6)：1 n E(口) ∑口l (5)， n- E(6)- ∑b (6)D - - 喜d 是测量的位移值 ，D是测量的位移值的平均值 ， 为位移测量的平均次数，在定点或在测量点，位移测量值通常只有几个 nm的波动，然而，由于电路中噪声的影响，实际位移测量值的波动经常超过数十个 nm，因此，测量数据通过式(7)的处理过程是必要的，处理过后的位移测量精度得到极大的改善。在式(7)中的测量不确定度为单次测量不确定度的 1/√ ，提高了测量精度。

5 双向存储器的设计由于 TMS320F28335没有专门用来存储数据的内存单元，因此需要外接-个存储器用来进行数据存储，这里我们选用双向数据缓 冲的接 口芯片 CH421A来连接 DSP与PCI接 口芯片，CH421A具有 X和 y 2个 8位被动并行端口，通过共享 66个字节 的双端 口数据缓冲区，实现 X端与y端之间的双向异步数据交换。由于 DSP的 I/0 口工作电压为 3.3 V，而CH421A的工作电压为5 V，两者不能直接进行数据传输，需要-个电压转化芯片作为中间桥梁，连接图如图 5所示。

DO 1Al 1B1 XD0 YD0 D0- - - J /1 、 ，1----J、- - - - - - - 1/ -- D7 lA8 lB8 XD7 YD7 D7A04 2A6 2B6 XAO YA0 A04W E0 2A2 2B2 XW R yW IOP WRr -。

22A 2B1 XRD抖 YRD IoP RD RD、 S329F28335 LVYHl6245A图 5 芯片连接CH421A 对内置的 SRAM 存储器 以及单向缓 冲区采用索引寻址方式 ，外部只有 1根地址总线 XA0或 YA0，当XA0(YA0)为低电平时：写操作指向索引 口；为高电平时 ：读操作指向索引口。

6 PCI接口及测量软件的编写本课题所设计的光栅纳米测量卡与计算机之间的数据通信是基于 PCI接口实现的。PCI总线是-种高性能局部总线，在高速数据处理中有较高的应用，但是PCI总线不能直接用来进行数据传输，需要-个接口芯片作为桥梁，选用接口芯片通用CH365，其底层的驱动函数以及动态链接库支持 VB、VC、C等高级语言 。运用 LABwindows/CVI进行软件的编写 ，直接加载 CH365的链接库，不需要重新郭言文 等：基于TMS320F28335PCI的光栅纳米测量卡的设计 第6期编写链接库，大大方便了软件的开发。

7 相关实验7.1 实验系统在大行程微纳米驱动定位 实验 中，除了定位机构的调节，怎样快速准确的为定位机构提供参数也是大行程微纳米驱动定位的关键 ，在本实验中就是运用本文所设计的测量卡为定位机构提供位移参数的，实验系统组成图和装置图如图6和图7所示，其中驱动由超声波电机驱动和双压电陶瓷定位机构图6 实验系统组成oooo5oo0o40o003000020oool00O00999999999899997999969999599 994图 7 实验系统装置驱动组成，由D/A卡提供电源，定位机构由超声波电机和双压电陶瓷组成，双压电陶瓷起到微纳米调节的作用。

7.2 实验流程图大行程微纳米驱动定位实验流程 图如图 8所示。

图 8 定位流程其中 result是工件实时位移测量值，初始时为零，destination为定位的位移值，2个位移值参数的单位都为 nm。

7.3 实验内容1)设定 destination100 000 nm，即定位工 件移动0.1 mm，在定位点光栅位移实漂曲线如图9所示。

I 14 27 4o 53 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 196 209 222 235 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 378 391时间t/lOms图 9 位移实漂曲线 1· 103 ·ⅢI 楼第36卷 电 子 测 量 技 术2)设定 destination1 000 000 nm，即定位工件移动 1 mm，在定位点光栅位移实漂曲线如图 1O所示。

lO0o004lO0oo03l0o0002lOo0oollooOO00999999999 998999997999 996999995999994l l3 25 37 49 61 73 85 97 109 l2l l33 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313时间#10ms图 1O 位移实漂曲线 2由图 9和图 1O可知在大行程微纳米定位实验中，最后工件的位移稳定的处于定位点士3 nm处，完成了纳米级定位的要求，从侧面掖映了所设计的光栅纳米测量能够快速准确的为调节机构提供位移参数，且测量分辨率达到了纳米级 。

8 结 论所设计的基于 DSPPCI的光栅纳米测量卡 ，基本上实现了光栅位移的实时检测 目标 ，同时具有较强的抗干扰能力。运用了新型细分算法，在高速度、高精度的测量设计方面迈出了很大-步 ，开发成本低 ，实用性强，容易大规模的用于实际测量中。