摘 要：介紹了一種采用正交解碼計數電路HCTL-2032的位移測量儀的設計，其中的2個光柵傳感器輸出的信號通過硬件電路分別進行辨向和計數，再使用單片機對計數信號進行處理，能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量，該儀器的分辨率為0.5μm，精度可優于±1μm，具有工作可靠、結構簡單、易于調試和擴展等特點。
關鍵詞：HCTL-2032；單片機；光柵傳感器；正交解碼
X-Y工作臺的位移測量儀被廣泛應用在光學精密測量機器和高精度的數控機床上，位移檢測的精度和穩定性對控制系統起著關鍵作用。使用光柵尺作為位置測量系統的傳感元件，利用光柵尺輸出信號為數字量，不受溫度、時間的影響，抗干擾能力強，能夠動態而精確地測量直線位移。本文介紹了基于HCTL-2032的位移測量儀以單片機為核心，以光柵尺為傳感元件，結構簡單，工作可靠，制作成本低，能夠動態而高精度地測量直線位移，實現了精確定位測量。
1 儀器結構與原理
利用正交解碼脈沖記數處理電路HCTL-2032與單片機STC89C52RC為核心器件的位移測量儀硬件框圖如圖1所示。
1.1 光柵傳感器
將光源、2塊長光柵（動尺和定尺）、光電檢測器件組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個柵距，輸出的電信號便變化一個周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出動尺與定尺的相對位移。通常使用的光柵尺輸出信號為方波信號。輸出方波信號的光柵尺有A相、B相和Z相3個電信號，A相與B相信號周期相同，均為W，相位差90°。Z相信號可以作為校準信號以消除累積誤差。圖2給出了動尺移動時，A、B信號的變化情況。正相運動時A相超前B相90°，反相運動時B相超前A相90°，根據A、B相超前與滯后，可確定正、反相運動。本文采用的是奧地利生產的MS60光柵尺，柵距W為0.5μm。
1.2正交解碼脈沖計數處理電路HCTL-2032
HCTL-2032是Avago公司生產的CMOS專用集成電路，集噪聲濾波、正交解碼、可逆計數、總線接口于一體，可大大改善測量系統的性能[1]。HCTL-2032可接收兩路（X軸、Y軸）正交編碼脈沖，并且增加了接收基準信號，時鐘頻率達33 MHz，不僅使電路設計簡單，而且提高了測量精度和處理數據的速度。
1.2.1引腳功能說明
HCTL-2032采用32引腳封裝，引腳功能說明如表1所示。
1.2.2功能描述
HCTL-2032內部包括數字濾波器、正交解碼邏輯、32位可逆計數器、總線接口，內部邏輯結構框圖如圖3所示。
HCTL-2032的輸入部分包括施密特觸發器與數字延遲濾波器，用于抑制混入正交信號的噪聲。正交信號通過施密特觸發器后，必須保持3個上升沿才能通過數字濾波器，小于1 V的低電平噪聲被濾除，高電平、持續時間短的噪聲脈沖通過數字濾波器時也被濾除。
HCTL-2032提供了1×、2×、4×三種可選解碼方式，解碼方式的選擇由EN1、EN2的組合值控制，正交輸入相鄰跳變沿之間二者的電平狀態有4種：10、11、01、00。當選擇4×模式時，在一個周期內正交解碼器在時鐘上升沿采樣4種狀態進行計數，同理，當選擇2×和1×模式時，在一個周期內正交解碼器在時鐘上升沿分別采樣2種、1種狀態進行計數。每監測到一次狀態變化，在CNTDEC引腳輸出一個寬度為半個時鐘周期的正脈沖。同時給出狀態轉移方向信號，U/D=1，表明A相超前B相，反之B相超前A相。正交解碼采集的脈沖輸入32位可逆計數器，在時鐘的上升沿計數，計數值送入32位鎖存器。由于輸出數據線只有8位，因此32位的數據需要通過改變控制線SEL1、SEL2、/OE的值分4次依次讀出。
1.3 控制與顯示電路
用STC89C52RC單片機作為核心控制器件，該單片機與8051兼容，具有“6時鐘/機器周期”和“12時鐘/機器周期”功能，可在ISP編程時反復設置，當采用“6時鐘/機器周期”時，速度比普通8051快2倍。工作頻率0～80 MHz，片內8 KB Flash程序存儲器，擦寫次數10萬次以上，片內512 B RAM數據存儲器，3個硬件16位定時器，1個全雙工異步串行口。
顯示部分采用 128×64點陣液晶顯示器，可以顯示4×8個（16×16點陣）漢字，也可完成圖形顯示。
1.4 光柵尺接口電路
HCTL-2032與光柵尺的接口電路如圖4所示。圖中A1采用高速光電隔離器6N136，其傳輸信號頻率達到3 MHz以上，能有效隔離X-Y工作臺所產生的干擾信號進入位移測量儀。圖中只給出X軸A相接口電路，其余三相接口電路類同。
1.5 儀器工作原理
位移測量儀原理圖如圖5所示。圖中U4A、U4B、U4C構成8MHz的有源振蕩電路，為HTCL-2032提供時鐘信號，由于時鐘信號頻率要大于8倍光柵尺輸出的正交脈沖頻率，因此可記錄的最大光柵尺輸出信號頻率為1 MHz，使用的光柵尺為2000線/mm，計算光柵尺的最大不漏數運動速度為0.5μm×1 MHz=0.5m/s。要提高不漏數運動速度，可提高時鐘信號頻率直達33 MHz。
由光柵尺輸出的X軸A、B相正交脈沖由HCTL-2032的CHAX（15腳）與CHBX（14腳）輸入，Y軸A、B相正交脈沖由CHAY（16腳）與CHBY（13腳）輸入，經HCTL-2032的內部施密特電路整形，數字濾波器濾波，正交解碼電路解碼，32位二進制可逆計數器計數，32位鎖存器鎖存數據，由D0～D7輸出。經單片機P0口輸入單片機，單片機內部程序完成計算、顯示及控制等功能。被測量的X軸與Y軸位移數據由單片機的P1口輸出到128×64點陣液晶顯示器顯示。
采用MAX232串口通信芯片，實現單片機與計算機之間的通信。單片機為下位機，計算機為上位機，下位機向上位機傳送的數據主要有X軸與Y軸位移信息[2-3]。
2 軟件設計
軟件系統設計在Keil μVision3軟件下通過C語言與匯編語言混合編寫，主程序采用C語言，子程序采用匯編語言，系統軟件設計流程為：單片機初始化、LCD初始化，記錄X軸與Y軸位移脈沖信號，分字節讀取HCTL-2032數據，計算X軸與Y軸位移距離，顯示X軸與Y軸位移位置，單片機與計算機之間的通信[4-5]。系統軟件設計流程圖如圖6所示。
基于正交解碼脈沖計數處理電路HCTL-2032的位移測量儀，硬件電路簡單，程序編程簡單和運算速度快，抗干擾能力強，能可靠對X-Y工作臺在坐標X和坐標Y方向上的位移分別進行測量。測量范圍由光柵傳感器的長度、分辨率及HCTL-2032正交解碼器內部32位可逆計數器決定，測量分辨率0.5μm，精度可優于±1μm。該位移測量系統已成功應用在激光鐳射點陣制板系統中。該儀器通過擴展可作為直線運動閉環控制的測量部分。
參考文獻
[1] HCTL-2032數據手冊.http://cn.alldatasheet.com.2008.
[2] 江曉軍，黃惠杰，王向朝.基于光柵傳感器的位移測量儀的研制[J].電子測量技術，2008，31（7）：147-150.
[3] 但永平，楊雷.基于FPGA的光柵尺信號智能接口模塊[J].國外電子元器件，2004（12）：4-6.
[4] 梁海峰，嚴一心.基于光柵傳感器位移測量的軟、硬件設計[J]. 現代電子技術，2003，23（5）:88-89.
[5] 徐祿勇，李尚柏.基于MCU+CPLD的新型光柵數顯系統設計[J].國外電子元器件，2008（5）：8-10.