摘 要：介绍了一种采用正交解码计数电路HCTL-2032的位移测量仪的设计，其中的2个光栅传感器输出的信号通过硬件电路分别进行辨向和计数，再使用单片机对计数信号进行处理，能可靠对X-Y工作台在坐标X和坐标Y方向上的位移分别进行测量，该仪器的分辨率为0.5μm，精度可优于±1μm，具有工作可靠、结构简单、易于调试和扩展等特点。
关键词：HCTL-2032；单片机；光栅传感器；正交解码
X-Y工作台的位移测量仪被广泛应用在光学精密测量机器和高精度的数控机床上，位移检测的精度和稳定性对控制系统起着关键作用。使用光栅尺作为位置测量系统的传感元件，利用光栅尺输出信号为数字量，不受温度、时间的影响，抗干扰能力强，能够动态而精确地测量直线位移。本文介绍了基于HCTL-2032的位移测量仪以单片机为核心，以光栅尺为传感元件，结构简单，工作可靠，制作成本低，能够动态而高精度地测量直线位移，实现了精确定位测量。
1 仪器结构与原理
利用正交解码脉冲记数处理电路HCTL-2032与单片机STC89C52RC为核心器件的位移测量仪硬件框图如图1所示。
1.1 光栅传感器
将光源、2块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出的电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动尺与定尺的相对位移。通常使用的光栅尺输出信号为方波信号。输出方波信号的光栅尺有A相、B相和Z相3个电信号，A相与B相信号周期相同，均为W，相位差90°。Z相信号可以作为校准信号以消除累积误差。图2给出了动尺移动时，A、B信号的变化情况。正相运动时A相超前B相90°，反相运动时B相超前A相90°，根据A、B相超前与滞后，可确定正、反相运动。本文采用的是奥地利生产的MS60光栅尺，栅距W为0.5μm。
1.2正交解码脉冲计数处理电路HCTL-2032
HCTL-2032是Avago公司生产的CMOS专用集成电路，集噪声滤波、正交解码、可逆计数、总线接口于一体，可大大改善测量系统的性能[1]。HCTL-2032可接收两路（X轴、Y轴）正交编码脉冲，并且增加了接收基准信号，时钟频率达33 MHz，不仅使电路设计简单，而且提高了测量精度和处理数据的速度。
1.2.1引脚功能说明
HCTL-2032采用32引脚封装，引脚功能说明如表1所示。
1.2.2功能描述
HCTL-2032内部包括数字滤波器、正交解码逻辑、32位可逆计数器、总线接口，内部逻辑结构框图如图3所示。
HCTL-2032的输入部分包括施密特触发器与数字延迟滤波器，用于抑制混入正交信号的噪声。正交信号通过施密特触发器后，必须保持3个上升沿才能通过数字滤波器，小于1 V的低电平噪声被滤除，高电平、持续时间短的噪声脉冲通过数字滤波器时也被滤除。
HCTL-2032提供了1×、2×、4×三种可选解码方式，解码方式的选择由EN1、EN2的组合值控制，正交输入相邻跳变沿之间二者的电平状态有4种：10、11、01、00。当选择4×模式时，在一个周期内正交解码器在时钟上升沿采样4种状态进行计数，同理，当选择2×和1×模式时，在一个周期内正交解码器在时钟上升沿分别采样2种、1种状态进行计数。每监测到一次状态变化，在CNTDEC引脚输出一个宽度为半个时钟周期的正脉冲。同时给出状态转移方向信号，U/D=1，表明A相超前B相，反之B相超前A相。正交解码采集的脉冲输入32位可逆计数器，在时钟的上升沿计数，计数值送入32位锁存器。由于输出数据线只有8位，因此32位的数据需要通过改变控制线SEL1、SEL2、/OE的值分4次依次读出。
1.3 控制与显示电路
用STC89C52RC单片机作为核心控制器件，该单片机与8051兼容，具有“6时钟/机器周期”和“12时钟/机器周期”功能，可在ISP编程时反复设置，当采用“6时钟/机器周期”时，速度比普通8051快2倍。工作频率0～80 MHz，片内8 KB Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，片内512 B RAM数据存储器，3个硬件16位定时器，1个全双工异步串行口。
显示部分采用 128×64点阵液晶显示器，可以显示4×8个（16×16点阵）汉字，也可完成图形显示。
1.4 光栅尺接口电路
HCTL-2032与光栅尺的接口电路如图4所示。图中A1采用高速光电隔离器6N136，其传输信号频率达到3 MHz以上，能有效隔离X-Y工作台所产生的干扰信号进入位移测量仪。图中只给出X轴A相接口电路，其余三相接口电路类同。
1.5 仪器工作原理
位移测量仪原理图如图5所示。图中U4A、U4B、U4C构成8MHz的有源振荡电路，为HTCL-2032提供时钟信号，由于时钟信号频率要大于8倍光栅尺输出的正交脉冲频率，因此可记录的最大光栅尺输出信号频率为1 MHz，使用的光栅尺为2000线/mm，计算光栅尺的最大不漏数运动速度为0.5μm×1 MHz=0.5m/s。要提高不漏数运动速度，可提高时钟信号频率直达33 MHz。
由光栅尺输出的X轴A、B相正交脉冲由HCTL-2032的CHAX（15脚）与CHBX（14脚）输入，Y轴A、B相正交脉冲由CHAY（16脚）与CHBY（13脚）输入，经HCTL-2032的内部施密特电路整形，数字滤波器滤波，正交解码电路解码，32位二进制可逆计数器计数，32位锁存器锁存数据，由D0～D7输出。经单片机P0口输入单片机，单片机内部程序完成计算、显示及控制等功能。被测量的X轴与Y轴位移数据由单片机的P1口输出到128×64点阵液晶显示器显示。
采用MAX232串口通信芯片，实现单片机与计算机之间的通信。单片机为下位机，计算机为上位机，下位机向上位机传送的数据主要有X轴与Y轴位移信息[2-3]。
2 软件设计
软件系统设计在Keil μVision3软件下通过C语言与汇编语言混合编写，主程序采用C语言，子程序采用汇编语言，系统软件设计流程为：单片机初始化、LCD初始化，记录X轴与Y轴位移脉冲信号，分字节读取HCTL-2032数据，计算X轴与Y轴位移距离，显示X轴与Y轴位移位置，单片机与计算机之间的通信[4-5]。系统软件设计流程图如图6所示。
基于正交解码脉冲计数处理电路HCTL-2032的位移测量仪，硬件电路简单，程序编程简单和运算速度快，抗干扰能力强，能可靠对X-Y工作台在坐标X和坐标Y方向上的位移分别进行测量。测量范围由光栅传感器的长度、分辨率及HCTL-2032正交解码器内部32位可逆计数器决定，测量分辨率0.5μm，精度可优于±1μm。该位移测量系统已成功应用在激光镭射点阵制板系统中。该仪器通过扩展可作为直线运动闭环控制的测量部分。
参考文献
[1] HCTL-2032数据手册.http://cn.alldatasheet.com.2008.
[2] 江晓军，黄惠杰，王向朝.基于光栅传感器的位移测量仪的研制[J].电子测量技术，2008，31（7）：147-150.
[3] 但永平，杨雷.基于FPGA的光栅尺信号智能接口模块[J].国外电子元器件，2004（12）：4-6.
[4] 梁海峰，严一心.基于光栅传感器位移测量的软、硬件设计[J]. 现代电子技术，2003，23（5）:88-89.
[5] 徐禄勇，李尚柏.基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统设计[J].国外电子元器件，2008（5）：8-10.