1 引言

　　 光(guang)柵(zha)數(shu)顯(xian)係(xi)統(tong)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)普(pu)通(tong)機(ji)床(chuang)

，可(ke)直(zhi)接(jie)顯(xian)示(shi)機(ji)床(chuang)加(jia)丁(ding)的(de)長(chang)度(du)值(zhi)，有(you)助(zhu)於(yu)提(ti)高(gao)加(jia)工(gong)精(jing)度(du)和(he)效(xiao)率(lv)。目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)光(guang)柵(zha)數(shu)顯(xian)係(xi)統(tong)大(da)多(duo)采(cai)用(yong)國(guo)外(wai)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)實(shi)現(xian)，研(yan)發(fa)成(cheng)本(ben)高(gao)，且(qie)不(bu)便(bian)於(yu)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)使(shi)用(yong)。

　　 針對這種狀況，研發了基於MCU+CPLD的新型光柵數顯係統。該係統具有計數精度高
、成本低、操作方便以及升級快等特點
，能夠處理高達5 MHz／s的正交脈衝，並在掉電時有效存儲當前長度值，其數碼管可顯示關鍵的長度值，點陣式液晶屏還可顯示相關的提示信息。

　　 2 係統工作原理

　　 利用CPLD實現正交脈衝處理邏輯電路，而可逆計數器則用於處理計數光柵尺輸出的正交脈衝，CPLD的高速並行處理能力可保證光柵尺輸出信號無遺漏采樣
，從而確保計數的可靠性。可逆計數器的值通過MCU一係列運算後轉換為機床加工的長度值、MCU再將其長度值回送至CPLD並在數碼管上顯示。

　　 此外，CPLD還具有7×8鍵盤按鍵檢測和去抖功能
，將處理後的可靠按鍵送至MCU。MCU主要用於液晶屏的顯示控製、掉電數據保存，以及複雜的數學運算。

　　3 正交脈衝信號采集處理

　　 3．1 正交脈衝采集

　　 光柵尺輸出一組正交脈衝信號，即相位差為90°的兩路方波
，如圖2所示。當光柵尺正向移動一個柵距時
，光柵尺輸出一個00―01一11―10―00循環，A路方波相位超前於B路90°；當光柵尺反向移動一個柵距時，光柵傳感器輸出一個00―10一11一01一00循環，A路方波相位滯後B路90°。

　　 分析A
，B兩路方波的邏輯狀態發現A


，B兩路方波在任意時刻下隻有一路信號發生邏輯狀態變化。如果在邏輯狀態變化前A
，B兩路的狀態相同，那麼變化後的邏輯狀態肯定相異
；如果變化前A
，B兩路方波邏輯狀態相異

，那麼變化後邏輯狀態肯定相同。隻需對這兩路信號異或，就能提取光柵尺運動的方向信號updown以及與運動距離成正比的計數脈衝cp。光柵尺移動一個柵距將輸出4個cp脈衝，係統測量的最小分辨率提高至1／4柵距
，通常稱為四裂相或四倍頻。CPLD在每個clk的上升沿檢測A
，B兩路方波的狀態
，首先分別對當前檢測的狀態A0，B0和上次檢測的狀態A1，B1相異或
，然後將兩次異或值再異或。如果最後異或值為1，則說明A，B兩路方波發生變化，則向可逆計數器輸入一個高電平寬度為1個clk周期的計數脈衝cp
，

　　3．2 可逆計數器

　　 將提取的方向信號updown和計數脈衝cp輸入至可逆計數器，實現對光柵尺輸出的正交脈衝計數。可逆計數器模塊的VHDL程序如下：

　　 3．3 clk的取值

　　 由於CPLD的采樣時鍾clk必須大於8倍光柵尺輸出的正交脈衝，因此係統不會丟失信號。該係統設計使用40 MHz有源晶體振蕩器作為CPLD的采樣時鍾源，可記錄的最大光柵傳感器輸出信號頻率為5 MHz。如果使用50線／mm的光柵尺，經過CPLD的四裂相細分後
，計算該光柵尺接該係統的最大不漏數加工速度為20 μmx5 MHz=100 m／s，最小分辨率為5μm。遠遠超出機床運行的極限速度，完全滿足實際需求。

　　 3．4 EPM240簡介

　　 選用Altera公司的EPM240作為CPLD，EPM240是MAX Ⅱ係列器件中的一員。MAX Ⅱ CPLD係列的體係結構使其在所有CPLD係列器件的單位I／O引腳的功耗和成本最低；支持高達300 MHz的內部時鍾頻率，麵向通用低密度邏輯應用，MAX Ⅱ CPLD可替代高功耗和高成本 ASSP 以及標準邏輯CPLD。

　　 EPM240含有240個邏輯單元(LE)
，等效於192個宏單元；8 192 bit的用戶Flash存儲器
，可滿足用戶小容量信息存儲要求：最大用戶I／O數為80，最快速度為

　　 4．5 ns，完全滿足係統設計要求。

　　 4 MCU掉電數據存儲

　　掉(diao)電(dian)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)是(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)另(ling)一(yi)重(zhong)要(yao)功(gong)能(neng)
，要(yao)求(qiu)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)。係(xi)統(tong)在(zai)掉(diao)電(dian)時(shi)應(ying)保(bao)存(cun)光(guang)柵(zha)尺(chi)的(de)當(dang)前(qian)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)
，下(xia)次(ci)開(kai)機(ji)時(shi)通(tong)過(guo)調(tiao)用(yong)上(shang)次(ci)掉(diao)電(dian)時(shi)保(bao)存(cun)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)恢(hui)複(fu)係(xi)統(tong)。因(yin)此(ci)，掉(diao)電(dian)瞬(shun)間(jian)，掉(diao)電(dian)報(bao)警(jing)電(dian)路(lu)將(jiang)迅(xun)速(su)響(xiang)應(ying)．向MCU_ 發出報警信號；MCU檢測到報警信號後，馬上進行相應處理
，將當時光柵尺的當前位置信息存入EEPROM。

　　為了提高MCU的掉電響應速度
，增強係統可靠性，係統設計采用新的增強型51單片機STC-89C516RD。該器件具有1 KB RAM和高達64 KB大容量ROM，ISP 功能，指令周期有6clock和12clock兩種可選模式。使用20 MHz晶體振蕩器，采用6clock模式燒寫時，單指令周期的程序執行時問僅為0．3μs

，比普通51單片機在最高24 MHz晶體振蕩器下的運行速度要快得多。因此
，大大縮短了掉電數據存儲程序的執行時間。

　　 4．1 掉電報警電路

　　 選用超小型高精度電壓檢測器S80848
，內部檢測電壓固定為4．8 V，精度為±2％，最大響應時間為60μs。S80848采用標準5 V供電，電源正常時輸出高電平
；當電源電壓降至4．8 V時，則輸出低電平。將S80848的輸出腳連接至MCU 的INT0，並將MCU的INT0設置為電平觸發。因此，電源電壓隻要低於4．8 V就會使MCU進入INT0中斷，MCU在中斷程序中保存位置信息。

　　 4．2 EEPROM選取

　　 當MCU對EEPROM的寫操作完成後，EEP-ROM需用10 ms的最大自寫入時間將信息寫入存儲單元。為了使用更多的時間用於EEPROM自寫入，選用低壓EEPROM，即AT24C64―2．7 V

，其工作電壓為5．5 V～2．7 V
，容量為64 KB，每頁為32 B，最大寫入次數為1 000 000 。

　　 4．3 掉電時間計算

　　 選用工作電壓為4．5 V～5．5 V的STC89C516RD，當電源電壓降至4．5 V以下時，MCU不能可靠工作。MCU的INT0的中斷服務程序隻能使用電源電壓從4．8 V降至4．5 V的de這zhe段duan時shi間jian


，所suo有you處chu理li必bi須xu在zai該gai段duan時shi間jian內nei完wan成cheng。因yin此ci中zhong斷duan程cheng序xu設she計ji時shi應ying盡jin量liang考kao慮lv使shi其qi執zhi行xing時shi間jian最zui短duan，中zhong斷duan應ying先xian將jiang所suo有you存cun儲chu的de數shu據ju存cun入ru一yi個ge數shu組zu
，然ran後hou將jiang該gai數shu組zu的de所suo有you元yuan素su寫xie入ruAT24C64
，當然該數組的元素數必須小於AT24C64一頁的長度．即必須小於32 B。

　　 當輸出電壓為5 V時，最大電流為，Imax=0．8 A，等效負載R=5／I=6．25 Ω，與5 V電源並聯的電容C=4700μF，則係統時間常數為丁：τ=RC=0．029 s。設發生掉電t=0，根據公式u(t)=Vcc exp(一t/τ)=5 exp(一t／0．029)可知：t=1 183 μs時
，電源電壓Vcc從5 V降至4．8 V；t=3 055μs時，Vcc降至4．5 V
；t=17 869μs時，Vcc降到2．7 V。MCU的中斷服務程序時間為3 055-1 183=1872μs，故大於實測中斷服務程序時間1 350μs
；EEPROM自寫入有效時間為17 869-3 055=14 814μs，故完全滿足EEPROM寫入要求。

　　 4．4 中斷服務程序

　　 為了避免MCU頻繁寫入EEPROM


，使用次數超出最大有效寫入次數。中斷程序對中斷輸入引腳上的電平進行必要濾波。濾波算法為：係統進入中斷程序後
，首先關閉中斷，然後連續10次判斷INT0的(de)電(dian)平(ping)，如(ru)果(guo)每(mei)次(ci)判(pan)斷(duan)得(de)到(dao)的(de)電(dian)平(ping)值(zhi)都(dou)為(wei)低(di)，則(ze)繼(ji)續(xu)往(wang)下(xia)執(zhi)行(xing)中(zhong)斷(duan)服(fu)務(wu)程(cheng)序(xu)
，隻(zhi)要(yao)有(you)一(yi)次(ci)為(wei)高(gao)則(ze)立(li)即(ji)退(tui)出(chu)中(zhong)斷(duan)服(fu)務(wu)程(cheng)序(xu)。完(wan)成(cheng)寫(xie)入(ru)數(shu)據(ju)，要(yao)確(que)保(bao)INT0上的低電平解除後再返回中斷
，否則等待，直至低電平解除。中斷服務程序流程圖如圖5所示。

　　 5 結束語

　　 詳細介紹光柵數顯係統設計，采用CPLD可大大簡化係統硬件設計，降低係統成本
，增強係統可靠性和靈活性。選用STC89C516RD

，可避免擴展外部存儲器，從而簡化單片機的外圍電路設計。