基于STM32微處理器的光柵信號處理方法的研究

姜禮杰，王勇，徐健，劉建華

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥290003)

三維移動平臺是一種集光、電、機等多技術領域于一體的運動裝置，廣泛應用于醫(yī)療器械、先進制造、工業(yè)檢測、實驗設備等多個領域［1－2］。傳統(tǒng)的三維移動平臺常采用開環(huán)控制方式，根據控制器所發(fā)信息來控制運動平臺的運動，信息流是單向［3］。隨著定位精度要求的提高，這種控制方式已不能滿足人們增長的精密需求［4－6］。越來越多的平臺開始使用光柵尺進行位置和速度的檢測，以構成閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式，從而取代開環(huán)控制方式［7］。這種方式主控制器需要對光柵尺輸出信號進行濾波、鑒向、細分和計數等處理。這些處理可以由數字集成電路來完成，但這種設計方法所需芯片多，結構復雜，可靠性差［8－9］。也可以通過專用芯片 (如CPLD、FPGA等)和一些外圍電路來實現，但這種方法編程復雜，增加功耗，實時性差［10］。

傳統(tǒng)的8位或16位的單片機也很難滿足這種大數據量、復雜算法控制方式的實時性要求，隨著嵌入式技術的發(fā)展，32位單片機廣泛應用于工業(yè)自動化、智能儀器、家電產品等領域［11－12］。文中探索了一種以STM32微處理器做主控制器的光柵尺信號處理方法，實現了外部信號直接與微處理器連接，不需要其他外部邏輯接口，優(yōu)化了結構，并提高實時性。經實驗證明，該方法具有編程簡單、可靠性高、實時性好等優(yōu)點。

1 微處理器處理光柵尺信號的問題

利用STM32微處理器進行光柵信號處理雖簡單方便、實時性好，但也存在以下一些問題，限制這種使用范圍。

(1)一般光柵尺的信號輸出正弦信號或者脈沖信號，均屬于弱電信號。由于現場的電磁、噪聲、振動等干擾因素，使光柵信號帶有一些毛刺或抖動，會造成計數器計數不準，甚至無法計數的現象。也就無法實時地將工作臺運動情況反饋給控制器，因此需要對光柵尺的信號進行濾波處理。

(2)光柵信號選擇有效端口接入微處理器，微處理器設置在編碼器模式下，根據輸入有效邊沿和兩路信號的相對電平，進行向上或者向下計數。但是，微處理器的計數器位數是16位，計數只能在0～65 535范圍內進行，最大計數值65 535，低于0或超過65 553會產生溢出。計數向上產生溢出，計數器會接著向下計數;如圖1所示，假如工作臺向左運動，計數器計在點B到最大值65 535后，繼續(xù)向左運動至點C，則此時計數器值可能變成60 000;當向下計數到0溢出后，會接著向上計數，這時候直接讀取計數器的數值當做工作臺的運動位移量是不準確的。

圖1 工作臺運動圖

(3)微處理器的計數器在編碼器模式下，依據兩個輸入信號的跳變順序，硬件實時地對控制寄存器中的DIR位進行相應的設置。一般可以通過采取讀出DIR位的值，判斷工作平臺的運動方向。這種方法雖能確定工作臺的運動方向，但不能確定工作臺所處在機械原點的那個方向。如圖1所示，假設點O為機械原點，OA與OB是等距離的。開始時，工作臺處在機械原點，向右運動至點 A，計數值為50 000，DIR的值為1;然后向左運動至點C，計數器值為55 000，DIR的值為0;接著向右運動，至點B，則計數器的值也為50 000，DIR值也為1;此時，處在A、B兩點的計時器值和DIR的值都是相同的，主控制器則無法辨別工作臺到底是運動到點A還是點B。

2 光柵尺和微處理器的工作原理及其應用

2.1 光柵尺工作原理

光柵尺是一種集光、機、電為一體的高性能數字化位置測量工具。它主要由標尺光柵和指示光柵兩部分組成，二者發(fā)生移動時，在光的干涉與衍射共同作用下產生明暗相間的莫爾條紋。光電器件將明暗相間的摩爾條紋，通過光電轉化，再經過放大器放大和整形電路整形后，得到兩路相位差為90°的正弦波。后續(xù)電路對正弦信號進行濾波、插值等處理輸出脈沖信號。然后經信號處理裝置的整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。

2.2 微處理器的鑒向、計數原理

該模塊所選用的STM32是一款32位基于ARM Cortex-M3內核的微控制器。它的定時器主要由一個16位計數器和相關自動裝載寄存器組成，由可編程的預分頻器進行驅動。這個計數器可選擇編碼器模式進行向上/向下計數，如圖2所示。在編碼器模式下，將信號輸入微處理器的有效端口，根據輸入信號的跳變順序，產生計數脈沖和方向信號。當有邊沿跳變產生時，硬件對定時器的控制寄存器TIMx_CR1的DIR位進行相應的設置，DIR位會被置為0或1。當DIR位為0時，計數器自動向上計數，直至自動重裝值－1，產生一個計數器溢出事件，接著向下計數，至0，則產生一個計數器下溢事件，接著向上計數;而當DIR位為1時，計數器計數情況類似。只要有邊沿跳變產生，就會重新計算DIR位，通過讀取DIR位的數值來判斷機床運動方向。當定時器被設置在編碼器模式下，計數器的內容是依照光柵尺運動速度和方向而被實時地自動修改。

圖2 定時器在編碼器模式下計數方式

2.3 光柵尺在三維移動平臺上的應用

三維移動平臺要求定位精度高，使用光柵尺作為位置檢測器件進行反饋。主控制器根據計數器采集到的光柵尺脈沖邊沿個數計算工作臺的實際位移量，以消除系統(tǒng)的傳動鏈誤差，減小系統(tǒng)的慣性，提高定位精度。三維移動平臺三軸的行程分別為150，150和50 mm，根據移動平臺的定位精度要求，為每個軸分別選配了分辨率為:0.5、0.5和0.1 μm的光柵尺。每個軸所選絲杠的導程均為5 mm/r。經計算，一個導程光柵尺理論產生脈沖的邊沿數為10 000、10 000和50 000，而整個運動行程理論上產生的脈沖數邊沿數分別是280 000、280 000和50 000。這些值遠遠超過微處理器中計數器的最大計數值，無法準確計算平臺移動位移量，不滿足光柵尺作為位置檢測元件的要求。

3 信號處理問題的解決

3.1 信號濾波問題的處理

光柵尺信號因現場的電磁、噪聲、振動等影響，可能會使TTL信號帶有一些毛刺或抖動，造成計數器計數不準。根據信號的波形質量，可選擇通過軟件設置數字濾波器的帶寬的方式，對輸入的信號進行濾波處理。數字濾波器就是由一個事件計數器組成，它記錄到N個事件后會產生一個輸出的跳變。例如一個脈沖波形對高電平進行判斷，在某個時間段內進行若干次檢測，這若干次中至少N次都為真則為真，產生一個跳變，否則認為為假，不產生跳變。可以這樣配置輸入濾波器對輸入波形信號進行濾波處理。濾波器的濾波效果如圖3所示。

圖3 濾波器濾波效果圖

3.2 計數器的擴展與分辨位置問題的解決

采用定時查取計數器數值的方法，通過軟件編程使計數器擴展到32位，是一種簡單有效的方法。采用定時查取方式進行擴展，根據機床的運動速度和實際測量需要設定查詢周期。假定每10 ms查詢一次，設S為光柵尺移動的實際位移量，a為計數器的實時值。每隔10 ms對計數器里的值進行一次查詢，將計數器的值賦予a并清零，同時查詢控制寄存器的DIR的值。假如DIR=0時，S的值將變?yōu)镾加a的值，同時將a的值清零;如果DIR=1時，S的值將變?yōu)镾減a的值，同時將a的值清零。顯示器不斷地顯示S的值，S可為正值也可為負值。假如當S的值大于零時認為工作臺的位置處在機械原點的右邊，S的值小于零時認為機床是在機械原點左邊，S的值為零時則處于機械原點。這樣不斷地進行定時查詢直至機床停止工作。

4 信號處理方法的實現

4.1 查詢周期的選擇

主控制器對計數器的值定時進行查取和清零，查取周期的選擇是該方法的一個關鍵。查取周期是依據平臺運動最大速度和光柵尺分辨率計算所得。根據運動平臺設計要求，三軸運動最大速度為30 mm/min，定位精度控制在0.01 mm以內，三軸的光柵尺分辨率依次為0.5、0.5和0.1 μm。經計算得，在每軸上每毫秒所產生的脈沖邊沿數分別為:1個、1個和5個，對應的位移量均為0.5 μm。若要保證定位精度在0.01 mm以內，則在每個查詢周期的運動位移不超過0.01 mm，根據最大速度計算，主控制器對計數器的查詢周期要小于20 ms，否則，光柵尺不能有效地發(fā)揮反饋作用。該平臺選擇的查詢周期是10 ms。

4.2 軟件的編寫

三位移動平臺的的運動控制系統(tǒng)主要是通過C語言編程來實現的，光柵尺信號的處理，也是通過C語言配置微處理器中寄存器完成信號處理。圖4是計數器位數擴展和辨向的主要程序的流程圖。

采用上述設計方案對光柵尺信號進行處理，經過單片機定量發(fā)出PWM脈沖進行實際測試，實驗結果顯示計數器計數的個數與發(fā)出個數是一致的。另與數顯表對比結果顯示誤差在1/10 000內。通過這兩個實驗，間接地驗證了該方法計數準確。

圖4 計數器擴展算法部分流程圖

5 結論

經驗證，基于STM32微處理器的光柵信號處理方法簡單可靠、技術準確、靈活性好。滿足三位移動平臺的的定位精度要求，達到預期設計目的，同時也為其他數據采集模塊設計提供了參考。

【1】杜春梅．三維激光掃描技術的研究［D］．西安:陜西科技大學，2010．

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【6】孫中良．光柵檢測及定位控制技術的研究［D］．南京:東南大學，2005．

【7】趙從福，陳安，胡躍明．基于STM32的點對點運動控制器設計［J］．計算機測量與控制，2012，20(4):994 －995．

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