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基于CPLD+MCU的新型光栅数显系统设计

时间:2018-11-09 来源:互联网 关键字:光栅   正交脉冲   掉电数据存储   CPLD   EPM240   STC89C516RD   

Design of digital display system on raster based on MCU & CPLD

本文引用地址: http://power.21ic.com//led/technical/201811/78096.html

摘要: 利用CPLD替代传统专用的ASIC来采样处理正交脉冲。利用高精度电压检测器配合增强型MCU实现掉电数据存储,从而实现新型光栅数显示系统的设计。

关键词: 光栅; 正交脉冲; 掉电数据存储; CPLD; EPM240; STC89C516RD

Abstract: The implement of sample and processing of quadrature pulse with CPLD are described in detail.The power failure data-store is realized with a high precision voltage monitor and MCU.So that a new display system on raster is design.

Keywords: raster; quadrature pulse; power failure data-store; CPLD; EPM240; STC89C516RD

1 引言

光栅数显系统主要用于普通机床,可直接显示机床加工的长度值,有助于提高加工精度和效率。目前国内市场上的光栅数显系统大多采用国外集成电路实现,研发成本高,且不便于操作人员使用。针对这种状况,研发了基于MCU+CPLD的新型光栅数显系统。该系统具有计数精度高、成本低、操作方便以及升级快等特点,能够处理高达5 MHz/s的正交脉冲,并在掉电时有效存储当前长度值,其数码管可显示关键的长度值,点阵式液晶屏还可显示相关的提示信息。

2 系统工作原理

利用CPLD实现正交脉冲处理逻辑电路,而可逆计数器则用于处理计数光栅尺输出的正交脉冲,CPLD的高速并行处理能力可保证光栅尺输出信号无遗漏采样,从而确保计数的可靠性。可逆计数器的值通过MCU一系列运算后转换为机床加工的长度值,MCU再将其长度值回送至CPLD并在数码管上显示。

此外,CPLD还具有7×8键盘按键检测和去抖功能,将处理后的可靠按键送至MCU。MCU主要用于液晶屏的显示控制、掉电数据保存,以及复杂的数学运算。系统工作原理框图如图1所示。

3 正交脉冲信号采集处理

3.1 正交脉冲采集

光栅尺输出一组正交脉冲信号,即相位差为90°的两路方波,如图2所示。当光栅尺正向移动一个栅距时,光栅尺输出一个00-01-11-10-00循环,A路方波相位超前于B路90°;当光栅尺反向移动一个栅距时,光栅传感器输出一个00-10-11-01-00循环,A路方波相位滞后B路90°。

分析A,B两路方波的逻辑状态发现A,B两路方波在任意时刻下只有一路信号发生逻辑状态变化。如果在逻辑状态变化前A,B两路的状态相同,那么变化后的逻辑状态肯定相异;如果变化前A,B两路方波逻辑状态相异,那么变化后逻辑状态肯定相同。只需对这两路信号异或,就能提取光栅尺运动的方向信号updown以及与运动距离成正比的计数脉冲cp。

由图2看出,光栅尺移动一个栅距将输出4个cp脉冲,系统测量的最小分辨率提高至1/4栅距,通常称为四裂相或四倍频。CPLD在每个clk的上升沿检测A,B两路方波的状态,首先分别对当前检测的状态A0,B0和上次检测的状态A1,B1相异或,然后将两次异或值再异或。如果最后异或值为1,则说明A,B两路方波发生变化,则向可逆计数器输入一个高电平宽度为1个clk周期的计数脉冲cp,实现逻辑如图3所示。

3.2 可逆计数器

将提取的方向信号updown和计数脉冲cp输入至可逆计数器,实现对光栅尺输出的正交脉冲计数。可逆计数器模块的VHDL程序如下:

3.3 clk的取值

由于CPLD的采样时钟clk必须大于8倍光栅尺输出的正交脉冲,因此系统不会丢失信号。该系统设计使用40 MHz有源晶体振荡器作为CPLD的采样时钟源,可记录的最大光栅传感器输出信号频率为5 MHz。如果使用50线/mm的光栅尺,经过CPLD的四裂相细分后,计算该光栅尺接该系统的最大不漏数加工速度为20 μm×5 MHz=100 m/s,最小分辨率为5μm。远远超出机床运行的极限速度,完全满足实际需求。

3.4 EPM240简介

选用Altera公司的 EPM240作为CPLD,EPM240是MAX II系列器件中的一员。MAX II CPLD系列的体系结构使其在所有CPLD系列器件的单位I/O引脚的功耗和成本最低;支持高达300 MHz的内部时钟频率,面向通用低密度逻辑应用,MAX II CPLD可替代高功耗和高成本ASSP以及标准逻辑CPLD。

EPM240含有240个逻辑单元(LE),等效于192个宏单元;8 192 bit的用户Flash存储器,可满足用户小容量信息存储要求;最大用户I/O数为80,最快速度为4.5 ns,完全满足系统设计要求。

4 MCU掉电数据存储

掉电数据存储是系统设计的另一重要功能,要求高可靠性。系统在掉电时应保存光栅尺的当前位置信息,下次开机时通过调用上次掉电时保存的位置信息恢复系统。因此,掉电瞬间,掉电报警电路将迅速响应,向MCU发出报警信号;MCU检测到报警信号后,马上进行相应处理,将当时光栅尺的当前位置信息存入EEPROM。其硬件电路如图4所示。

为了提高MCU的掉电响应速度,增强系统可靠性,系统设计采用新的增强型51单片机STC-89C516RD。该器件具有1 KB RAM和高达64 KB大容量ROM,ISP功能,指令周期有6clock和12clock两种可选模式。使用20 MHz晶体振荡器,采用6clock模式烧写时,单指令周期的程序执行时间仅为0.3μs,比普通51单片机在最高24 MHz晶体振荡器下的运行速度要快得多。因此,大大缩短了掉电数据存储程序的执行时间。

4.1 掉电报警电路

选用超小型高精度电压检测器S80848,内部检测电压固定为4.8 V,精度为±2%,最大响应时间为60μs。S80848采用标准5 V供电,电源正常时输出高电平;当电源电压降至4.8 V时,则输出低电平。将S80848的输出脚连接至MCU的INT0,并将MCU的INT0设置为电平触发。因此,电源电压只要低于4.8 V就会使MCU进入INT0中断,MCU在中断程序中保存位置信息。

4.2 EEPROM选取

当MCU对EEPROM的写操作完成后,EEP-ROM需用10 ms的最大自写入时间将信息写入存储单元。为了使用更多的时间用于EEPROM自写入,选用低压EEPROM,即AT24C64-2.7 V,其工作电压为5.5 V~2.7 V,容量为64 KB,每页为32 B,最大写入次数为1 000 000。

4.3 掉电时间计算

选用工作电压为4.5 V~5.5 V的STC89C516RD。当电源电压降至4.5 V以下时,MCU不能可靠工作。MCU的INT0的中断服务程序只能使用电源电压从4.8 V降至4.5 V的这段时间,所有处理必须在该段时间内完成。因此中断程序设计时应尽量考虑使其执行时间最短,中断应先将所有存储的数据存入一个数组,然后将该数组的所有元素写入AT24C64,当然该数组的元素数必须小于AT24C64一页的长度,即必须小于32 B。

当输出电压为5 V时,最大电流为Imax=0.8 A,等效负载R=5/I=6.25 Ω,与5 V电源并联的电容C=4 700μF,则系统时间常数为τ=RC=0.029 s。设发生掉电t=0,根据公式u(t)=Vccexp(-t/τ)=5exp(-t/0.029)可知:t=1 183μs时,电源电压Vcc从5 V降至4.8 V;t=3 055μs时,Vcc降至4.5 V;t=17 869μs时,Vcc降到2.7 V。MCU的中断服务程序时间为3 055-1 183=1872μs,故大于实测中断服务程序时间1 350μs;EEPROM自写入有效时间为17 869-3 055=14 814μs,故完全满足EEPROM写入要求。

4.4 中断服务程序

为了避免MCU频繁写入EEPROM,使用次数超出最大有效写入次数,中断程序对中断输入引脚上的电平进行必要滤波。滤波算法为:系统进入中断程序后,首先关闭中断,然后连续10次判断INT0的电平,如果每次判断得到的电平 值都为低,则继续往下执行中断服务程序,只要有一次为高则立即退出中断服务程序。完成写入数据,要确保INT0上的低电平解除后再返回中断,否则等待,直至低电平解除。中断服务程序流程图如图5所示。

5 结束语

详细介绍光栅数显系统设计,采用CPLD可大大简化系统硬件设计,降低系统成本,增强系统可靠性和灵活性。选用STC89C516RD,可避免扩展外部存储器,从而简化单片机的外围电路设计。

参考文献

[1]凌 睿,高富强. 基于CPLD的光栅尺位移测量系统[J].自动化与仪器仪表,2005(1):40-42.
[2]Altera.Behavioral Counter[DB/OL].http://www.altera.com.cn/support/examples/vhdl/v_counters.html,2006.
[3]Altera.MAXII器件简介[DB/OL]. http://www.altera.com.cn/products/devices/cpld/max2/mx2-index.jsp,2007.
[4]宏晶科技. STC89C156RD Datasheet[DB/OL].http://www.mcu-memory.com/datasheet/stc/STC89C51-?? MCU.pdf, 2006.
[5]Seiko Instrument. S-808 Series Datasheet[DB/OL].http://www.beejo.co.kr/imge/pdf/s808-e.pdf,2006.

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