光栅传感器接口卡设计方案

基于USB的光栅传感器计数接口卡本方案采用一基于USB的光栅传感器计数接口卡，是一种连接光栅传感器和PC计算机的专用接口，对光栅传感器输出的正交方波信号进行辨向、细分和可逆计数，并可提供绝对零位标志和过零计数、过零保持等功能。并采用USB总线实现光栅传感器信号处理电路和计算机之间的通讯。⑴光栅尺①光栅结构和测量原理计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，由光源、主光栅、指示光栅、光电原件三大部分组成。直线光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般安装在机床活动部件上，光栅读数头安装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。测量时，把标尺光栅与被测量对象相联结，使之随其一起运动，光源通过聚光镜后，透过标尺光栅和指示光栅形成忽明忽暗的莫尔条纹(光信号)，光敏元件把光信号转换成电信号。②光栅尺信号光栅尺输出两信号：一种是相位差90的2路方波信号；另种是相位差90的2路正弦信号。本系统采用的光栅尺输出两路正交的TTL方波信号和复位信号。正交方波信号用来获得光栅尺的位移以及运动方向，复位信号处在光栅尺中部，用于计数清零。如下图所示，方波输出的光栅尺输出的两路电信号A相和B相，A相信号为主信号，B相信号为副信号，两个信号周期相同，相位差90.A、B相信号每经过一个周期的变化，光栅尺有栅距W的位移，通过对电信号脉冲周期计数，就可以测量出总位移。A、B两个信号的超前或滞后的相位关系决定了光栅尺的位移信号。③增量式光栅尺：光栅尺安装：用橡胶条将光栅尺固定在铝壳中，易于安装，允许的安装公差大材质：精选浮法玻璃，非抛光栅距：0.01mm标准测量长度：50mm至520mm电源：+5V±5%，最大100mA输出信号：幅值为1V左右的方波信号连接方式：直接连接适当NC系统或数显装置注：光栅尺应适合用于恶劣环境，外壳上的密封条可有效隔离冷却液和污染物；信号质量对时间和温度不敏感；支持高速运动。⑵光栅尺传感器计数接口卡USB接口模块UFC430硬件黑色氧化铝外壳，可平面安装或壁挂安装UFC430尺寸为200x100x25mm（安装面外边界）安全等级IP30最高工作温度+40°C外部电源插座一个USB接口插座（B型）高密度版有3个15针Sub-D孔式接头，可连接3路编码器输入高密度版有1个15针Sub-D针式接头，可多连接1路IO电源外部电源+12V(6V-16V)无负载功率消耗（约1W)5V±5%编码器电源最大为300mAUSB接口USB接口，2.0版技术参数编码器接口3路增量式信号，支持正弦或方波编码器信号正弦信号接口1Vpp（0.5-1.3Vpp）最大200kHz信号细分倍数20至400TTL接口（RS422线路驱动）最大输入频率500kHz输入为1倍频，2倍频或4倍频的线路驱动后正交方波信号每个编码器通道1路32bit计数器带负载和锁存寄存器每通道2路开关轨信号IO接口4路TTL输出，级联多个UFC计数卡8路TTL输入，用于级联多个UFC计数卡为外部锁存信号计数值锁存逻辑•由软件、光栅尺参考点或外部信号对各通道分别异步锁存•由软件、定时器或外部信号对多通道同步锁存•级联多个扩展卡输出信号；软件同步或定时器同步可编程计数器工作模式•三个计数器通道（每个32bits）带一路负载和两个锁存寄存器•实现对光栅尺方波信号的1倍频、2倍频或4倍频光栅尺方波计数•带方向事件计数器和清除输入值•集成测量脉冲宽度、频率和速度的定时器。PC计算机总线•PCI接口，5V，32-bit，2x60针脚•目标接口（无源）符合2.1版技术规格•+5V时电流消耗约0.5A，不带光栅尺•光栅尺电源：+5V或+12V，由PCI供电（电流消耗与所用光栅尺型号有关）计数器接口（X1）•9路RS422或TTL输入，3个方波输出信号和参考点信号的光栅尺•最大输入频率5MHz差分信号（RS422标准的线路驱动器）2MHz，信号端信号•可识别边沿间距最大至80ns•一路TTL输入信号连接监测信号•各光栅尺独立供电I/O接口（X2）•6路输入（3至30V）用于参考脉冲抑制信号或用于异步锁存信号•1路输入（3至30V）用于多通道同步锁存信号•一路级联多个接口卡的输出信号（TTL）软件•用于Windows95/98/ME和NT的DLL（动态链接库）•用于Windows95/98/ME的VxD驱动程序•用于WindowsNT的系统驱动程序•测试和演示软件及示例程序机械结构和环境•尺寸（电路板）约120x92mm宽=单槽•最高允许的环境温度+40°C•一个D-sub孔式接头，25针，连接计数器输入•一个D-sub孔式接头，9针，连接I/O信号,保存计数器值①光栅尺信号处理电路该部分电路主要完成对光栅尺输出的两路相位差90的正弦信号进行数字滤波、正交解码、计数等工作。光栅尺的输出信号是两路相位差90的正弦信号。根据正交解码信号之间相位的超前与滞后关系，把正交信号转换为另外两路信号，分别为代表正交信号任一路脉冲数的脉冲序列以及代表正交信号相位关系的控制信号。它们分别送到可逆计数器的计数输入端和加/减控制端。根据可逆计数器的计数值可获得测量系统所需要的位移等测量结果。②USB接口电路USB芯片内部的固件指的是固化在USB控制器MCU中的程序，主要功能是负责接收和处理主机发给设备的各种请求，并向主机返回设备的状态信息。基于USB的光栅接口卡硬件：光栅信号的细分、辨向和计数等处理电路，USB接口电路。基于USB的光栅接口卡软件：USB芯片正常工作所需的固件程序；接口卡的驱动程序，USB设备与PC机进行通讯；用来测试系统功能的基于C++Builder的应用程序。⒈GPD与应用程序的接口对用户来说，所有的应用程序都是通过I/O控制来访问EZ-USBFX2GPD的。用户的应用程序首先通过调用Win32函数CreatFile来取得设备驱动程序的句柄。然后，用户程序使用Win32函数DeviceIoControl函数来提交I/O控制码。用户只需像操作文件一样来操作设备。在Windows中，应用程序实现与WDM通信的过程是：应用程序先用CreatFile函数打开设备，然后用DeviceIoControl和WDM进行通信，包括从WDM中读数据和写数据给WDM两种情况，也可用ReadFile从WDM中读数据或用WriteFile写数据给WDM。当应用程序退出时，用CloseHandle关闭设备。这将产生对应于此设备对象的相应IRP。这种关系如下表所示：⒉当把USB光栅尺接口卡查到计算机的USB接口上，计算机显示器界面出现安装驱动程序向导，弹出找到新的硬件向导对话框，按照提示安装驱动程序，驱动程序安装完成后，计算机的设备管理器就会出现基于USB的光栅传感器接口卡硬件图标。当于光栅尺相连之后就可以进行光栅数据采集了。