基于CPLD+MCU的新型光柵數顯系統設計

Design of digital display system on raster based on MCU CPLD

摘要: 利用CPLD替代傳統專用的ASIC來采樣處理正交脈沖。利用高精度電壓檢測器配合增強型MCU實現掉電數據存儲，從而實現新型光柵數顯示系統的設計。

關鍵詞: 光柵; 正交脈沖; 掉電數據存儲; 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

光柵數顯系統主要用于普通機床，可直接顯示機床加工的長度值，有助于提高加工精度和效率。目前國內市場上的光柵數顯系統大多采用國外集成電路實現，研發成本高，且不便于操作人員使用。針對這種狀況，研發了基于MCU+CPLD的新型光柵數顯系統。該系統具有計數精度高、成本低、操作方便以及升級快等特點，能夠處理高達5 MHz／s的正交脈沖，并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 系統工作原理

利用CPLD實現正交脈沖處理邏輯電路，而可逆計數器則用于處理計數光柵尺輸出的正交脈沖，CPLD的高速并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一系列運算后轉換為機床加工的長度值，MCU再將其長度值回送至CPLD并在數碼管上顯示。

此外，CPLD還具有7×8鍵盤按鍵檢測和去抖功能，將處理后的可靠按鍵送至MCU。MCU主要用于液晶屏的顯示控制、掉電數據保存，以及復雜的數學運算。系統工作原理框圖如圖1所示。

3 正交脈沖信號采集處理

3.1 正交脈沖采集

光柵尺輸出一組正交脈沖信號，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00-01-11-10-00循環，A路方波相位超前于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00-10-11-01-00循環，A路方波相位滯后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只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，那么變化后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，那么變化后邏輯狀態肯定相同。只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沖cp。

由圖2看出，光柵尺移動一個柵距將輸出4個cp脈沖，系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，然后將兩次異或值再異或。如果最后異或值為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周期的計數脈沖cp，實現邏輯如圖3所示。

3.2 可逆計數器

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