一種激光跟蹤測量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種激光跟蹤測量裝置，包含：激光干涉儀、角錐棱鏡、偏振分光棱鏡、分光棱鏡、干涉濾光片、光電位置傳感器、信號處理板、跟蹤控制板、跟蹤轉(zhuǎn)鏡、伺服電機(jī)和貓眼逆反射鏡；所述激光干涉儀的光路經(jīng)偏振分光棱鏡分為兩路：基準(zhǔn)光路和測量光路；在所述基準(zhǔn)光路上設(shè)置角錐棱鏡，基準(zhǔn)光路上的光束經(jīng)角錐棱鏡反射后沿原光路返回；所述測量光路上依次設(shè)置分光棱鏡、跟蹤轉(zhuǎn)鏡和貓眼逆反射鏡；所述分光棱鏡的另一輸出光路上設(shè)置一干涉濾光片，且干涉濾光片將返回的測量光路信號輸入至光電位置傳感器，該光電位置傳感器將信號依次輸入信號處理板和跟蹤控制板進(jìn)行處理，跟蹤控制板將信號輸入伺服電機(jī)，進(jìn)一步控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡的翻轉(zhuǎn)。
【專利說明】一種激光跟蹤測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光測量裝置，具體涉及一種激光跟蹤測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種激光跟蹤測量裝置，適用于大尺寸的跟蹤測量。例如：飛機(jī)形 面的測量、車身尺寸的檢測、地鐵列車的檢測等領(lǐng)域。
[0003] 激光跟蹤測量系統(tǒng)一般由激光干涉儀、跟蹤頭、控制器、上位機(jī)、反射靶鏡及測量 附件等部分組成。激光跟蹤測量系統(tǒng)可僅采用長度量或采用長度量結(jié)合角度量，通過計(jì)算 得到空間被測點(diǎn)的三維位置坐標(biāo)。長度量由激光干涉儀得到的長度變動量和基準(zhǔn)長度量推 導(dǎo)得出，角度量由編碼器或光柵尺得出。
[0004] 根據(jù)測量原理和跟蹤機(jī)構(gòu)的數(shù)量分類，激光跟蹤測量系統(tǒng)可分為：基于球坐標(biāo)法 的激光跟蹤測量系統(tǒng)（單站式）、基于三角法的激光跟蹤測量系統(tǒng)（雙站式）和基于多邊法 的激光跟蹤測量系統(tǒng)（多站式）三大類。
[0005] 激光跟蹤裝置在國外技術(shù)相對成熟，API、Leica、FAR0等這些世界上的知名公司和 研究機(jī)構(gòu)都花費(fèi)了大量人力和財(cái)力研究激光跟蹤測量系統(tǒng)，且早有成型產(chǎn)品投入市場，在 許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重大作用。
[0006] 雖然激光跟蹤裝置在我國得到了廣泛應(yīng)用，但我國與激光跟蹤裝置的研究起步較 晚，市面上尚未發(fā)現(xiàn)有成型產(chǎn)品出現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于，為克服上述問題，本實(shí)用新型提供一種激光跟蹤測量裝置。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種激光跟蹤測量裝置，包含：激光干涉儀 1，所述的激光測量裝置還包含：角錐棱鏡、偏振分光棱鏡、分光棱鏡、干涉濾光片、光電位置 傳感器2、信號處理板3、跟蹤控制板4、跟蹤轉(zhuǎn)鏡7、伺服電機(jī)5和貓眼逆反射鏡6 ;
[0009] 所述激光干涉儀1的光路經(jīng)偏振分光棱鏡分為兩路：基準(zhǔn)光路和測量光路；在所 述基準(zhǔn)光路上設(shè)置角錐棱鏡，基準(zhǔn)光路上的光束經(jīng)角錐棱鏡反射后沿原光路返回；所述測 量光路上依次設(shè)置分光棱鏡、跟蹤轉(zhuǎn)鏡7和貓眼逆反射鏡6,測量光路上的光束經(jīng)貓眼逆反 射鏡6反射至跟蹤轉(zhuǎn)鏡7,再經(jīng)跟蹤轉(zhuǎn)鏡7反射至分光棱鏡分為兩路，一路經(jīng)分光棱鏡投射 后沿原光路返回至激光干涉儀1中，并與基準(zhǔn)光路上的光束匯合；
[0010] 所述分光棱鏡的另一輸出光路上設(shè)置一干涉濾光片，且干涉濾光片將返回的測量 光路信號輸入至光電位置傳感器2,光電位置傳感器2的輸出端依次與信號處理板和跟蹤 控制板相連接，跟蹤控制板的輸出端又與伺服電機(jī)5相連，所述伺服電機(jī)5依據(jù)跟蹤控制板 的輸出信號進(jìn)一步控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡7的翻轉(zhuǎn)。
[0011] 可選的，上述的信號處理板3包含依次串聯(lián)連接的：I/V轉(zhuǎn)換單元、電壓放大單元、 單端轉(zhuǎn)差分單元、A/D轉(zhuǎn)換單元和第一處理單元；
[0012] 其中，所述I/V轉(zhuǎn)換單元的輸入端與光電位置傳感器2的輸出端相連；所述第一處 理單元基于FPGA實(shí)現(xiàn)，包含AD9238信號讀入單元、求和單元與平均單元和輸出端，該輸出 端作為信號處理板的輸出端且與跟蹤控制板4的輸入端相連。
[0013] 可選的，上述的跟蹤控制板4進(jìn)一步包含：
[0014] DSP芯片11，該DSP芯片11的輸入端與所述信號處理板的輸出端相連，且該DSP 芯片11與第二處理單元10相連實(shí)現(xiàn)雙向的并行數(shù)據(jù)傳輸；
[0015] 所述第二處理單元10基于FPGA實(shí)現(xiàn)，包含：光柵信號計(jì)數(shù)與辨向單元和并行轉(zhuǎn)串 行單元，第二處理單元10的六組輸出端分別與第一單端轉(zhuǎn)差分單元23、第一 D/A轉(zhuǎn)換單元 24、第二單端轉(zhuǎn)差分單元37、第二D/A轉(zhuǎn)換單元38、第一驅(qū)動器8和第二驅(qū)動器40相連；
[0016] 所述第一單端轉(zhuǎn)差分單元23和第一 D/A轉(zhuǎn)換單元24的輸出端與第一驅(qū)動器8相 連；
[0017] 所述第二單端轉(zhuǎn)差分單元37和第二D/A轉(zhuǎn)換單元38的輸出端與第二驅(qū)動器40 相連；
[0018] 所述第一驅(qū)動器8的輸出端與第一伺服電機(jī)5相連；
[0019] 所述第二驅(qū)動器40的輸出端與第二伺服電機(jī)39相連；
[0020] 第一伺服電機(jī)5和第二伺服電機(jī)39的主軸分別與控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡7旋轉(zhuǎn)的偏擺軸 和俯仰軸同軸；且安裝在第一伺服電機(jī)5和第二伺服電機(jī)39上的光柵尺讀數(shù)頭的輸出端分 別與第一差分轉(zhuǎn)單端單元23和第二差分轉(zhuǎn)單端單元36的輸入端相連，且第一差分轉(zhuǎn)單端 單元22和第二差分轉(zhuǎn)單端單元36的輸出端與所述第二處理單元10的輸入端相連。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于：
[0022] 本實(shí)用新型主要解決技術(shù)問題有三：①模擬器件的信號傳輸干擾大和溫漂特性所 帶來的測量誤差。②純軟件方法在多路測量和實(shí)時(shí)控制方面的不便。③單片機(jī)作核心處理 芯片時(shí)的運(yùn)算速度低、跟蹤速度慢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明提供的激光跟蹤測量裝置系統(tǒng)框圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明提供的系統(tǒng)控制方案整體框圖；
[0025] 圖3_a為本發(fā)明提供的信號處理板框圖；
[0026] 圖3_b為本發(fā)明提供的PSD信號轉(zhuǎn)換放大電路；
[0027] 圖3-c為本發(fā)明提供的A/D轉(zhuǎn)換電路；
[0028] 圖3-d為本發(fā)明提供的FPGA的I/O接口電路；
[0029] 圖3-e為本發(fā)明提供的FPGA的配置電路；
[0030] 圖3-f為本發(fā)明提供的信號采集板電源電路；
[0031] 圖4-a為本發(fā)明提供的DSP的I/O接口電路；
[0032] 圖4-b為本發(fā)明提供的DSP的配置電路；
[0033] 圖4-c為本發(fā)明提供的光柵信號處理電路；
[0034] 圖4-d為本發(fā)明提供的FPGA的I/O接口電路；
[0035] 圖4-e為本發(fā)明提供的FPGA的配置電路；
[0036] 圖4-f為本發(fā)明提供的D/A轉(zhuǎn)換電路；
[0037] 圖4_g為本發(fā)明提供的光耦隔離電路；
[0038] 圖4_h為本發(fā)明提供的跟蹤控制板電源電路；
[0039] 圖4_i為本發(fā)明提供的網(wǎng)口通訊電路；
[0040] 圖5為本發(fā)明提供的DSP接線圖。
[0041] 附圖標(biāo)識：
[0042] 1、激光干涉儀； 2、光電位置傳感器（PSD);
[0043] 3、信號處理板； 4、跟蹤控制板；
[0044] 5、第一伺服電機(jī)； 6、貓眼逆反射鏡；
[0045] 7、跟蹤轉(zhuǎn)鏡； 8、第一驅(qū)動器；
[0046] 9、第一光柵尺； 10、第二處理單元；
[0047] 11、DSP 芯片； 12、上位機(jī)；
[0048] 13、信號采集與預(yù)處理單元； 14、第一處理單元；
[0049] 15、第一 I/V轉(zhuǎn)換單元； 16、第一電壓放大單元；
[0050] 17、單端轉(zhuǎn)差分單元； 18、A/D轉(zhuǎn)換單元；
[0051] 19、第一處理單元配置芯片； 20、信號處理板3. 3V轉(zhuǎn)1. 2V單元；
[0052] 21、信號處理板5V轉(zhuǎn)3. 3V單元；
[0053] 22、光柵尺信號的差分轉(zhuǎn)單端單元（即：第一差分轉(zhuǎn)單端單元）；
[0054] 23、第一單端轉(zhuǎn)差分單元； 24、第一 D/A轉(zhuǎn)換單元；
[0055] 25、DSP存儲芯片； 26、DSP配置芯片；
[0056] 27、第二處理單元配置芯片； 28、D/A基本轉(zhuǎn)換單元；
[0057] 29、第一 I/V轉(zhuǎn)換單元； 30、第二電壓放大單元；
[0058] 31、電壓跟隨單元； 32、光耦隔離芯片；
[0059] 33、跟蹤控制板5V轉(zhuǎn)3. 3V及3. 3V轉(zhuǎn)1. 8V單元；
[0060] 34、跟蹤控制板 3. 3V 轉(zhuǎn) 1. 2V 單元； 35、CP2200 ;
[0061] 36、第二差分轉(zhuǎn)單端單元； 37、第二單端轉(zhuǎn)差分單元；
[0062] 38、第二D/A轉(zhuǎn)換單元； 39、第二伺服電機(jī)；
[0063] 40、第二驅(qū)動器； 41、第二光柵尺。

【具體實(shí)施方式】
[0064] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明所述方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0065] 圖1為本發(fā)明提供的激光跟蹤測量裝置系統(tǒng)框圖。激光干涉儀和貓眼逆反射鏡為 獨(dú)立元件，其余部件全部置于激光跟蹤測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。
[0066] 激光跟蹤測量裝置包含：激光干涉儀、角錐棱鏡、偏振分光棱鏡、分光棱鏡、干涉濾 光片、光電位置傳感器（PSD)、信號處理板、跟蹤控制板、跟蹤轉(zhuǎn)鏡、伺服電機(jī)和貓眼逆反射 鏡。
[0067] 激光干涉儀的光路經(jīng)偏振分光棱鏡分為兩路：基準(zhǔn)光路和測量光路?；鶞?zhǔn)光路上 設(shè)置角錐棱鏡；測量光路上依次設(shè)置分光棱鏡、跟蹤轉(zhuǎn)鏡和貓眼逆反射鏡；分光棱鏡的另 一輸出光路上設(shè)置一干涉濾光片和光電位移傳感器PSD。
[0068] 測量時(shí)，由激光干涉儀發(fā)出測量光束，貓眼逆反射鏡沿被測物體表面移動進(jìn)行測 量。當(dāng)貓眼逆反射鏡移動時(shí)，測量光束經(jīng)貓眼逆反射鏡反射至跟蹤轉(zhuǎn)鏡，經(jīng)跟蹤轉(zhuǎn)鏡反射后 沿原光路返回至分光棱鏡后分為兩路，一路返回至激光干涉儀中與基準(zhǔn)光束匯合，實(shí)現(xiàn)空 間三維坐標(biāo)中長度量的測量；另一路經(jīng)干涉濾光片被PSD采集后，再經(jīng)信號處理板和跟蹤 控制板處理輸出給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動跟蹤轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動，從而改變激光干涉儀測量光束 的方向，使測量光束重新回到原來的平衡位置，即始終對準(zhǔn)貓眼逆反射鏡的中心，此時(shí)信號 采集處理電路輸出信號為零，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，由光柵尺測出跟蹤轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的俯仰角和 偏擺角兩個(gè)角度量，綜合激光干涉儀測得的長度量，從而達(dá)到對空間三維坐標(biāo)的跟蹤測量。 [0069] 圖2為本發(fā)明提供的系統(tǒng)控制方案整體框圖。所述信號處理板包含：光電位置傳 感器PSD、信號采集與預(yù)處理單元和第一處理單元；所述跟蹤控制板包含：DSP芯片、第二處 理單元、光柵信號處理單元（包含單端轉(zhuǎn)差分單元與差分轉(zhuǎn)單端單元）、D/A轉(zhuǎn)換單元。光 柵尺、伺服電機(jī)和驅(qū)動器為獨(dú)立器件，光柵尺安裝在伺服電機(jī)的主軸上。
[0070] 本發(fā)明技術(shù)方案的完整內(nèi)容
[0071] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：由DSP和兩片F(xiàn)PGA為主要處理 芯片構(gòu)建激光跟蹤測量裝置的硬件電路。具體可分為信號處理板和跟蹤控制板。
[0072] 1信號處理板
[0073] 信號處理板用來處理PSD輸出的光電流信號，最終輸出兩路與光斑重心位置二維 坐標(biāo)相對應(yīng)的數(shù)字電壓信號，分別表不PSD上入射光斑在水平和垂直兩個(gè)方向上的位置偏 移量。
[0074] 圖3_a為本發(fā)明提供的信號處理板的框圖，所述信號處理板主要由以下四個(gè)部分 組成：PSD信號轉(zhuǎn)換放大單元（包括第一 I/V轉(zhuǎn)換單元、第一電壓放大單元和單端轉(zhuǎn)差分單 元）、A/D轉(zhuǎn)換單元、第一處理單元和電源單元。
[0075] 1. 1PSD信號轉(zhuǎn)換放大單元
[0076] 圖3-b為本發(fā)明提供的PSD信號轉(zhuǎn)換放大電路。設(shè)計(jì)時(shí)有兩個(gè)主要的問題需要注 意：1)PSD的輸出電流很小，只有μ A級，I/V轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)需達(dá)到上萬倍才可以。2) PSD的四路光電流信號都要被檢測，且必須保持高度的放大倍數(shù)一致性。
[0077] 本實(shí)用新型選用了 ADI公司生產(chǎn)的AD820,它的失調(diào)電壓在25°C時(shí)的典型值為 0. 4mV，失調(diào)電壓溫度漂移最大為2 μ V/°C，輸入偏置電流在25°C時(shí)最大為25pA，電壓噪聲 在100Hz處為21nV/10Hz。放大電路采用了 T型反饋網(wǎng)絡(luò)代替運(yùn)算放大器的反饋電阻，小阻 值達(dá)到大倍數(shù)，且四路轉(zhuǎn)換放大電路可保持高度的放大倍數(shù)一致性，可獲取最大的信噪比 (SNR)，調(diào)高了電路的靈敏度和精度。
[0078] PSD信號轉(zhuǎn)換放大單元的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換單元的輸入端，本實(shí)用新型采用 AD9238作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，由于它的輸入信號為差分信號，因此在電壓信號進(jìn)入AD9238之 前，需先將其轉(zhuǎn)換為差分信號，本實(shí)用新型采用AD8138作為單端轉(zhuǎn)差分芯片。
[0079] 1. 2A/D轉(zhuǎn)換單元
[0080] 圖3-c為本發(fā)明提供的A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0081] 本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換芯片采用2片12位高精度的AD9238-20,工作電壓為3. 3V， 采樣速率最高可達(dá)20MHz，采用差分輸入，12位數(shù)字信號輸出（AD轉(zhuǎn)換精度為：2VA212)= 0· 4883mV)。設(shè)置AD9238-20的SENCE腳（第9腳）接地，VREF被設(shè)置為IV，器件采用內(nèi)部 參考，使得輸入信號范圍為2Vp-p，即輸入電壓范圍為±1V，但實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，PSD輸出光 電流信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換放大后全部為正電壓，所以只需將輸入電壓調(diào)整為0-1V即可。
[0082] 1· 3第一處理單元
[0083] 第一處理單元基于FPGA實(shí)現(xiàn)，本實(shí)用新型采用的FPGA是ALTERA公司的 EP2C8T144C8N。
[0084] 圖3-d為本發(fā)明提供的FPGA的I/O接口電路；FPGA在接線上除了電源、時(shí)鐘以外， 主要是2個(gè)AD9238芯片的48位數(shù)字信號輸入，DSP的地址、數(shù)據(jù)、控制總線，F(xiàn)PGA的配置電 路和JTAG下載。
[0085] 圖3-e為本發(fā)明提供的FPGA的配置電路。FPGA采用主動串行模式（AS)，選用 ALTERA公司生產(chǎn)的EPCS4作為配置芯片，使用4線接口和EPCS4進(jìn)行通信，包括串行時(shí)鐘線 (DCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出（DATA)、串行數(shù)據(jù)輸入（ASDI)和片選（nCS)。
[0086] 1. 4電源單元
[0087] 圖3-f為本發(fā)明提供的信號處理板電源電路。信號處理板需使用12V、3. 3V和1. 2V 三種電壓。系統(tǒng)可外接12V和5V的穩(wěn)壓電源。12V供運(yùn)算放大器使用；AD9238電源電壓和 FPGA的I/O 口電壓均為3. 3V，可由5V穩(wěn)壓電源經(jīng)芯片MIC29306BU轉(zhuǎn)換得到；FPGA的內(nèi)核 電壓為1. 2V，可由3. 3V經(jīng)芯片LTC3406轉(zhuǎn)換得到。
[0088] 2跟蹤控制板
[0089] 因激光跟蹤測量裝置是個(gè)隨動系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)檢測俯仰軸電機(jī)和偏擺軸電機(jī)轉(zhuǎn)過 的角度作為反饋量進(jìn)行控制，系統(tǒng)配備了 2個(gè)英國雷尼紹（Renishaw)RESR圓光柵和4個(gè) RGH20讀數(shù)頭，每個(gè)電機(jī)主軸上安裝一個(gè)圓光柵和2個(gè)讀數(shù)頭。
[0090] 圖2可顯現(xiàn)出本發(fā)明提供的跟蹤控制板的框圖。跟蹤控制板主要由以下七部分組 成：CPU處理單元、光柵信號處理單元、第二處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、電源單元、時(shí)鐘單元和 網(wǎng)口通訊單元。
[0091] 2.1CPU處理單元
[0092] 本實(shí)用新型選用TMS320F2812作為控制芯片，DSP內(nèi)核電壓1. 8V，接口電壓3. 3V。 時(shí)鐘采用外接晶體提供30M時(shí)鐘，內(nèi)部經(jīng)PLL倍頻得到系統(tǒng)時(shí)鐘120MHz。
[0093] 圖4-a為本發(fā)明提供的DSP的I/O接口電路。外置的SRAM存儲芯片 (IS61LV51216)、第一處理單元、第二處理單元和網(wǎng)口芯片（CP2200)共用地址總線和數(shù)據(jù) 總線。此外，還有DSP輸出給第二處理單元的讀、寫、片選及時(shí)鐘信號。
[0094] 圖5為本發(fā)明提供的DSP接線圖，集中體現(xiàn)了 DSP與第一處理單元、第二處理單元 和CP2200三者之間的連接關(guān)系。
[0095] 圖4-b為本發(fā)明提供的DSP的配置電路。采用大小為1K的EEPR0M(AT93C46)來 存儲DSP的配置信息。TMS320F2812的PW7?PW10引腳分別與AT93C46的D0、DI、SK和CS 引腳相連。TMS320F2812用以實(shí)現(xiàn)兩方面功能：①與第一處理單元和第二處理單元進(jìn)行并 行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)現(xiàn)跟蹤測量；②與上位機(jī)通訊，綜合長度變化量，實(shí)時(shí)顯示被測 點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。
[0096] 2. 2光柵信號處理單元
[0097] 圖4-c為本發(fā)明提供的光柵信號處理單元，包括光柵尺信號的差分轉(zhuǎn)單端與單端 轉(zhuǎn)差分單元兩部分。
[0098] 光柵信號的硬件電路部分主要是指與FPGA的接口電路，光柵尺的4個(gè)讀數(shù)頭共輸 出24路差分信號。在接入FPGA之前，需要將光柵尺輸出的差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，本實(shí) 用新型采用AM26LS32A⑶芯片實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端功能及電壓匹配（5V轉(zhuǎn)3. 3V)。信號在FPGA 中處理完成后，再經(jīng)芯片AM26LS31A⑶單端轉(zhuǎn)差分后方可傳送給電機(jī)驅(qū)動器。
[0099] 2. 3第二處理單元
[0100] 第二處理單元基于FPGA實(shí)現(xiàn)，本實(shí)用新型采用的FPGA是ALTERA公司的 EP2C8T144C8N。FPGA時(shí)鐘由DSP提供，經(jīng)DSP的系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，頻率為60MHz。第二處 理單元主要是用來實(shí)現(xiàn)信號的中轉(zhuǎn)（即并行轉(zhuǎn)串行）、對光柵尺信號的計(jì)數(shù)與辨向處理以 及給電機(jī)提供一些控制信號。
[0101] 圖4-d為本發(fā)明提供的FPGA的I/O接口電路。在接線上，除了電源和時(shí)鐘以外， 主要是4個(gè)光柵尺讀數(shù)頭、2個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動器、2個(gè)D/A芯片和與DSP通訊的地址、數(shù)據(jù)、 控制總線。
[0102] 圖4-g為本發(fā)明提供的光耦隔離電路。在FPGA和電機(jī)驅(qū)動器之間加上光耦隔離 芯片（TLP281-4)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換（3. 3V轉(zhuǎn)5V)及保護(hù)FPGA的功能，上拉電阻阻值為1K。
[0103] 圖4-e為本發(fā)明提供的FPGA的配置電路。配置方式采用主動串行模式（AS)，配 置芯片選用 EPCS4, FPGA 的 DATA0、DCLK、nCS0、ASD0 引腳分別與 EPCS4 的 DATA、DCLK、nCS、 ASDI引腳相連。
[0104] 2.4D/A轉(zhuǎn)換單元
[0105] 圖4-f為本發(fā)明提供的D/A轉(zhuǎn)換單元，包括D/A基本轉(zhuǎn)換單元、第二I/V轉(zhuǎn)換單元、 第二電壓放大單元和電壓跟隨單元四部分。本實(shí)用新型選用TI公司生產(chǎn)的DAC8811，采集 時(shí)鐘由第二處理單元編程提供，芯片工作在3. 3V，D/A芯片的SDI引腳上輸入的數(shù)據(jù)即為 DSP處理后經(jīng)FPGA并行轉(zhuǎn)串行輸出的可被電機(jī)驅(qū)動器識別的代碼值，經(jīng)轉(zhuǎn)換成為控制電機(jī) 的模擬電壓值。
[0106] 2. 5電源單元
[0107] 圖4-h為本發(fā)明提供的跟蹤控制板電源電路。主要有12V、-12V、5V、3. 3V、1.8V、 1.2V等幾種電壓。采用12V和-12V給D/A轉(zhuǎn)換單元供電，5V電壓給電機(jī)驅(qū)動器接口和光 柵尺接口供電，3. 3V電壓給DSP、FPGA和CP2200的外圍接口供電，DSP內(nèi)核電壓為1.8V， FPGA內(nèi)核電壓為L 2V。本實(shí)用新型選用MIC49150BMM實(shí)現(xiàn)了 3. 3V轉(zhuǎn)L 2V，將TPS75733和 TPS76818Q組合使用，實(shí)現(xiàn)了 5V轉(zhuǎn)3. 3V和3. 3V轉(zhuǎn)1. 8V。
[0108] 2. 6時(shí)鐘單元
[0109] 圖4-a所示DSP的I/O接口電路中可看到時(shí)鐘電路的連接方式。DSP由外接晶體 提供30MHz時(shí)鐘，使用X1/XCLKIN和X2引腳將晶體與TMSF2812芯片連接起來，XPLLDIS 引腳懸空，PLL使能，通過給PLLCR寄存器寫入一個(gè)值"η"來實(shí)現(xiàn)。設(shè)置η = 8,則系統(tǒng)時(shí) 鐘頻率SYSCLK0UT為120MHz。頻率為60MHz的XCLK0UT由DSP輸出給第二處理單元使用， CP2200和D/A芯片的時(shí)鐘都是在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)分頻輸出提供。
[0110] 2. 7網(wǎng)口通訊單元
[0111] 圖4-i為本發(fā)明提供的網(wǎng)口通訊電路。本實(shí)用新型選用芯片CP2200為DSP增加 以太網(wǎng)通信功能，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。外接兩個(gè)LED指示網(wǎng)絡(luò)連接和活動狀態(tài)。時(shí)鐘由 FPGA提供。
[0112] 本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果
[0113] 除PSD光電流信號的I/V轉(zhuǎn)換和信號放大采用模擬電路外，其余硬件電路全部采 用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，可以完成數(shù)據(jù)采集處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、電機(jī)控制等，系統(tǒng)小巧靈活，上位 機(jī)只用來實(shí)時(shí)顯示被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，因而避免了利用上位機(jī)傳遞控制信號實(shí)時(shí)性差的問 題，同時(shí)也避免了模擬器件的信號傳輸干擾大和溫漂特性所帶來的測量誤差。
[0114] 最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1. 一種激光跟蹤測量裝置，包含：激光干涉儀（1)，其特征在于，所述的激光測量裝置 還包含：角錐棱鏡、偏振分光棱鏡、分光棱鏡、干涉濾光片、光電位置傳感器（2)、信號處理 板（3)、跟蹤控制板（4)、跟蹤轉(zhuǎn)鏡（7)、伺服電機(jī)（5)和貓眼逆反射鏡（6); 所述激光干涉儀（1)的光路經(jīng)偏振分光棱鏡分為兩路：基準(zhǔn)光路和測量光路；在所述 基準(zhǔn)光路上設(shè)置角錐棱鏡，基準(zhǔn)光路上的光束經(jīng)角錐棱鏡反射后沿原光路返回；所述測量 光路上依次設(shè)置分光棱鏡、跟蹤轉(zhuǎn)鏡（7)和貓眼逆反射鏡（6)，測量光路上的光束經(jīng)貓眼逆 反射鏡（6)反射至跟蹤轉(zhuǎn)鏡（7)，再經(jīng)跟蹤轉(zhuǎn)鏡（7)反射至分光棱鏡分為兩路，一路經(jīng)分光 棱鏡透射后沿原光路返回至激光干涉儀（1)中，并與基準(zhǔn)光路上的光束匯合； 所述分光棱鏡的另一輸出光路上設(shè)置一干涉濾光片，且干涉濾光片將返回的測量光路 信號輸入至光電位置傳感器（2)，光電位置傳感器（2)的輸出端依次與信號處理板（3)和跟 蹤控制板（4)相連接，跟蹤控制板（4)的輸出端又與伺服電機(jī)（5)相連，所述伺服電機(jī)（5) 依據(jù)跟蹤控制板（4)的輸出信號進(jìn)一步控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡（7)的翻轉(zhuǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跟蹤測量裝置，其特征在于，所述的信號處理板（3)用于 處理光電位置傳感器輸出的光電流信號，最終輸出兩路與光斑重心位置二維坐標(biāo)相對應(yīng)的 數(shù)字電壓信號，分別表示光電位置傳感器上入射光斑在水平和垂直兩個(gè)方向上的位置偏移 量； 所述信號處理板（3)包含依次串聯(lián)連接的：I/V轉(zhuǎn)換單元、電壓放大單元、單端轉(zhuǎn)差分 單元、A/D轉(zhuǎn)換單元和第一處理單元； 其中，所述I/V轉(zhuǎn)換單元的輸入端與光電位置傳感器（2)的輸出端相連；所述第一處理 單元基于FPGA實(shí)現(xiàn)，包含AD9238信號讀入單元、求和單元與平均單元和輸出端，該輸出端 作為信號處理板的輸出端且與跟蹤控制板（4)的輸入端相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跟蹤測量裝置，其特征在于，所述的跟蹤控制板（4)進(jìn)一 步包含： DSP芯片（11)，該DSP芯片（11)的輸入端與所述信號處理板的輸出端相連，且該DSP 芯片（11)與第二處理單元（10)相連實(shí)現(xiàn)雙向的并行數(shù)據(jù)傳輸； 所述第二處理單元（10)基于FPGA實(shí)現(xiàn)，包含：光柵信號計(jì)數(shù)辨向單元和并行轉(zhuǎn)串行單 元，所述第二處理單元（10)的六組輸出端分別與第一單端轉(zhuǎn)差分單元（23)、第一 D/A轉(zhuǎn)換 單元（24)、第二單端轉(zhuǎn)差分單元（37)、第二D/A轉(zhuǎn)換單元（38)、第一驅(qū)動器（8)和第二驅(qū)動 器（40)相連； 所述第一單端轉(zhuǎn)差分單元（23)和第一 D/A轉(zhuǎn)換單元（24)的輸出端與第一驅(qū)動器（8) 相連； 所述第二單端轉(zhuǎn)差分單元（37)和第二D/A轉(zhuǎn)換單元（38)的輸出端與第二驅(qū)動器（40) 相連； 所述第一驅(qū)動器（8)的輸出端與第一伺服電機(jī)（5)相連； 所述第二驅(qū)動器（40)的輸出端與第二伺服電機(jī)（39)相連； 第一伺服電機(jī)（5)和第二伺服電機(jī)（39)的主軸分別與控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡（7)旋轉(zhuǎn)的偏擺 軸和俯仰軸同軸；且安裝在第一伺服電機(jī)（5)和第二伺服電機(jī)（39)上的光柵尺讀數(shù)頭的輸 出端分別與第一差分轉(zhuǎn)單端單元（22)和第二差分轉(zhuǎn)單端單元（36)的輸入端相連，且第一 差分轉(zhuǎn)單端單元（22)和第二差分轉(zhuǎn)單端單元（36)的輸出端與所述第二處理單元（10)的
【文檔編號】G01B11/00GK203908500SQ201420272132
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】安久伏, 魏麗, 孟憲慧, 趙晨光 申請人:唐山學(xué)院