激光干涉仪课程设计报告

一种高分辨率双频激光干涉仪设计 08测控（1）班 B08340114 李上锦 指导老师：陈本永教授 2双频激光干涉仪技术现状与国内外概况 6总体方案设计 6总体框图 6双频激光干涉测量系统组成 9测量电路设计 91）初级光电转换 92）初级调理电路 103）差分转换和放大电路 114）波形转换电路 125）细分电路 146）同步器电路 157) 连续计数模块 178）显示电路 19系统电路总图(部分连线使用网络标号) 20软件设计 201)first piece： 202)second piece： 25总结与展望 25系统最大的特点及优势 25误差分析与补偿 25综述 26经验总结 27参考文献 双频激光干涉仪技术现状与国内外概况 激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，随着现代科技的不断进步，激光技术已渐渐地被人们所接受和认同。随着激光干涉测量技术日渐成熟，激光的应用领域也已十分广泛，几乎涉及到当今科技的各个方面。尤其是在激光加工、激光测量、军事上的应用更是显现出极大的优势与潜力。 激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展。激光干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。激光干涉仪有单频的和双频的两种，单频的是在20世纪60年代中期出现的，最初用于检定基准线纹尺，后又用于在计量室中精密测长。而双频激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚，更为广泛的应用于工业生产和科学研究中。 双频激光干涉仪是七十年代初期由美国HP公司首先推出的，至八十年代中期十几年时间内几乎垄断了世界市场。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制，是激光在计量领域中最成功的应用之一，也是工业中最具权威的长度测量仪器。 双频激光干涉仪是目前精度最高、量程最大的长度计量仪器，可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。双频激光干涉仪以其良好的性能、在很多场合，特别是在大长度与大位移的精密测量中得到广泛应用。 八十年代后期，一些先进工业国家也相继推出了各具特色的双频激光干涉仪器，从而在国际市场出现了群芳争艳的局面。目前国外生产激光干涉仪的公司有美国的Agilent (前身为HP) 、ZYGO、光动、德国的耶拿尔（JENAer）、英国的Renishaw 等公司。 耶拿尔（JENAer）公司ZLM700双频激光干涉仪使用氦氖激光器，采用双频外差式工作模式。激光稳频精度为±0.002ppm，640MHz的频差用于信号处理。这种高频处理信号能够对高速物体进行测量，不会出现干扰误差，信号延时时间极短。采用光纤电缆，把来自干涉镜的信号传输到计算机卡槽连接的电子计数器上，避免了外部电磁环境对测量信号的干扰。因此，ZLM700双频激光干涉仪（ZLM700长度测量应用的光路图如图1所示）特别适用于恶劣的生产环境、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化实验室和高真空环境。 图1-ZLM700长度测量应用的光路图 表1[1] ZLM700主要参数 型号：ZLM700 使用高性能数据处理器AE950 PCI He-Ne激光平均波长： 632.8 nm 激光稳频精度： 一小时2x10-9（±0.002ppm） 寿命内2x10-8（±0.02ppm） 系统精度（0-40℃时）： ±0.4ppm 线性测量距离： 40m，可扩展为120m 直线度测量范围： ± 5mm，2m或10m行程， 选用角度干涉仪可测30m行程 最大速度： 4m/s，可选16m/s 80rad/s，角速度 最高采样频率： 内部1MHz，外部40MHz 直线度测量分辨率： 36nm，10m行程 7.25nm，2m行程 直线度测量精度： ±0.5%实测值，2m行程 ± 2.5%实测值，10m行程 工作环境： 温度：15°C-30°C 湿度：<90%无冷凝 我国对干涉仪产品早已重视，从七十年代中期开始研制双频激光干涉仪，至今已有30-40年的历史。由于当时国内He—Ne激光器生产尚未成熟，全内腔稳频激光器也无生产厂家，所以各单位都从开发激光器着手，并在七十年代后期都相继试制出双频激光干涉仪。但由于激光器工艺不过关，激光器的寿命短，影响了仪器的推广使用。八十年代中后期，由于热稳频技术的日趋成熟，利用普通高寿命激光器作为干涉仪光源成为可能，提供了一条解决激光器寿命的途径。 目前我国的双频激光干涉仪主要产品是成都工具研究所有限公司研制的MJS系列激光干涉仪（图2），该产品采用了进口激光器和热稳频技术，根据纵向塞曼效应产生激光束。电路细分采用了独特的锁相倍频和相位测量技术， 功能基本与HP5528A相似，同时根据国内实际情况，增加了一些控制、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 功能。 图2-MJS系列激光干涉仪 测量技术在不断的发展，更新换代。作为高精密测量仪器，双频激光干涉仪向着高精度、高分辨率、高测速等方向发展[2]。 1.高精度 目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm，并正向0.18μm过渡，2009年的预测线宽是0.07μm。如果定位要求占线宽的1/3，那么就要求10nm量级的精度，而且晶片尺寸还在增大，达到300mm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10的-8次方，相应的激光稳频精度应该是10的-9次方数量级。 2.高分辨率 仅依靠光学系统，普通干涉仪的只能达到半波长的分辨率，即0. 1μm 量级，目前的干涉仪产品通过电子细分的方法提高测量分辨率，可达到纳米级精度。 3．高速度 制造业的发展迫切需要解决高速加工过程中运动目标的精密测量和定位，目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上，上世纪80年代以前开发研制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国Renishaw所占领，其原因是后者的速度达到了1m/sec。 总体而言，我国干涉仪由于基础薄弱，发展较为缓慢。另外，我国仪器科技发展存在以下问题：(1)由于长期习惯于仿制国外产品，我国的仪器仪表工业缺乏创新能力，跟不上科学研究和工程建设的需要。(2)我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果，许多成果处于国际领先水平，有待筛选、提高和转化，但产业化程度很低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。很长时期内，不乏在基础研究取得突破性进展，却尚缺乏一个有效的转化机制以进入市场，这在很大程度上制约了我国制造行业的技术革新和创造力，也是我国现阶段未能跻身世界先进水平的症结所在。 随着科学技术的成熟，生产工艺的进步，加工精度的细化，对测量工具也提出了更高的要求。例如，随着航空航天、重型机械、发电设备、船舶工业的发展，对大尺寸测量的要求越来越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸达到十几米甚至几十米，精度要求达到IT7以上。目前实际应用的测量手段仍以外径千分尺、内径测杆等传统测量工具为主，已经远远不能满足需求。而激光技术的快速发展为大尺寸精密测量开拓了崭新的领域，然而目前我国使用的双频激光干涉仪主要由美国ＨＰ公司进口，虽然国外双频激光干涉仪产品繁多且各具特点，足以满足生产需求，但其售价却十分昂贵。据统计，我国每年需引进ＨＰ公司双频激光干涉仪10余台，1988年每台价格约为5万美元，耗费大量的财力，同时也不利于国内的技术发展。从表2足以看出我国的在这一领域与国外先进水平的差距，也为了实现高分辨率、高精度、高测速的目标，亟须进一步深入拓宽，加强研究，争取早日研制出具有自主知识产权的仪器，缩小与世界先进水平的差距，任重而道远。 表2[3] 目前国内外干涉仪产品技术指标对比 Agilent Renishaw ZYGO 成都工具所 激光头 单/双频 双频 单频 双频 双频 产生双频方法 塞曼效应 / 声光调制 塞曼效应 塞曼效应 最大频差（MHz） 4 / 20 3.65 1.2 最高测速（mm/s） 1000 1000 5100 500 300 数据电路板 最高测速下分辨率（nm） 1.24 1.24 0.31 1.24 20 最高测速下测量范围（m） 40 80 40 40 20 总体方案设计 总体框图 双频激光干涉测量系统组成 双频激光干涉测量系统主要由光路和电路两大部分组成。 1）光路硬件部分由氦氖激光器、扩束镜、检偏器、光电接收元件、干涉镜等组成。 光路部分构成如图3所示： 图3-双频激光干涉仪光路示意图 激光器的选择： 氦氖激光的优点是很容易实现高稳定性的连续波输出，成本较低，故激光器的选择0.6328微米红光激光器[4]。 干涉镜的选择： 在双频激光测量系统的实际应用中，运动精度要极高，因此采用了平面反射镜干涉仪，R1和R2为定镜，动镜M为高精度平面反射镜，Q1和Q2为1/4波片，Q1后表面镀有高反射膜，同时作为干涉仪的定镜。Q1的后表面和R2反射动臂和定臂光束，利用P光和S光的相互转化实现动臂光束的四次反射，达到光学八细分。采用上述平面反射镜时，测量光束光程变化为反射镜位移变化的8倍，与一般的双频干涉测量仪相比，精度提高了4倍。 2）软硬件模块 双频激光干涉测距系统后续信号处理包括硬件和软件两部分。硬件部分由氦氖激光器、扩束镜、光电接收元件及信号处理电路、单片机系统等组成；软件部分包括软件细分、运算处理、显示等。 如图4所示，后续测量子系统由光电转换、放大整形、电子细分、连续计数、单片机、数码管显示等部分组成。 图4-双频激光干涉测距系统硬件模块 硬件电路的主要功能是将图3中通过检偏器的两路信号(参考光信号和测量光信号)经各自光电转换器转换成后续电路可以处理电信号；然后将电信号放大整形，再进行细分处理，来控制测量分辨力；最后对细分后的两路信号进行连续计数并有辨向功能，实时求出两路信号的差值，送入单片机进行当量换算（乘 1/8激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。 3）双频激光干涉仪原理 ： 双频激光干涉仪仍采用麦克尔逊干涉光路，即激光束经分光后分别经参考臂、测量臂，回到分光镜并发生干涉。与普通单频干涉仪不同的是双频激光是由频率不同、偏振方向各异的两个分量组成。 双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上。在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应，激光器产生f1和f2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，它们的频率差大约是1.5MHz左右。经 1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光，再经分光镜分为两路。从平行光管出来的这束光经过析光镜反射出一路作为参考光束通过45°放置的检偏器。并由马吕斯定律可知，两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影，形成新的线偏振光（参考光束）并产生拍频。这个拍频频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f1-f2），约为1.5MHz。经光电元件接受进入前置放大器和计算机。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束，另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时，含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片 2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。 4）双频激光干涉仪的测量原理： 当反射镜随被测对象一起移动时，产生的多普勒效应使得f1发生变化。从干涉镜射出并被测量光接收器接收到的光频分别为f1±4Δf-f2和f1-f2。 通过与参考光接收器获得的参考信号相比较，可得到f1的频率变化Δf，该变化量包含了被测对象的运动信息。在激光干涉仪中，测量光束的光程变化为测量反射镜位移的8倍，多普勒效应可用下式表示: ； （1） 式中：c为光速，v为测量反射镜移动速度，f1为光频。 上式对时间积分可得到反射镜移动的距离L： ； （2） 式中：λ1为测量时刻激光的波长。 因为频差的时间积分为累积的干涉条纹个数N(或与被测长度相对应的脉冲数)，所以上式可以化为： ； （3） N为干涉条纹明暗变化次数； 以上即为双频激光干涉仪的测量原理。 测量电路设计 1）初级光电转换 初级光电转换电路将双频激光干涉信号由光信号转变为电信号。光电转换器件选择的标准有： 响应速度要快:两个椭圆偏振光的频率差范围在几百kHz到几MHz。所以要求光电探测器要有很高的响应速度和足够宽的带宽，即要求光电探测器尽可能没有失真或小的失真地将接收得到的光脉冲信号转变为电脉冲信号。 噪声要小:光电探测器在微弱的光信号条件下工作，光电探测器在光电转换过程中所引入的噪声大小直接影响到系统的性能。从光电探测器光电转换输出的信号的功率与噪声功率之比，即信噪比来分析，要求光电探测器输出的噪声越小越好，而信噪比则越大越好。 温度稳定性好:温度变化对光电探测器件影响很大，温度稳定性直接影响到测量结果。 要与输出激光波长相对应:不同的波长光电探测器的响应度不同，所以要选一种对本课题所研究的拍频信号响应度高的器件，使测量效果更明显。根据光电转换器件的不同特点和性能，最终选择PIN管作为产品的元件。 2）初级调理电路 (1) 初级放大电路 由光电管输出的信号为微弱的电流信号，需要转化成为电压信号。转换而成的电压约在几十毫伏左右，需要进行初级放大和处理，增加驱动能力以带动后级电路，并且减少后级电路对前一级电路的影响。 (2) 射随电路 射极跟随器是一种共集电极接法的电路，从基极输入信号，从射极输出信号，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号相位相同的特点。在本电路中使用两个晶体管搭接两个射随电路，增强了电路带负载能力和前后级阻抗匹配。 电路图1 光电转换及初级调理电路 （3）干涉信号的处理 由于发生干涉条纹对比度不为1并受到外界干扰，从光电接收器输出的信号中除含有交流成分外，还含有直流成分，所以必须首先调整信号中的直流分量[6]。为此采用如图所示的直流电平调整电路。通过改变放大器同相输人端的电压，达到消去直流电平的目的。 电路图2 直流电平调整 3）差分转换和放大电路 差分放大电路，简称差放，它的功能是放大两个输入信号之差。它具有游移的抑制零点漂移的特性，因而成为集成运放的主要组成单元。它一般采用双电源供电形式，可增加输出信号的最大不失真输出幅度，即扩大电路的线性放大范围。 典型的差分放大电路，要求两个晶体管和相应的两个半边电路完全对称。差分放大电路对差模信号的放大能力强，对共模信号的放大能力弱(理想情况下无放大作用)。而温度的变化同时作用在差分放大电路的两个晶体管上，所以温度对电路中晶体管的影响，相当于给差分放大电路中加人了共模信号，所以使用差分放大电路能抑制温漂。为了放大正弦波形，抑制由温度漂移产生的共模干扰，减小量误差，并且为后继电路提供较大的工作电流，首先将单端输入改为双端对称输入，然后本电路中选择了两级串联差分放大电路，前一级采用双输入、双输出的结构，后一级采用双输人、单输出结构(见电路图3)。 电路图3 差分放大电路 4）波形转换电路 经过差分放大后的频率信号，电压约在5 V左右，为了在后级电路中进行传输，需要再将其转化为与频率相对应的方波信号。相对于其它触发比较器，使用555定时器构成施密特触发器更能够适应电路的需要。施密特触发器具有l/3Vcc的回差电压，能够有效地消除输入信号中毛刺的干扰。 电路图4 555定时器构成施密特触发器 5）细分电路 本测量系统，由于其基准长度为光波的波长 0.6328 ，若不进行细分处理时，由式 得其测量分辨力只能达到79.1 。基于塞曼效应的双频激光干涉仪中，频差(f2-f1)是不稳定的，难以实现对参考信号的积分处理， 同时为了提高该测量系统的测量分辨力，在电路中加人了细分块，通常采用锁相倍频的细分方法，将输入的两路信号进行倍频处理。这种细分处理方法完全是由硬件完成的， 输出的当量脉冲与实际位移之间只有硬件延迟， 所以可以在系统中作为测量元件， 实现实时测量。 锁相倍频电路结构如图所示，此系统由4个主要部件——鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和n分频器组成。n分频器是反馈环节，也是细分环节，它将fo进行n细分，分频后的信号在鉴相器中与输入信号fi进行相位比较，输出一个误差电压，经环路滤波器抑制其中的高频成分和噪声后，输出电压Uo.压控振荡器受Uc的控制，使其振荡频率fo向nfi趋近，当fo=nfi时，环路达到平衡而锁定，这样fo和fi之间就实现了n倍频。 图5-锁相倍频电路结构 设倍频数为m，在与未倍频时相等的时间t内，测得的差值为N1 ，则有 ； （4） 将式(4)代人式(3)得 ； （5） 由上式可以看出测量的分辨力和倍频系数m有关，当倍频数为m时，其分辨力将提高到原来的m倍。本系统分辨率要求为0.1nm，激光波长为632.8nm，光路已实现了8细分，故锁相倍频数应设置为791，即m=791。 本系统使用8254计数器充当n分频器，8254地址、控制总线由Intel8051单片机设置，地址通过74LS373进行锁存，其计数通道及端口地址分配见表2。因只需一个计数器口即可，故在此选择计数器0，OUT端接至NE564的端口3和8051的P2.0端口，采用工作方式4，二进制计数方式，计数初值设为791D，即1100010110B。8254对fo进行计数，当计数器0减到零溢出时，OUT输出低电平信号，从端口P2.0输入，单片机重新设置计数初值，由此循环直到实现791分频后电路进入锁存状态（锁相倍频电路图见电路图5，部分端口用一对相同的网络标号表示连线）。 表2 8254计数通道及端口地址分配 操作 系统中地址分配 0 0 1 0 0 读计数器0 7FFCH 0 0 1 0 1 读计数器1 7FFDH 0 0 1 1 0 读计数器2 7FFEH 0 0 1 1 1 无操作（禁止读） 0 1 0 0 0 计数常数写入计数器0 7FFCH 0 1 0 0 1 计数常数写入计数器1 7FFDH 0 1 0 1 0 计数常数写入计数器2 7FFEH 0 1 0 1 1 写入方式控制字 7FFFH 1 × × × × 禁止（三态） 0 1 1 × × 不操作 电路图5 锁相倍频细分电路 6）同步器电路 测量信号和参考信号经锁相倍频后的频率为N×[(f2-f1)+4△f]和N×(f2-f1)的两列脉冲， 为便于后续电路的处理， 用一高频信号将二列脉冲同步， 使脉冲处于完全重合或者完全错开的状态，同步器电路结构如下： 电路图6 同步器电路 7) 连续计数模块 系统要求对测量信号和参考信号两路进行连续计数，故本系统采用两片计数芯片8254的四个16位计数器分别对两路信号进行计数，每路用两个计数器进行缓冲计数。如图（部分端口用一对相同的网络标号表示连线）：P0作为数据口，为准双向口，P1.0，P1.1作为输入口接8254计数通道的OUT输出端，用于判断中断的来源，P2.7，P2.6分别作为first、Second片选信号,P2.0，P2.1作为计数器通道的选择信号。 电路图7 计数器电路 8254端口分配表 操作 First地址分配 Second地址分配 0 0 1 0 0 读计数器0 7FFCH BFFCH 0 0 1 0 1 读计数器1 7FFDH BFFDH 0 0 1 1 0 读计数器2 7FFEH BFFEH 0 0 1 1 1 无操作（禁止读） 0 1 0 0 0 计数常数写入计数器0 7FFCH BFFCH 0 1 0 0 1 计数常数写入计数器1 7FFDH BFFDH 0 1 0 1 0 计数常数写入计数器2 7FFEH BFFEH 0 1 0 1 1 写入方式控制字 7FFFH BFFFH 1 × × × × 禁止（三态） 0 1 1 × × 不操作 附J-K触发器的特性表 CLK J K Q Q* × × × × Q 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 每片8254集成了三个16位计数器，在仪器开启时，测量信号和参考信号同时进入两片8254中的四个计数器，但单片机并不开启外部中断，所以这时并不起到计数作用。在此模块中，J-K触发器控制计数器的启停(J-K触发器特性见上面附表 )，单片机首先清零J-K触发器，这样First 8254的GATE引脚为低电平，8254不工作。接下来设置First 8254，并设定初值。设置完成后，置1J-K触发器，这时Second8254的GATE引脚同样为低电平，不工作，这时设置Second 8254。这样当First 8254中任一个计数器减到零都会产生中断，这时Second 8254计数器工作，直到减到零，First 8254触发计数。由于两片计数器交替工作，所以计数上限可以到达很高，足以满足本系统的范围要求，即计数值到达106，每次计数溢出读出的两个计数通道当前值进行通过软件辨向再叠加，计算结果由8051单片机中三个寄存器（24位，实际只用到其中20位）存储并进行数值计算。 由电路图可以看出：若外部中断0产生中断，就是测量信号计数器计满，这样只需要读出参考信号计数器的计数值即为两路信号的差值；同样若外部中断1产生中断，就是参考信号计数器计满，从而实现了辨向和直接算出频差的功能并将差值读入到单片机处理（叠加——由于计数是差频的一个积分结果，故应符合叠加原理，即将整个计数过程分段，每次记录差值，最后叠加的值即为最后的计数结果）。当First8254任一个计数器溢出后，都会硬件清零J-K触发器，开启下面的计数器，Second8254的工作原理和First 8254一样，由此实现了连续计数的要求，最终的计数差值经单片机数据处理转换成实际的位移供输出显示。 触发器的时钟连接到单片机的工作时钟12MHz，在转换速度上得到了保证，不会丢失脉冲。中断脉冲用单稳态221进行了延伸，使其能够达到单片机能够识别的水平。 8）显示电路 电路图8 数码管显示电路 如图所示（部分端口用一对相同的网络标号表示连线），本系统采用共阴极7段数码管，以到达107×0.1nm大小的位移显示。通过8155H PA输出实现7片数码管的位选，端口地址分配如表3。8155H的选通信号由Intel 8051单片机的P1.7口输出，控制启停工作，同时通过PB0～PB7输出数据，供LED数码管显示。 表3 8155H端口地址分配 所选端口 0 1 × 0 0 0 命令/状态寄存器 0 1 × 0 0 1 A口 0 1 × 0 1 0 B口 0 1 × 0 1 1 C口 0 1 × 1 0 0 计数器低8位 0 1 × 1 0 1 计数器高8位 0 0 × × × × RAM单元 系统电路总图(部分连线使用网络标号) 根据测量电路设计框图，上图从左至右分别为：光电转换模块、干涉信号处理模块、差分放大模块、波形转换模块、锁相细分模块、连续计数模块以及LED显示模块，特别 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ：由于在锁相细分模块已经设计了环路滤波环节，故系统不再单独设计滤波器。 软件设计 软件部分由Intel8051单片机编程控制，主要完成计数、细分、运算、结果显示等功能。本系统使用了两片Intel8051，为叙述方便，在此标号为first、second。 1)first piece： 作用：控制n分频器的分频数，即设置计数器8254的计数初值，程序流程如右下图所示。 源程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 2000H MAIN:CLR A;清零累加器A ACALL LOOP；调用8254初始化子程序 MOV P2，#0FFH;设置P2作为输入 L1:JB P2.0,L1; 判断P2.0是否为1 ;为1继续采集数据 LOOP:MOV DPTR，#7FFFH;指向控制字寄存器 MOV A，#38H；设置计数器0工作方式 MOVX @DPTR，A；控制字送入控制字寄存器 MOV DPTR，#7FFCH；指向计数器0 MOV A，#17H；先写入低8位值 MOVX @DPTR，A MOV A，#03H；再写入高8位值 MOVX @DPTR，A CLR A RET END 2)second piece： 作用：为两片8254提供计数初值以及脉冲中断入口，进行中断程序处理，将数据处理结果送入LED数码管显示。 该程序是单片机控制两片8254，实现连续计数功能，以及对计数值进行处理最后实现位移显示的功能。其中，LED数码管显示模块以及数据处理模块分别设计成子程序，以便程序的调用。另外两片8254计数器均设置为工作方式5，即硬件触发选通方式。在写入方式控制字及计数常数值后，输出OUT保持高电平，只有在门控信号GATE出现上升沿后才开始计数，计完最后一个数，输出一个始终周期的负脉冲。计数过程尚未结束前重新触发时，将使计数器自动恢复初值重新开始计数。选择方式5使得软硬件很好的结合在一起。 数据处理模块设计：由于硬件电路已经实现了两片片8254的交替工作，无须再软件控制，省去了很多工作，故Intel8051只要采用中断方式完成对数据进行处理工作，因而节省了CPU资源和提高了效率。在这个模块中，8051的工作是在中断方式下采集8254计数器的当前值，从而得出计数差值，同时判断出方向，进而进行叠加运算得出结果。 LED数码管显示模块设计：8051的P0口作为输出口，硬件上通过一片8155H PB口进行位选，段代码由PA口输出，通过查表的方式来输出结果，由于采用了动态显示的方式，在同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其它各位则是熄灭的，所以需要考虑到显示时间问题，使得在同一时刻，所有字符同时显示，这就是所谓的LED显示器的余晖效应和人言的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够端，则可造成多位数码管同时亮的假象，达到同时显示的目的。本系统采用了7位数码管，程序假定显示一位保持1ms时间，则显示完所有7位之后，只需7ms。 程序框图如右下图所示： 源程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0013H LJMP INT1 ORG 1000H /*主程序，完成计数器、中断初始化等*/ MAIN: SETB EX0;允许外部中断0 SETB EX1;允许外部中断1 SETB IT0;外部中断0跳沿触发 SETB IT1;外部中断1跳沿触发 SETB EA;CPU开中断 XOR P1,#18H;设置P1.3，P1.4为输入 CLR A MOV A,#7DH MOV P2,A;选通计数器并且清零J-K触发器 MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#6AH;计数通道1，工作方式5 MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#7FFDH CLR A MOVX @DPTR,A;设置计数初值 MOV DPTR,#BFFFH MOV A,#0AAH;计数通道2，工作方式5 MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#BFFEH CLR A MOVX @DPTR,A MOV A,#7EH MOV P2,A；置1J-K触发器,开始计数 MOV 50H,#00H MOV 51H,#00H MOV 52H,#00H MOV R2,#00H;由于First8254先开始工作 HERE1:MOV 30H,#05H HERE:PUSH 50H MOV A,P1;记录P1端口值，用于判断哪个计数器产生中断 CJNE R2，#00H，SEC;判断两片计数停止前一刻仍在工作的计数器 MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#8AH;写入控制字，读取计数通道2当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#7FFEH ACALL ADDD;调用加法子程序 MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#4AH;写入控制字，读取计数通道1当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#7FFDH ACALL SUBS;调用减法子程序 JMP EQUL SEC: MOV DPTR,#BFFFH MOV A,#8AH;写入控制字，读取计数通道2当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#BFFEH ACALL ADDD;调用加法子程序 MOV DPTR,#BFFFH MOV A,#4AH;写入控制字，读取计数通道1当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#BFFDH ACALL SUBS;调用减法子程序 EQUL:POP ACC CJNE A,50H,HERE1;比较前后两次计数值 DJNZ 30H,HERE;判断前后5次计数值是否发生变化，若不发生变化则说明计数结束 ACALL SWAP;调用数制转换子程序，该子程序实现过程未写源代码，在此简述其原理将50H、51H、52H中的计数值转换成十进制数，并分别用79H～7FH内存单元存放各个十进制位，供LED显示。 ACALL DISPLAY;调用LED数码管显示子程序 SJMP MAIN /*显示部分程序框图如右图所示*/ DISPLAY:MOV R0,#79H;置缓冲区指针初值 MOV R3,#01H MOV A,R3 LD0: MOV DPTR,#7F01H;8155H PA口，最左边LED亮 MOVX @DPTR,A INC DPTR;数据指针指向PB口 MOV A,@R0 ADD A,#0DH;加表格的偏移量，查询段代码 MOVC A,@A+PC DIR1:MOVX @DPTR,A;显示数据 ACALL DL;延时1ms INC R0;显示数据缓冲区指针指向下一个单元 MOV A,R3 JB ACC.6,LD1;判断是否扫描到最右边的LED RL A MOV R3,A AJMP LD0 LD1:RET TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH;共阴极LED段代码 DL:MOV R7,#O2H;1ms延时子程序 DL0:MOV R6,#0FFH DL1:DJNZ R6,#0FFH DJNZ R7,DL0 RET /*计数累加程序*/ ADDD:MOVX A,@DPTR;读取低8位 ADD A,50H;实现加法计数 MOV 50H,A ;结果存入50H MOVX A,@DPTR;读取高8位 ADDC A,51H MOV 51H,A ;结果存入51H MOV A,52H ADDC A,#00H MOV 52H,A RET /*计数值相减*/ SUBS:MOVX A,@DPTR;读取低8位 MOV R2,A MOV A,50H SUB A,R2;实现减法计数 MOV 50H,A ;结果存入50H MOVX A,@DPTR;读取高8位 MOV R2,A MOV A,51H SUBB A,R2;实现减法计数 MOV 51H,A ;结果存入51H MOV A,52H SUBB A,#00H MOV 52H,A RET /*外部中断0处理程序*/ INT0：MOV R1，#00H; JB ACC.4,FIRST;为1，则发生中断的是First8254 MOV DPTR,#BFFFH MOV A,#4AH; MOV @DPTR,A；写入控制字，读取计数通道1当前值 MOV DPTR,#BFFDH ACALL ADDD SJMP F1;中断返回 ;FIRST原理同上 FIRST:MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#4AH;写入控制字，读取计数通道1当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#7FFDH ACALL ADDD F1:RETI /*以外部中断1举例，程序流程图如右图所示*/ INT1:MOV R1,#01H JB ACC.3,SECOND MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#8AH;写入控制字，读取计数通道2当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#7FFEH ACALL SUBS;调用减法子程序 SJMP F2 SECOND:MOV DPTR,#7FFFH MOV A,#8AH;写入控制字，读取计数通道2当前值 MOV @DPTR,A MOV DPTR,#7FFEH ACALL SUBS F2:RETI END 总结与展望 系统最大的特点及优势 针对氦氖激光器，根据双频干涉仪的原理，设计了双频激光干涉计数系统以达到测量微小位移的目的。本系统最为巧妙之处在于对差频的计算转化为对时间的积分过程，最终转换为对脉冲信号的计数，这是贯穿整个系统设计的理论依据和关键所在。同时为实现系统分辨率以及测量范围要求，设计了锁相倍频模块和双通道缓冲连续计数模块，对参考信号和测量信号进行了791倍频，并对其连续计数并通过单片机处理数据将其转换为实际的位移量。 在硬件设计时，考虑到锁相倍频电路的限制——分频数为100～1000<3164（本系统实际的细分数），故而采取了结合光路细分和电子细分的方法，但是光学细分有个明显的缺点，即光学细分是以牺牲干涉仪的测量速度为代价的，光学细分数即干涉仪测量速度降低的倍数，故而难以实现高倍细分，所以本系统以电子细分为主，光学细分为辅的方式，先从光路上进行8细分，再进行锁相791倍频细分，理论上实现系统所需的分辨率。 总体测试电路设计部分，比较成功的是计数模块的设计，即通过两片8254的交替工作实现了连续计数的功能，又可以实现辨向的功能。对于8254中的两个计数器，频率较大的输入信号计数值变化大，频率小的计数值变化小，若其中之一计数溢出或者计数结束，Intel8051读取两个计数器的当前值，通过程序计算得出频率差值，根据差值的符号判断参考信号和测量信号频率大小，从而实现反射镜位移方向的判断。 实验：用于验证双频激光计数系统所输出的值是否正确。实验设备有双频激光计数系统、微位移驱动台、示波器、氦氖激光器。微位移驱动台可以手动调节实现在0～lO0um连续移动，其核心部件为压电陶瓷。 误差分析与补偿 激光干涉测量精度受到多种因素影响。其测量误差主要包括：①系统误差，主要指受到激光干涉测量方法及测量系统元部件制造精度的限制，测量系统所存在的不可消除的误差；②阿贝、余弦误差，在测量系统安装过程中，测量轴线与被测对象的运动轴线之间的误差角以及测量过程中被测对象多自由度运动等形成的误差；③环境误差，干涉仪工作过程中，环境的波动(空气温度、压力及相对湿度的变化)引起空气折射率的变化，由此导致的误差；④延时误差，由干涉仪测量电路延时、测量数据滞后所产生的误差。 综述 由于条件有限，无法进行测试试验，本文仅在理论上诉述了满足仪器测量分辨率和量程要求的激光干涉测量系统的设计过程。首先，双频干涉系统仍然基于多普勒测速的原理。虽然多普勒测速本身非常简单，但直接测速，产生的信号是直流信号，用作测量很容易出现误差。（当物体开始运动的时候，信号开始，当物体停止的时候，信号消失）因此一般是引入载波来进行干涉测长。概念是产生出一对相差频率△f的激光f1和f2，然后利用分束器产生出f1i和f2i。f11和f21拍频产生出强度信号△f，而f12和f22用作干涉光束，由于反射镜的运动，产生出多普勒信号f1-f2±△f，最后将两个信号转换成电信号鉴频就测出频率差△f。得到的信号对时间积分，可以测出所求的目标移动距离。紧接着，根据上述原理，设计了一系列后续的测量电路，旨在解决信号处理以达到系统要求。 这种测量技术一般是利用塞曼效应实现的，因此其频率差有限，通常在1～2MHZ，所以可测的速度上限大约是1.5m/s。本系统略显不足的地方在于未设计闭环控制以及误差补偿等措施，对影响系统的测量精度的因素由于本人技术水平有限，未能制定出有效的解决方案，故未在测量系统设计中涉及，在此简略说明。 经验总结 通过这次的课程设计，在一定程度上扩展了我们的知识面、加深了我们对系统的认识，也巩固了我们对基础理论的理解，进一步提高综合运用所学知识的能力。 在课程设计中遇到来了一定的问题，经过反复的研究，问题得到解决。在整个过程中， 明白了之前学习中的很多盲点。针对设计中遇到的问题作如下总结。作为以后学习的经验和教训。 1. 缺乏动手能力。平时学习理论知识，时间能力相对薄弱，出现眼高手低得情况，在实际操作中出现各种低级错误。 2. 锻炼分析问题解决问题的能力。从原理分析到系统设计过程中，要分析所实现的功能，如何将实际的问题抽象化，找出各环节之间的联系。如何取分析问题以及分析后如何取解决问题是整个过程的关键，需要谨慎的思维和考虑问题的全面性。 3. 形成知识体系。课程设计的全过程中梳理了平时课堂上的知识点，将其整理成一个清晰的脉络，对平时学习的一个综合运用的过程。通过课程设计，找到自己薄弱的环节，进而对其巩固，加深对基础理论的理解和运用。 在课程设计的过程中，通过亲身实践和学习，虽然遇到很多困难，但通过老师和同学的帮助、指导下基本得到了解决，也使自己对一些问题有了新的看法和认识。此次课程设计也是检验学习成果的过程，让我体验到课堂学习与实际工作距离之遥远，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，改变学习内容与方法提供实践依据。对我们控制系专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作，通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好知识、能力准备。更重要的是通过对仪器开发流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。  参考文献 [1] http://www.beidinghan.com/goodsid/goodsview/8020035.html. [2] 所睿，范志军，李岩，张书练，双频激光干涉仪技术现状与发展，激光与红外，第34卷第4期，2004年8月. [3] 王虹宇，激光原理与应用，No.19，2009年4月27日. [4] 付志凯，张健，吴丽莹，双频激光干涉仪的程控倍频计数器设计，计量技术2008.No9. [5] 齐永岳，赵美蓉，林玉池，提高激光干涉测量系统精度的方法与途径，天津大学学报，第39卷第8期，2006年8月. [6] 邓上，激光干涉仪的细分技术，工具技术，2005年第39卷No.7. [7] 曲军，激光干涉位移测量系统的环境误差补偿，航空发动机，2001年第3期. [8] 张宝宜，邱宏安，苏文涛，权