纳米位移感测器(LDGI)的微处理机系统研究

摘要

当下超精密加工已经涉足纳米领域(0.1-100 nm)，因此对相关测量设备和仪器的精度也提出了更高的要求，具备纳米级分辨率的三坐标测量机应运而生。纳米三坐标测量机中的关键技术包含纳米位移感测器技术以及信号细分技术，本文基于实验室纳米三坐标测量机，对纳米位移感测器和信号细分技术作了细致的研究，以确实掌握其精髓。
　　纳米位移感测器为实验室自发研制的线性衍射光栅干涉仪(LDGI，LinearDiffraction Grating Interferometer)，其基于多普勒相移原理，利用全息光栅产生频率和速度相关的±1级衍射光，通过一系列的光路变换后，两束光最终产生干涉。经过实验室几代人的优化和改进，有效消除了两束干涉光的光程差，避免激光回射激光器以及高次衍射光的干涉，从而杜绝了干涉信号中的高频成分。传感器最终通过光电探测器感测干涉光强信号，将光信号转换为电信号，以便后续处理单元对其细分。
　　文中研究了利用脉冲计数和相位细分结合的结构实现位移测量的电路系统，其中采用数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)和复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)配合完成计数细分，可获得小于1nm的分辨率。LDGI输出的正弦和余弦信号同时送给比较计数单元和模数转换器(ADC，Analog Digital Converter)，分别实现大数和小数计数，由DSP作为系统中枢统筹两部分位移计数，实现平台总位移的测量，CPLD在整个过程中负责系统中外设的实时监控以及数据交换。方案制作完毕后，和实验室激光干涉仪作对比试验，标准差优于15 nm。这种方法对位移中不需要高精度细分的部分采用硬件计数，从而有效避免了软件消耗，减轻了处理器的负担，提高了系统对高频信号的响应能力，同时直流漂移抑制模块的引入增强了系统的适应性。
　　本课题来源于国家高新技术研究发展计划(863计划)“微纳三维测量技术与装置”，具有一定的实际应用价值。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图表清单

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 光栅干涉仪及细分方法发展概况

1.2.1 光栅干涉仪

1.2.2 细分方法

1.3 课题研究内容

第2章 线性衍射光栅干涉仪(LDGI)原理及演化

2.1 光栅干涉测量原理

2.2 线性衍射光栅干涉仪(LDGI)

第3章 微处理机系统硬件设计

3.1 硬件概述

3.2 电源部分设计

3.3 TMS320VC5509A最小系统设计

3.3.1 TFMS320VC5509A核心模块电源设计

3.3.2 TFMS320VC5509A时钟模块设计

3.3.3 TFMS320VC5509A核心模块地线设计

3.4 光电池信号调理设计

3.4.1 光电池I/V设计

3.4.2 类正余弦信号正交化

3.5 CPLD模块设计

3.5.1 EMIF模块设计

3.5.2 寄存器组映射

3.6 AD模块设计

3.7 计数模块设计

3.7.1 比较器设计

3.7.2 浮动基准设计

3.7.3 计数芯片模块设计

3.8 flash模块设计

3.9 EEPROM设计

3.10 外部接口设置

3.10.1 LCD接口设计

3.10.2 USB，RS232及仿真接口设计

3.10.3 拨码开关及自举模式选择设计

3.11 本章小结

第4章 微处理机系统软件设计

4.1 QuartusⅡ简介及CPLD设计

4.2 C5509A软件设计

4.2.1 系统CMD文件

4.2.2 C5509A函数库

4.2.3系统主程序

4.3 C5509A自引导设计

4.3.1 TMS320VC5509A之EEPROM自举

4.3.2 TMS320VC5509A之flash自举

4.4 本章小结

第5章 微处理机和激光干涉仪对比测量实验

5.1 测试平台搭建

5.2 对比测试

5.3 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 主要工作成果与总结

6.2 研究工作展望

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的论文