基于单频激光干涉仪的精密工件台定位系统设计

Modern Scientific Instruments

第2期2011年4月

N o.2 A p r. 201149

基于单频激光干涉仪的精密工件台定位系统设计

王　蕴1,2　薛　虹1　韩　立1

（1中国科学院电工研究所　北京 100190；2中国科学院研究生院　北京 100190）

摘　要　激光干涉仪是以稳频氦氖激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的工具。近年来，激光干涉仪一直作为精密测量工具为精密加工机和工件台进行定位校准工作。本文介绍了一种基于单频激光干涉仪的精密工件台测量定位系统。本定位系统采用单频激光干涉仪作为精密测量工具，采用高档8位单片机作为数据处理微控单元，并基于VC++语言编写相关控制软件。实际应用证明本系统定位速度快，精度高，理论上最小分辨率为38.6pm。

关键词　单频激光干涉仪；精密工件台；精密定位

中图分类号　TH714.1+3

Design of Positioning System for Precision Stage Based on Single-frequency Laser

Interferometer

Wang Yun 1,2, Xue Hong 1, Han Li 1

(1 Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences;2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing

100190)

Abstract Laser interferometer makes use of Michelson interference theory measuring displacement based on the length of the He-Ne laser at steady frequency. In recent years, laser interferometer has been used as precision measurement tool for precision machining and precision stage positioning. This paper introduces a precision stage positioning system based on single-frequency laser interferometer. This positioning system used single frequency laser interferometer as the measurement instrument, one 8-bit microcontroller as the micro control unit for processing data, and VC++ as the coding language for developing the control software. The experiments demonstrated that our positioning system is fast and precise and its minimum resolution is 38.6pm in theory.

Key words Single-frequency Laser Interferometer; Precision Stage; Precision Positioning

收稿日期：2010-02-22作者简介：王蕴（1985-），男，硕士研究生，从事精密工件台测量定位方向的研究；薛虹，男，高级工程师，多年从事电子束曝光系统方向的研究

随着现代化的国防建设、工业生产和科学技术的飞跃发展，无论是元件的生产还是机器的安装，精密度的要求越来越高。精密工件台作为精密工程中的典型结构，在精密加工、精密测试和精密机械中被

广泛应用[1]。在聚集离子束精密加工系统中，

对工件台位移测量和定位的精度要求十分严格，一般的机械测量方法远远不能满足这种要求[2]。

自从迈克尔逊于1881年创制“迈克尔逊”干涉仪以来，干涉法测量在长度计量中得到了越来越广泛的应用。由于激光辐射优良的空间相干性、时间相干性以及极高的亮度，并借助于数据处理电子技术的跃进，使这种以激光波长为标准，具有较高测量精度的干涉测量技术成为建立新的长度标准和进

行精密测试的重要工具和手段[3]。以美国、

日本为代表的国外一些先进国家在精密工件台测量定位方面的技术比较成熟，其系统定位精度可达nm 级别。国内许多单位，如清华大学，中科院长春光机所

等在精密工件台研究中也取得了长足的进步，也已

研制出长行程高精度的精密工件台，定位精度可达±0.01μm [4]。

本文介绍了一种采用单频激光干涉仪作为测量工具，采用单片机作为数据处理微控单元的工件台精密测量定位系统，并基于VC++语言编写相关软件。系统测量定位最小分辨率高达38.6pm。

1　系统组成

本精密工件台定位系统由四部分构成，分别为激光测量环节、数据采集环节、数据转换环节以及PC 端控制软件，该定位系统组成如图1所示。

激光测量环节包括英国雷尼绍公司生产的高精度单频激光干涉仪以及相关光学组件[5]。该干涉仪配置两组激光干涉系统，可同时高速测量X-Y 两个维度的位移信号。其外观结构如图2所示。

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图1 定位系统结构图 图2 雷尼绍单频激光干涉仪外观结构

数据采集环节采用雷尼绍公司生产的VME （Versa Module Eurocard）主板，该主板集成2块雷尼绍RP120高速数据采集卡，分别采集X-Y 方向的位移信号，输出端口采用DIN412 332P 欧式连接器接口[6]。数据转换系统将采集系统输出的欧式接口格式的数据转换为RS232串口数据传送至上位机，并将从上位机接收到的理论位移数据与读取的实际数据进行比较，将差值数据由2×16位集成开发环境（IDE）端口输出到工件台控制系统。

2　系统设计

2.1　硬件设计

本系统的位移测量及数据采集环节均采用雷尼绍公司生产的专用设备。因采用集成两块RP120数据采集卡的VME 主板作为干涉仪测量数据采集处理前置单元，其输出接口为专用欧式接口DIN412 3232P，需要设计IO 接口数据转换系统，与PC 机通用端口进行匹配，其作用是按照RP120的数据格式读取数据，并通过PC 机通用通信接口将采集数据传送至上位机做进一步处理。

本定位系统数据采集传输速度低于1.0KSPS （Kilo Samples per Second，每秒采样千次），不需要大量、频繁、超高速的数据传输，故工件台定位系统可采用通用PC 机串口进行通信，使测量定位系统设计既简单又安全可靠[7]。2.1.1　MCU 器件选择

在硬件设计中, MCU(Micro Control Unit，微控单元)核心微控制器的选择关系到设计任务实现的完整性和复杂度，根据实际设计任务需求选择适合的MCU 至关重要。在本设计中测量控制的时基为μs 级，数据处理也相对局限于简单的读写和差值计算操作，因此采用单片机作为控制单元。单片

机的IO 点数较多，自带UART（Universal Asyn-

chronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/

发送装置）串行通讯接口，采用集成开发环境编写程序代码，结构简单稳定，开发便捷。

Atmega2560是美国ATMEL（爱特梅尔）公司生产的高档8位单片机，采用RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）结构，片内集成256K Flash、8K SRAM 程序存储器，并具有4K 掉电非易失存储器。本单片机具有多达100点通用IO 接口，采用薄四方扁平（TQFP）封装，具有体积小、高效能、低功耗等众多优点，非常适合在本设计中采用。2.1.2　电磁隔离措施

本IO 转换卡属于低频数字控制电路，本身抗干扰能力较强，同时由于核心工作时钟较低，对外部其他板卡的辐射干扰也相对较低。采用常用的双面PCB 板进行设计即可，尽可能使用贴片元器件节约PCB 空间，有效缩短元器件引线，降低数字电路电磁干扰发射程度。布线遵循最小间距不小于线宽的原则，保证数字信号完整性。

由于来自PC 机串行总线的高频噪声较大，必须对本IO 转换板卡的输入输出端口采用电磁隔离布线措施。这种方法在工程中通常是采用0欧电阻进行隔离，可以有效阻止来自VME 主板卡以及上位PC 机串行总线的高频串扰[8]。2.1.3　硬件原理及组成框图

本IO 转换卡衔接数据采集卡和PC 机串口，包括以下部分：供电电路、Atmega2560核心控制器最小系统、数据输入端口、差值信号输出端口、RS232串行接口电路以及状态指示单元。系统框图如图3所示。

图3 IO 转换卡组成框图

本IO 转换卡衔接VME 主板和PC 机串口，由

控制核心控制按照一定的时序读取3×32输入端口数据，经过处理由RS232串口传送至上位机，并将从上位机接受到的目标数据与读取的数据进行对比，将差值数据由IDE 端口输出。由于VME 主板本身无电力供应，IO 转换卡除给自己提供电力外，还要

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第2期2011年4月通过DIN412 332P 接口中ROW B 相应引脚向

VME 主板提供电力。开关电源有低成本、高功率密度的优点，常用于数字仪器板卡的设计中，整个板卡采用AC220V~DC9V 开关电源供电，并通过三端稳压器L7805稳压得到稳定的+5V 供电电压。2.1.4　串行通信电路结构

串行通信接口电路的连接原理如图4所示。RS232是EIA（Electronic Industry Association，美国电子工业协会）制定的一种串行物理接口标准。在单片机与PC 上位机之间双工通信只需使用其中RXD、TXD、GND 三根线即可，采用标准的9针串口接插件与PC 上位机连接。由于上位机PC 采用12V 电平，单片机系统需要采用电平转换芯片MAX232将5V 电平转换为12V

电平。

图4 RS232串行接口电路

2.1.5　电源电路原理

综合考虑VME 主板和本IO 转换卡对电源功

率和稳定性的要求，本设计采用线性三端稳压模块7805供电，输出电压5V，纹波≤5mVpp，输出电流峰值1A。同时对于实际工程应用，电路增加了诸多冗余容错机制，D1采用整流二极管起反压保护作用，DS1作为电源工作状态指示。电源电路如图5

所示。

图5 电源原理图

2.2 软件设计

2.2.1　主程序流程

由Atmega2560单片机作为下位机实现的IO 转化卡主要程序包括以下流程：系统初始化、VME 主板数据读取、串口发送子程序、串口接收子程序、差值数据输出、状态变更等。在向上位PC 机发送数据时，将X、Y 轴定位数据传送给上位PC 机，同时

上位机发送数据到IO 转换卡将触发相应控制更改

其工作模式和状态，如图6所示。

图6 主程序流程图

2.2.2　上位机软件功能

本数据采集系统上位机要完成的主要任务包括从RS232串口获取由IO 接口板得到的36位并行数据，并实时转换为位置坐标并显示；接收目标位移信号（理论位置）并通过串口传递给IO 接口板，提取测量位置与理论位置的差值信号，并输出给控制系统进一步实现闭环控制。

为此，在上位机软件设计过程中，主要的功能总结如下：

（1)实现串口的初始化与通讯，并能随时中断串口通讯；

(2）36位坐标数据的转化与实时显示，这里要求采用图形方式二维动态显示（类似示波器）；

(3)图形显示中的坐标控制，包括幅值控制和显示周期控制；

(4)目标坐标的输入与通过串口通讯发送到下位机；

(5)实际坐标与相对坐标的选择显示。由于采用的是多进程、多线程、多中断的混合作用，在Windows 操作系统编程中必须考虑同一个进程中消息的传递不能占用太多的CPU 资源，因此往往将系统消息和用户消息以及运算过程分别运行的模式，这样在设计过程中多线程的选择是必须的。本软件采用Visual Studio 的MFC(Microsoft Foundation Classes)，编程，MFC 界面本身是一个占用交互式消息的一个线程，因此在实现本例的串口不断读写的功能最好采用一个的线程。本软件就是采用MFC 线程和串口读写线程的双线程模式。

上位机控制软件界面如图7所示，标出了主要

　　　王蕴 等：基于单频激光干涉仪的精密工件台定位系统设计

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的5

个功能模块以及对应编号。

图7 上位机控制软件功能

3　 试验与结论

为了验证将本定位系统在实际工作中的性能，将该系统应用在某工业用精密工件台上进行测试。该精密工件台由压电陶瓷驱动，通过内部光栅尺进行测量，测量精度可达±0.1μm。工件台可在压电陶瓷的驱动下沿X-Y双方向分别产生位移，通过对比工件台固有定位系统的测量结果与本定位系统的测量结果，可在一定程度上测试本系统的性能。

分别以工件台的运动方向、运动速度和进给行程为变量，进行多次反复测量。实验数据表明，工件台固有定位系统的测量结果与本定位系统的测量结果一致性极高，偏差极小。实际应用表明，本精密工件台定位系统重复性好，定位速度快、精度高，最小分辨率可达38.6pm。

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心，为临床医护和医疗提供服务，是医院信息系统(Hospital Information System，HIS)的重要组成部分。监护仪、呼吸机等移动医疗仪器采集的病人重要临床数据通过数据接口进入临床信息系统，对应该设备的RFID电子标签，即可简单实现基于物联网技术的ICU设备管理系统与ICU现有临床信息系统的数据交换与融合，从而在彻底改变ICU设备手工管理模式的同时，进一步实现ICU临床业务的一体式计算机化管理，并能通过计算机实现远程实时监护。

3　结束语

试用证明，利用基于RFID的物联网技术，ICU 设备管理系统既可提高医护人员的工作效率，又保证了相关移动医疗设备的有效管理和应用，系统交互性好、稳定性高、可扩展性强，具有很好的实用性。随着传感、测控、通信、网络、计算机等相关技术的不断发展完善，物联网技术必将展现出更为强大的生命力，基于RFID的物联网技术除了用于ICU设备跟踪管理外，还可应用于医院药品管理、病区病人监护等更多领域，可以预见物联网技术在医疗行业具有广泛的应用前景。

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