!!!基于FPGA的光柵信號處理電路研究 - 圖文-

1、 第二章光柵測量技術及光柵信號在整個信號處理電路的設計前期,我們必須對光柵信號以及光柵測量技術進行了解熟悉,這樣才能有計劃、有目的的處理好工作內(nèi)容。2.1光柵測量技術19世紀,人們利用光柵的衍射效應來進行光譜分析和光波波長測定(dsinO=m2,d為柵距,護為衍射角,m=O,±l,.,兄為波長。但是,二十世紀五十年代以后,光柵逐漸應用到長度計量及機床數(shù)控等領域,尤其在最近二十年內(nèi),光柵技術在工業(yè)計量領域得到了飛速發(fā)展,形成了現(xiàn)在的光柵計量技術。2.1.1光柵概述光柵是由一系列等寬等間距的平行狹縫組成,在l mm的長度上往往刻有幾百條甚至上千條的刻痕。光柵根據(jù)不同情況有不同分類,按形成

2、莫爾條紋的原理不同可分為幾何光柵和衍射光柵,按光路不同分為透射光柵和反射光柵。幾何光柵適用于光米級和亞微米級的光柵測量,當光柵柵距為100,urn至20/.on大于光源光波波長時,兩塊光柵相對移動產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋,其測量原理為影像原理。衍射光柵適用于納米級的光柵測量,光柵柵距是4,tan或8um,柵線的寬度與光的波長非常接近,這樣就能產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象并形成莫爾條紋,其測量原理為干涉原理。2.1.2光柵尺測量原理光柵尺是一種利用光柵的光學原理來工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常用于角位移或者直線位移的精密測量、位移量同步比較測量,還應用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng),同時又可作為一種測量振動、

3、應力、應變的檢測元件。光柵尺測量輸出的信號為數(shù)字脈沖,并且檢測范圍大,檢測精度高,響應速度快。(1光柵尺信號光柵尺由光源、動尺光柵和定尺光柵、光電檢測元件等構成。光柵尺是光柵傳感器的簡化稱謂。一般坐標測量機的測頭系統(tǒng)都把物理量轉(zhuǎn)換為模擬量,同時模擬量又被轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,因此光柵尺的輸出信號是電信號。在光柵尺系統(tǒng)中,動尺移動一個柵距,輸出電信號就變化一個周期,通過對信號變化周期的測量來測出移動的柵距數(shù)進而測出相對位移。目前所制造的光柵傳感器,它的輸出信號有兩種形式,一是2路方波信號,它們的相位角相差90度;二是4路正弦信號,它們的相位角依次相差90度。對于輸出F弦波信號的光柵尺i6 幾萬到上百萬條

4、線。雖然刻劃技術在不斷的發(fā)展,但是針對目前的工藝水平而言,要達到這種要求是非常困難的,同時也是沒有必要的。為了實現(xiàn)這些精度要求,對所選取的光柵柵距進行細分,讀取柵距的細分值,最小讀數(shù)值就能很好實現(xiàn)。電子細分技術的發(fā)展,使得對一柵距進行幾十等分以至上百等分的細分成為現(xiàn)實14】。隨著電子技術的飛速發(fā)展,電路細分成為人們提高儀器精度的重要方法。細分電路無論是在機械方面還是電子領域都有著十分廣泛的應用,如測控系統(tǒng)中的線位移信號和轉(zhuǎn)動信號,例如來自光柵、感應同步器、坐標測量機和激光干涉儀等的信號的細分。仔細觀察這類信號都具有周期性,周期上的變化都對應實際中的位移量。如果單獨對周期信號進行計數(shù)來計算實際的

5、位移,可想而知它的精度是很低的,對于一臺儀器而言其分辨力低,應用范圍也變得狹窄。為了提高儀器的分辨力,就需要使用細分電路。細分的基本原理是:根據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律,在一個周期內(nèi)進行插值,從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力【7J。莫爾條紋的電子細分方法有很多,如表2.1所示。在本節(jié)中簡單介紹幾種常用的細分方法。表2.1莫爾條紋細分法莫爾條紋細分機廣械l直接細分I<拳L零!i7:法學L零!i7:法廠統(tǒng)分巾相系統(tǒng)接細分法位細分法值細分法械掃描法掃描法1.四倍頻細分辨向電路細分辨向電路中最常用的是四細分辨向電路,其電路的輸入信號為兩路方波信號,其有一定的相位差,通常

6、為900。因為兩路方波在一個周期內(nèi)具有兩個上升沿和兩個下降沿,所以通過對邊沿的處理可實現(xiàn)四細分,根據(jù)兩路方波相位的相對超前和滯后的關系可判別方向。如圖2.4為一單穩(wěn)四細分辨向電路。A,B是兩路相位差為90o的方波信號,傳感器正向移動時A超前于B,其波形圖見圖2.5a。當A上升沿來臨瞬間即邏輯值變?yōu)?時,f-j DG5有計數(shù)脈沖輸出,由于B=0,門DGl0無計數(shù)脈沖輸出。當B上升沿來臨瞬間即邏輯值轉(zhuǎn)為為1時,DG5有計數(shù)脈沖輸出,DGl0仍無計數(shù)脈沖輸出。當A下降沿來臨邏輯值變?yōu)镺時,DG5有計數(shù)脈沖輸出,DGl010 2.電阻鏈分相細分在四倍頻細分電路中,細分信號是方波信號。然而對于正余弦模擬

7、信號的細分采用四倍頻細分,就必須先把正余弦信號轉(zhuǎn)化為方波信號,否則就必須采用電阻鏈分相細分技術。其工作原理是:將正余弦信號施加在電阻鏈兩端,在電阻鏈的接點上可得到幅值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)過整形和脈沖形成,就能在正余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖,實現(xiàn)細分。如圖2-6所示,設電阻鏈由電阻蜀和R:串聯(lián)而成,電阻鏈兩端加有交流電壓Ul、”2,其中,約=Esincot,u2=Ecoscat。圖2.6原理圖電阻鏈接點處輸出電壓由疊加原理求出,甜o=R2Esin ot/(Rl+R2+RlEcoscot/(eI+R2(2-4由向量圖求出12。的幅值“啪和對U.的相位差p,Uo冊=eq砰+霹

8、/假+足=arctar遺/R輸出電壓t,/o可寫作U。=甜。,sin(cot+緲(25由上面的公式可以看出,隨著R和尺:比值的改變,矽的值也隨著改變,進而輸出電壓的相位也就隨著改變,同時電壓幅值/d。m也隨著改變。上面講的是在第一象限的情況。同理,電路兩端若接COSOt和一sin cot,可以得到第二象限各相輸出電壓;接一COSCOt和一sin cot,可以得到第三象限各相輸出電壓;接一cosat和sin cot,可以得到第四象限各相輸出電壓。不同相的輸出電壓信號經(jīng)電壓比較器整形為方波,然后經(jīng)邏輯電路處理即可實現(xiàn)細分。電阻鏈可實現(xiàn)五倍頻細分,與之級聯(lián)可實電阻鏈20細分和辨向【7】。以上兩種細分

9、方法都處于直傳式細分,對于信號的細分方法還有平衡補償式細分,例如有相位跟蹤細分、幅值跟蹤細分和鎖相倍頻細分等,這旱不再一一講述。第三章FPGA開發(fā)技術FPGA(Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場可編程門陣列,是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA的使用非常靈活,同一芯片可以通過不同的編程數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA在通信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡、儀器、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領域得到了廣泛應用。隨著功耗和成本的進一步降低,FPGA還將進入更多的應用領域。3.1FPGA概述3.1.1FPGA發(fā)展狀況PLD是一種ASIC(專用集成

10、電路,它內(nèi)部有大量的門電路,通過軟件編程可以實現(xiàn)這些門電路的不同連接關系,從而整個PLD對外就完成了不同的功能,并且門電路的連接關系可以不斷的通過編程來改變。目前進行ASIC設計最為流行的方式之一就是采用CPLD(復雜可編程邏輯器件和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列,它們的功能基本相同,都具有用戶現(xiàn)場可編程特性一都支持邊界掃描技術,只是芯片內(nèi)部結構的實現(xiàn)原理和結構略有不同,使得兩者在集成度、速度以及編程方式上具有各自的特點。CPLD組合邏輯功能很強,一個宏單元可以分解二、三十個組合邏輯輸入,它適合于設計譯碼等復雜的組合邏輯設計。FPGA包含LUT和觸發(fā)器非常多,而且芯片的平均邏輯單元成本大大低于CP

11、LD,它適用于包含大量觸發(fā)器的復雜時序邏輯設計。ASIC的特點是面向特定用戶的需求,品種多、批量少,要求設計和生產(chǎn)周期短,它作為集成電路技術與特定用戶的整機或系統(tǒng)技術緊密結合的產(chǎn)物,與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點【l卜¨J。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列是集成度很高的一種集成電路,用戶可對FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置,以實現(xiàn)不同的功能,因而也被用于對CPU的模擬。用戶對FPGA的編程數(shù)據(jù)放在Flash芯片中,通過上電加載到FPGA 中,對其進行初始化。也可在線對其編程,實現(xiàn)系統(tǒng)在線重構,這一特性可以構建

12、一個根據(jù)計算任務不同而實時定制的CPU,這是當今研究的熱門領域。3.1.2FPGA的特征FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array,內(nèi)部主要模塊包括三個部分:可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block、輸入輸出模塊lOB(Input.Output Block和內(nèi)部連線(Interconnect。FPGA的基本特點如下:1采用FPGA設計電路,有合適的芯片供用戶使用。2FPGA內(nèi)部有豐富的I/0引腳和觸發(fā)器。 423核心系統(tǒng)電路設計核心系統(tǒng)電路設計是這次設計的主體,其;2要在核一tL,控制器FPOA中實現(xiàn)光柵信號的辨向細分、計數(shù)等處理,實現(xiàn)邏輯

13、功能、外圍器件控制等功能。采用硬件設計軟件化的開發(fā)方式.利用硬件語言Verilog HDL經(jīng)行系統(tǒng)的硬件模塊設計,完成核心系統(tǒng)芯片的設計.圖4.I3為核心系統(tǒng)芯片的"發(fā)流程。設計輸入模塊設計四細分辨向計數(shù)器行為描述行為描述編許魚香通過姓仿真t w仿真完成蹦4.【3樣J_y:流群削首先根據(jù)光柵信號處理要求定義系統(tǒng)模塊需求,進行模塊的劃分,每一個功能模塊都要經(jīng)歷一個完整的FPGA模塊丌發(fā)過程。在Quartus中按照開發(fā)流程實現(xiàn)每個模塊的設計。4.23l計數(shù)模塊計數(shù)器是時序邏輯電路的一個基本功能模塊。其基本原理就是對輸入脈沖的個數(shù)進行計算。計數(shù)器種類繁多,根據(jù)計數(shù)脈沖引入方式不同.分為同步

14、計數(shù)器和異步計數(shù)器兩類;根據(jù)計數(shù)器在計數(shù)過程中數(shù)字的增減形勢.分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。為了提高測量精度,光柵信號的計數(shù)處理不是直接對光柵尺的輸出信號進行計數(shù),而是對光柵信號經(jīng)過細分辨向后得到的信號進行計數(shù),這樣需要計數(shù)的脈沖信號數(shù)達到幾十萬,因此計數(shù)器模塊為8位的可逆計數(shù)器,光柵尺J下向移動時進行加計數(shù).反向移動時進行減計數(shù)。 V婦ht11.疊0clk UI旁l dr U壁2l,如U蚤3母t.Il U:圖4.15計數(shù)器仿真波形4.2.3.2辨向細分模塊為了提高光柵尺的測量精度,其中信號的辨向細分是關鍵性一步。在進行辨向細分電路設計時,為了提高系統(tǒng)測量精度,就要避免單獨設計細分電

15、路或者辨向電路,而是把辨向細分電路作為一個整體來進行設計。而且辨向功能是對細分后的信號進行辨向設計,這樣才能提高測量精度。在第二章中我們已經(jīng)講解光柵尺的輸出信號情況,一是相位角相差90度的2路方波信號,二是相位依次相差90度的4路正弦信號。在FPGA中設計四倍細分辨向電路一般采用兩種方法:一種是兩路輸出,一路輸出方向,一路輸出脈沖;另一種也是兩路輸出,一路輸出正向脈沖,一路輸出反向脈沖。本文采用前一種方法,這種方法易于與可逆計數(shù)器連接,這樣可以方便的利用編寫的可逆計數(shù)器counter對經(jīng)過倍頻、辨向后的脈沖計數(shù)。四倍頻設計的關鍵在于鑒別出A、B信號的上升沿和下降沿。鑒別信號上升沿和下降沿的方法

16、很多,但其實質(zhì)都一樣,其原理如圖4.16所示。輸入信號與其延時信號異或后,就可得到倍頻信號。對于延時的處理方法也很多,如圖4.17所示。吖IN j蘭i芒fOUT。一.n n一。.幾一門圖4.16倍頻原理及波形圖微分型電路其信噪比小,抗干擾性差,積分型電路可以提高信噪比,但和微分型電路一樣有致命的缺點:當輸入信號頻率高時,電容充放電不及時,導致輸出信號嚴重變形;對于各路倍頻電路來說,電阻和電容的參數(shù)不可能完全一致,所以倍頻后的各路脈沖寬度不等,而且寬度的調(diào)節(jié)也比較困難。本設計中采用的數(shù)字型延時電路(寄存器延時可以很好地克服以上延時電路的缺點,延時的時間和各路倍頻的脈沖寬度由時鐘控制,倍頻后的脈沖

17、寬度均勻一致it71ns。=數(shù)字型微分型圖4一17延時電路如圖4.18所示電路圖即細分辨向和計數(shù)電路。有四路信號,信號A、B、時鐘信號CLK、清零信號CLR,其中A、B信號是相位差相差90度的方波信號,信號A超前于B時表示動尺光柵正向移動,A滯后于B時表示光柵反向運動。A、B信號經(jīng)過第一級D觸發(fā)器后變?yōu)锳1、B1信號,再經(jīng)過第二級D 觸發(fā)器后變A2、B2信號。D觸發(fā)器鎖存了輸入信號A、B的原始狀態(tài)和當前狀態(tài),并對信號進行了濾波整形。這樣在后續(xù)的倍頻電路中所使用的信號是Al、B1信號和A2、B2信號,避免了原始輸入信號所帶來的尖脈沖影響,對于系統(tǒng)的抗干擾性能則有了很大的提高。實現(xiàn)四倍細分的起碼條

18、件就是要保證eLK時鐘頻率大于A相(或B相信號頻率的4倍以上。在四倍頻辨向電路中,采用8個與門,兩個或非門等一系列時序邏輯器件,對A1、B1、A2、B2信號進行邏輯組合得到兩路輸出脈沖CLKADD、CLKSUBB。當A超前于B, CLKADD為加計數(shù)脈沖,CLKSUBB保持高電平:反之,當A滯后于B,CLKADD 保持高電平,CLKSUBB為減計數(shù)脈沖。系統(tǒng)的辨向功能,可以根據(jù)光柵的運動方向來判斷。通過加、減兩路信號的輸出情況就可得出光柵的運動方向,并計算單向運動的位移【Z122J。 為了更加明確判斷光柵的運動方向,把信號CLKADD和CLKSUBB通過RS觸發(fā)器,這樣可以得到ENADD信號。正向運動時ENADD為高電平,反向運動時為低電平,這更能直接得出光柵尺運動方向,也為后面的計數(shù)電路提供方向信號。把信號加、減兩路信號送到與門后得出總的計數(shù)脈沖ALLcount,對此進