基于FPGA和PCI的高精度測速板卡的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：經(jīng)典的碼盤數(shù)字測速方法有M法、T法、M／T法，但都有一定的不足。為了克服原有方法的不足，設(shè)計并實現(xiàn)了一種在較大速度范圍都有良好精度和良好快速性的測速方法。電路采用FPGA實現(xiàn)，測速得到的數(shù)據(jù)通過PCI總線從設(shè)備控制器實現(xiàn)與控制計算機通信。從而根據(jù)實際傳輸?shù)男枰喕?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PCI">PCI從設(shè)備控制器，實現(xiàn)了PCI總線I／O普通讀與猝發(fā)讀數(shù)據(jù)的功能。
關(guān)鍵詞：測速；FPGA；PCI；M／T

O 引言
增量式碼盤是一種原理簡單，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸?shù)奈恢门c速度測量裝置，已成功應(yīng)用于大量的控制系統(tǒng)中，極大地提高了其位置控制精度。理論上，只要測得碼盤輸出信號的頻率，即可得到被測軸的轉(zhuǎn)速，并且可以得到比模擬方法更高的測量精度。本文以增量式碼盤為基礎(chǔ)，設(shè)計實現(xiàn)一種在較寬速度范圍都有較高精度并且有良好反應(yīng)速度的速度、位置測量裝置。
利用增量式碼盤的反饋脈沖信號測量速度的典型方法有3種：M法、T法和M／T法。其中，M法是直接計取給定采樣周期內(nèi)的反饋脈沖數(shù)來測量速度的，低速時會因為脈沖數(shù)少而影響測速精度；T法是通過測量兩個相鄰反饋脈沖的間隔時間來測量速度的，高速時則因為脈沖間隔短而導(dǎo)致精度不高；M／T法結(jié)合了前兩種方法的優(yōu)點，在大致相等的采樣間隔內(nèi)，計取Cm個反饋脈沖，并同時計取這Cm個反饋脈沖間隔內(nèi)插入的高頻時標(biāo)信號數(shù)Cf，經(jīng)計算得到速度測量值。M／T法雖然克服了前兩種方法的缺點，但仍存在低速時采樣時機不確定，精度不高等問題，這給定周期采樣的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)帶來很大的不便，所以又出現(xiàn)了變M／T法等方法，以進一步改善M／T法的性能和實用性。
本文利用FPGA實現(xiàn)了一種改進的M／T法，克服經(jīng)典M／T法的不足，其測速電路與控制器間的數(shù)據(jù)接口形式有PCI總線和雙端口RAM，便于在高性能控制系統(tǒng)中使用。

1 總體方案
根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況，所設(shè)計的測速板具有位置測量和速度測量功能，如圖1所示，由倍頻辨向模塊、改進M／T法測速模塊、PCI從設(shè)備控制器三個部分組成。

1．1 倍頻辨向
增量式碼盤的典型輸出是兩個相位差為90°的方波信號A，B以及零位脈沖信號Z(見圖2)。

A，B之間的相位關(guān)系標(biāo)志被測軸的轉(zhuǎn)向，即當(dāng)正轉(zhuǎn)時A相超前B相90°，反轉(zhuǎn)時B相超前A相90°。對于每個確定的碼盤，其脈沖周期T對應(yīng)的碼盤角位移固定為θ，故其量化誤差為θ／2。如果能將A，B信號四倍頻，則計數(shù)脈沖的周期將減小到T／4，量化誤差下降為θ／8，從而使增量式碼盤的角位移測量精度提高4倍。從圖2可知，根據(jù)A，B兩方波信號之間相位關(guān)系的4次變化，即可產(chǎn)生四倍頻信號和辨向信號，這樣就可以實現(xiàn)增量式碼盤測量精度的提高。