基于FPGA的光柵尺信號智能接口模塊

關(guān)鍵詞：光柵尺 四倍頻細(xì)分 辨向 EDA FPGA EPF10K10

1 光柵尺信號及電路設(shè)計(jì)要求

將光源、兩塊長光柵（動尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個(gè)柵距，輸出電信號便變化一個(gè)周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出動就與定就職相對位移。目前使用的光柵尺的輸出信號一般有兩種形式，一是相位角相差90o的2路方波信號，二是相位依次相差90o的4路正弦信號。這些信號的空間位置周期為W。本文針對輸出方波信號的光柵尺進(jìn)行了討論，而對于輸出正弦波信號的光柵尺，經(jīng)過整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘栞敵觥?/P>

輸出方波的光柵尺有A相、B相和Z相三個(gè)電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個(gè)信號周期相同，均為W，相位差90o。Z信號可以作為較準(zhǔn)信號以消除累積誤差。

圖1給出了動尺移動時(shí)A、B信號的變化情況。在A信號的下降沿采集B信號，就可以判斷出運(yùn)動方向。圖中前半部分為正向運(yùn)動，A信號的上升沿及下降沿均比B信號超前1/4W，在A信號下降沿采集的B信號為“1”；后半部分為反向運(yùn)動，A信號的上升沿及下降沿均比B信號滯后1/4W，在A信號下降沿采集到的B信號為“0”。根據(jù)采集到的運(yùn)動信號方向和A信號變化的周期數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行曲計(jì)數(shù)（正向計(jì)數(shù)或逆向計(jì)數(shù)），就可以測算出總位移。

在上述信號處理、測量電路中，用到了觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等多種數(shù)字集成電路，測量分辨率為光柵柵距W。目前，計(jì)量用光柵尺的刻線一般為每毫米50~250線，對應(yīng)的柵距W為20~4μm ，在精密測量中往往不能滿足要求，需要進(jìn)行曲細(xì)分。如果同時(shí)考慮A、90o信號上升沿和下降沿的各種情況，就可以實(shí)現(xiàn)信號四細(xì)分，其主要電路有：細(xì)分辨向、計(jì)數(shù)和接口電路等。以上功能可以由通用數(shù)字集成電路來完成，但這種設(shè)計(jì)方法所用芯片多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)然也可以通過單片機(jī)以及一些外圍芯片來完成，只是這種方法通用性差，編程復(fù)雜，而且增大了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，使單片機(jī)響應(yīng)其它事件的實(shí)時(shí)性變差。

隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷–PLD：復(fù)雜可編程邏輯器件；FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列）的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法已大為改觀。許多傳統(tǒng)的邏輯電路完全可以用可編程邏輯器件來代替，并且可提高系統(tǒng)的可靠性，減小PCB的面積，使產(chǎn)品小型化，還有利于保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。利用EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）技術(shù)設(shè)計(jì)可編程邏輯器件已成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的一種必然趨勢。本文所介紹電路的接口模塊就是基于FPGA芯片完成的。

該電路設(shè)計(jì)有如下要求：利用FPGA芯片完成雙路光柵尺信號處理（考慮到2維X-Y平臺的應(yīng)用場合）、四細(xì)分及辨向功能、24位可逆計(jì)數(shù)器、與微處理品器及各種單片機(jī)的并行接口電路（包括鎖存、譯碼、清零電路等）。其對外接口信號如圖2所示。

INA1、INB1、INA2、INB2分別為兩路A、B信號。作為處理電路 輸入信號，這2路信號經(jīng)四細(xì)分、辨向后，可為兩路24信可逆計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖和方向信號。接口電路包括鎖存、譯碼、清零電路等，通過數(shù)據(jù)線D0~D7、地址線A0~A4、片選信號線CS來讀寫控制與外部微控制器接口。接口采用8位數(shù)據(jù)總線，計(jì)數(shù)值（48位，占6個(gè)讀口）及清零命令等數(shù)據(jù)交換均通過不同口地址的讀寫完成。該模塊的操作與其它智能接口器件（如8255、8253等）相類似。

2 FPGA器件的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和綜合估算整個(gè)電路所需要的管腳和宏單元的個(gè)數(shù)，本設(shè)計(jì)選用EPF10K10。它是ALTERA公司FLEX10K系列產(chǎn)品之一，是一種嵌入式可編程邏輯器件。EPF10K10采用CMOS SRAM制靠工藝，使用權(quán)SRAM來存儲編程數(shù)據(jù)，具有在系統(tǒng)可編程特性。具體的配置方式有被動型和主動型兩種，其中被動型配置是在上電后由計(jì)算機(jī)通過編譯后產(chǎn)生的后綴為SOF的文件利用專門的下載電纜配置芯片。而主動型配置是在上電后由專門的可編程配置芯片（如EPC1441）自動對EPF10K10芯片進(jìn)行配置。EPF10K10具有高密度（可用邏輯門1萬~25萬；RAM；6114~4096位，512個(gè)宏單元）、高速度、低功耗等特點(diǎn)。芯片內(nèi)含有專用進(jìn)位鏈和級聯(lián)鏈及快速通道，故其互連方式十分靈活。

3 電路設(shè)計(jì)

本電路采用Altera公司的Max -plus 開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。Max -plus 為Altera公司的專門開發(fā)平臺，它包括設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真、器件編程等功能。該平臺使用方便，允許用戶用原理圖、VHDL語言、波形圖等多種輸入方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面介紹系統(tǒng)主要電路的設(shè)計(jì)。

3．1 細(xì)分辨向電路

光柵尺信號的細(xì)分與辨向是提高光柵尺測量精度的關(guān)鍵性一步。在筆者所參考的關(guān)于光柵辨向和細(xì)分電路的資料中，很多設(shè)計(jì)者都沒有綜合考慮辨向和細(xì)分的復(fù)雜性，而是把辨向和細(xì)分電路分開，辨向電路只對光柵尺的輸出信號進(jìn)行辨向，而不是對細(xì)分后的脈沖信號進(jìn)行辨向，這樣實(shí)現(xiàn)測量誤差仍是光柵尺的柵距。在考慮辨向功能時(shí)，應(yīng)對細(xì)分后的信號進(jìn)行辨向設(shè)計(jì)，否則不能提高測量精度。

細(xì)分辨向電路的原理圖如圖3所示，光柵尺輸出的相差為90 o的方波信號INA、INB經(jīng)RC濾波和施密特整形后（芯片外處理）輸出信號A、B，然后經(jīng)第一級D觸發(fā)器后變?yōu)锳’、B’信號，再經(jīng)過第二級D觸發(fā)器變?yōu)锳”、B”信號。通過D觸發(fā)器可以對信號進(jìn)行整形，從而消除了輸入信號中尖脈沖帶來的影響，這樣在后續(xù)倍頻電路中不再使用權(quán)原始信號A、B，因此提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。D觸發(fā)器的時(shí)鐘由外部有源晶振提供，其頻率為1MHz，遠(yuǎn)高于A、B波形變化的頻率，因而可以認(rèn)為，D觸發(fā)器的輸出端Q能跟蹤輸入端D的變化。在四倍頻辨向電路中，采用組合、時(shí)序邏輯實(shí)現(xiàn)A’、A”、B’、B”信號進(jìn)行的邏輯組合。

當(dāng)光柵尺正向運(yùn)動時(shí)，從CLKADD信號端輸出四倍頻脈沖，而CLKSUBB端無信號輸出。當(dāng)光柵尺反向運(yùn)動時(shí)，從CLKSUBB信號端輸出四倍頻脈沖，而CLKADD端無信號輸出。CLKADD和CLKSUBB相與后作為可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖CLK，讀出該計(jì)數(shù)器的值便可得出光柵移動的位置。CLKADD和CLKSUBB信號組成的RS觸發(fā)器電路可產(chǎn)生ENADD，ENSUBB。ENADD可作為可逆計(jì)數(shù)器的方向信號。其仿真波形如圖4所示。

3．2 計(jì)數(shù)電路

本系統(tǒng)中的24位計(jì)數(shù)器采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。輸入信號定義為時(shí)鐘CLK、方向信號fx =ENADD ,清零信號CLR（后面有介紹）。輸出信號定義為24位的計(jì)數(shù)結(jié)果COUNT（23：0）。用VHDL語言來編寫實(shí)現(xiàn)24位可逆計(jì)數(shù)器功能。其仿真信號如圖5所示。

3．3 接口電路

接口電路用原理圖法設(shè)計(jì)，電路包括以下部分：

（1）地址譯碼電路：輸入信號為外部（微處理器、單片機(jī)等）的地址線A0~ A4、片選信號線CS、讀寫控制信號，通過邏輯門電路的連接構(gòu)成組合邏輯，給每一個(gè)內(nèi)部單元提供使能信號。

（2）鎖存接口電路：由于內(nèi)部各計(jì)數(shù)單元工作屬于動態(tài)過程，因此外部微處理器（或單片機(jī)等）在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先給其發(fā)出鎖存信號然后再讀取數(shù)據(jù)，以保證讀出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。鎖存器輸出設(shè)計(jì)為三態(tài)門輸出，與外部數(shù)據(jù)線連接，三態(tài)門的使能信號由譯碼電路提供。

（3）清零電路：電路中設(shè)計(jì)了清零電路。清零脈沖是通過外部寫命令（8位）內(nèi)部進(jìn)行譯碼的方式進(jìn)行的，而不是使用一根信號線進(jìn)行清零，這樣可以有效地防止在只使用一根信號線時(shí)受干擾等原因而引起的誤清零現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)經(jīng)過仿真、編譯實(shí)現(xiàn)后，將代碼下載到EPC1441可編程配置芯片，屬于主動配置模式。在接口模塊上電后由EPC1441自動對EPF10K10芯片進(jìn)行配置。該接口模塊已成功應(yīng)用于于筆者設(shè)計(jì)的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，成功地完成了對光柵尺（運(yùn)動控制系統(tǒng)中的位置反饋部件）信號的四細(xì)分處理功能，性能穩(wěn)定可靠。如果在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再加上譯碼驅(qū)動和顯示電路，就可作為位移測量和顯示電路獨(dú)立使用。