一種基于FPGA的多路光柵信號采集方案

0 引言

光柵傳感器作為精密機(jī)械量測量的有效工具在線位移、角位移、速度、加速度等工程的測量上得到了廣泛應(yīng)用。在長度測量中，光柵微位移傳感器可以達(dá)到μm級的測量精度，同時(shí)可以動態(tài)采集長度的變化，從而可以精確地算出運(yùn)動速度甚至加速度。在曲面測量中，相比于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)機(jī)、輪廓儀，光柵傳感器也具有可以動態(tài)檢測面形變化，精度高，可以實(shí)時(shí)輸出面形數(shù)據(jù)等優(yōu)勢。

多路選擇技術(shù)的數(shù)據(jù)采集中得到了廣泛應(yīng)用，在一些分布式系統(tǒng)當(dāng)中，使用多路選擇技術(shù)可以減少I/O口使用數(shù)量，提高系統(tǒng)集成度。具體來說，使用多路選擇開關(guān)對多路信號進(jìn)行選通處理，將多路選擇開關(guān)的輸出端連接采集芯片的I/O口，使采集芯片對各路信號進(jìn)行輪番采樣，但輪番采樣使得原始波形的采集離散化，即在芯片對采得的離散信號進(jìn)行處理前，需要對采得的波形進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)選用了60 支高精度光柵傳感器(精度為0.5 μm)，按環(huán)帶狀排布，以測量圓狀動態(tài)面形變化。

實(shí)際測量時(shí)，60個(gè)光柵微位移傳感器安放在測量臺上，待測面形與各傳感器接觸，待測面形變化時(shí)，各路光柵傳感器會產(chǎn)生相應(yīng)的位移，將面形各采集點(diǎn)處的數(shù)據(jù)變化采集起來，通過一定的插值算法還原面形的動態(tài)變化。

通常情況下，采集系統(tǒng)選用FPGA作為光柵信號的采集芯片。因系統(tǒng)涉及的信號路數(shù)較多，單片低端FPGA 很難滿足信號采集的要求，故需要多片FPGA 并行工作，最后用一片DSP芯片或單片機(jī)對多片F(xiàn)PGA進(jìn)行輪番尋址取值，再將各傳感器的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本也較高。

本文提出了一種基于多路選擇技術(shù)的多路信號采集方案，針對多路信號無法同時(shí)被單芯片采集的問題，采用串、并結(jié)合采樣的方法，可以在滿足采樣精度要求的情況下，實(shí)現(xiàn)單FPGA上的多路信號采集，如圖2所示。

每個(gè)傳感器輸出信號中，表示傳感器移動距離的信號有兩路(A、B)。4 個(gè)傳感器分為一組，共有8 路信號(1A、…、4A,1B、…、4B)。將1A~4A 接雙4 位多路選擇開關(guān)(如74HC4052)的1Y0~1Y3,1B~4B 接多路選擇開關(guān)的2Y0~2Y3.FPGA發(fā)出2位控制信號同時(shí)控制該多選芯片MUX1.即FPGA控制信號為00時(shí)，MUX1的1Z輸出為1A,2Z輸出為1B,此時(shí)FPGA接收到的信號為傳感器1 的信號。FPGA 的控制信號進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)01時(shí)，MUX1的1Z 輸出為2A,2Z 輸出為2B,此時(shí)傳感器2的信號被采集。依次類推，傳感器4的信號之后重新返回到傳感器1上。這樣就形成一個(gè)循環(huán)采樣的過程。

在對采樣頻率要求不高時(shí)，多路并行采樣可以節(jié)省很多IO資源，同時(shí)精度也可以得到保證。FPGA內(nèi)部用狀態(tài)機(jī)可以完成多路選擇的控制，如圖3所示。

2 光柵信號預(yù)處理

光柵位移傳感器輸出為兩路相位相差90°的方波信號，如圖4所示，正常情況下可以通過兩路波形的上升、下降沿的個(gè)數(shù)來計(jì)量位移的實(shí)際變化;并由兩路信號的瞬時(shí)相位變化得出位移的移動方向。但由于本方案使用循環(huán)采樣的方法，使得某路光柵信號只有14 被采集到，故需通過相關(guān)方法還原原始信號。

這里采用通過濾波引入臨時(shí)信號的方法，將采集信號通過時(shí)鐘延時(shí)將采樣波形保持為采樣值四個(gè)時(shí)鐘周期，生成類似于原始信號的臨時(shí)信號，如圖5所示。

濾波的作用是消除毛刺等噪聲對采樣信號產(chǎn)生的影響，常規(guī)的濾波方法為通過對若干個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)信號的判斷來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)信號的值并未發(fā)生跳轉(zhuǎn)時(shí)，認(rèn)為信號值為真實(shí)值，可以作為進(jìn)一步處理的臨時(shí)信號，如圖6所示。可以看出臨時(shí)信號僅僅比原始波形信號滯后了若干時(shí)間(該滯后時(shí)間所對應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)小于串行采樣數(shù)，此處串行采樣數(shù)為4)，這樣可以基本準(zhǔn)確地還原原始的波形，細(xì)分辨向計(jì)數(shù)等操作基于該臨時(shí)信號，當(dāng)信號周期遠(yuǎn)大于時(shí)鐘周期，即光柵信號變化緩慢時(shí)，對采樣的精度基本沒有影響。

3 多路光柵信號并行采集

對8 路光柵信號按上述方法進(jìn)行處理，如圖7 所示。在圖中所示范圍內(nèi)，傳感器1~4產(chǎn)生以下信號：增加18、減少11、先減1再加14、減少13.

觀察圖中A、B兩處的計(jì)數(shù)，如圖8所示。A處傳感器1~4的初始值為64,0,8,4,B處可見傳感器1~4的計(jì)數(shù)值為82,-11,21,-9.與產(chǎn)生的脈沖信號完全符合，說明實(shí)現(xiàn)了正確的數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié)論

本方案適用于低速且輸入較多的數(shù)據(jù)采集裝置，對于高速信號，信號周期與時(shí)鐘周期相差倍數(shù)較小時(shí)，此法會造成有效信號的損失，并不適用。當(dāng)信號周期遠(yuǎn)大于時(shí)鐘周期時(shí)(Ts > 20Tclk )，引入的臨時(shí)信號僅僅比原始信號滯后幾個(gè)時(shí)鐘周期(該滯后小于并行采樣數(shù)乘以時(shí)鐘周期)，整體上可以比較好地還原初始波形。同時(shí)，臨時(shí)信號還能有效消除一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的部分波形抖動，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的低速多輸入數(shù)據(jù)采集。