基于FPGA和PCI的高精度測速板卡的設計與實(shí)現

摘要：經(jīng)典的碼盤(pán)數字測速方法有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，設計并實(shí)現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(shí)現，測速得到的數據通過(guò)PCI總線(xiàn)從設備控制器實(shí)現與控制計算機通信。從而根據實(shí)際傳輸的需要，簡(jiǎn)化了PCI從設備控制器，實(shí)現了PCI總線(xiàn)I／O普通讀與猝發(fā)讀數據的功能。
關(guān)鍵詞：測速；FPGA；PCI；M／T

O 引言
增量式碼盤(pán)是一種原理簡(jiǎn)單，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長(cháng)距離傳輸的位置與速度測量裝置，已成功應用于大量的控制系統中，極大地提高了其位置控制精度。理論上，只要測得碼盤(pán)輸出信號的頻率，即可得到被測軸的轉速，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(pán)為基礎，設計實(shí)現一種在較寬速度范圍都有較高精度并且有良好反應速度的速度、位置測量裝置。
利用增量式碼盤(pán)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的反饋脈沖數來(lái)測量速度的，低速時(shí)會(huì )因為脈沖數少而影響測速精度；T法是通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)相鄰反饋脈沖的間隔時(shí)間來(lái)測量速度的，高速時(shí)則因為脈沖間隔短而導致精度不高；M／T法結合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在大致相等的采樣間隔內，計取Cm個(gè)反饋脈沖，并同時(shí)計取這Cm個(gè)反饋脈沖間隔內插入的高頻時(shí)標信號數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(diǎn)，但仍存在低速時(shí)采樣時(shí)機不確定，精度不高等問(wèn)題，這給定周期采樣的數字伺服控制系統帶來(lái)很大的不便，所以又出現了變M／T法等方法，以進(jìn)一步改善M／T法的性能和實(shí)用性。
本文利用FPGA實(shí)現了一種改進(jìn)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據接口形式有PCI總線(xiàn)和雙端口RAM，便于在高性能控制系統中使用。

1 總體方案
根據控制系統的實(shí)際情況，所設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(jìn)M／T法測速模塊、PCI從設備控制器三個(gè)部分組成。

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

A，B之間的相位關(guān)系標志被測軸的轉向，即當正轉時(shí)A相超前B相90°，反轉時(shí)B相超前A相90°。對于每個(gè)確定的碼盤(pán)，其脈沖周期T對應的碼盤(pán)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(pán)的角位移測量精度提高4倍。從圖2可知，根據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(shí)現增量式碼盤(pán)測量精度的提高。