基于FPGA的光柵尺信號智能接口模塊

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

1 光柵尺信號及電路設計要求

將光源、兩塊長(cháng)光柵（動(dòng)尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構成的光柵傳感器通常稱(chēng)為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動(dòng)尺移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號便變化一個(gè)周期，它是通過(guò)對信號變化周期的測量來(lái)測出動(dòng)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(guò)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信號可以作為較準信號以消除累積誤差。

圖1給出了動(dòng)尺移動(dòng)時(shí)A、B信號的變化情況。在A(yíng)信號的下降沿采集B信號，就可以判斷出運動(dòng)方向。圖中前半部分為正向運動(dòng)，A信號的上升沿及下降沿均比B信號超前1/4W，在A(yíng)信號下降沿采集的B信號為“1”；后半部分為反向運動(dòng)，A信號的上升沿及下降沿均比B信號滯后1/4W，在A(yíng)信號下降沿采集到的B信號為“0”。根據采集到的運動(dòng)信號方向和A信號變化的周期數用計數器進(jìn)行曲計數（正向計數或逆向計數），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、計數器等多種數字集成電路，測量分辨率為光柵柵距W。目前，計量用光柵尺的刻線(xiàn)一般為每毫米50~250線(xiàn)，對應的柵距W為20~4μm ，在精密測量中往往不能滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行曲細分。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)現信號四細分，其主要電路有：細分辨向、計數和接口電路等。以上功能可以由通用數字集成電路來(lái)完成，但這種設計方法所用芯片多，結構復雜。當然也可以通過(guò)單片機以及一些外圍芯片來(lái)完成，只是這種方法通用性差，編程復雜，而且增大了單片機的負擔，使單片機響應其它事件的實(shí)時(shí)性變差。

隨著(zhù)大規?？删幊踢壿嬈骷–PLD：復雜可編程邏輯器件；FPGA：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）的飛速發(fā)展，傳統的電路設計方法已大為改觀(guān)。許多傳統的邏輯電路完全可以用可編程邏輯器件來(lái)代替，并且可提高系統的可靠性，減小PCB的面積，使產(chǎn)品小型化，還有利于保護知識產(chǎn)權。利用EDA（電子設計自動(dòng)化）技術(shù)設計可編程邏輯器件已成為現代電子設計的一種必然趨勢。本文所介紹電路的接口模塊就是基于FPGA芯片完成的。

該電路設計有如下要求：利用FPGA芯片完成雙路光柵尺信號處理（考慮到2維X-Y平臺的應用場(chǎng)合）、四細分及辨向功能、24位可逆計數器、與微處理品器及各種單片機的并行接口電路（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)四細分、辨向后，可為兩路24信可逆計數器提供計數脈沖和方向信號。接口電路包括鎖存、譯碼、清零電路等，通過(guò)數據線(xiàn)D0~D7、地址線(xiàn)A0~A4、片選信號線(xiàn)CS來(lái)讀寫(xiě)控制與外部微控制器接口。接口采用8位數據總線(xiàn)，計數值（48位，占6個(gè)讀口）及清零命令等數據交換均通過(guò)不同口地址的讀寫(xiě)完成。該模塊的操作與其它智能接口器件（如8255、8253等）相類(lèi)似。

2 FPGA器件的選擇

根據設計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，本設計選用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SRAM來(lái)存儲編程數據，具有在系統可編程特性。具體的配置方式有被動(dòng)型和主動(dòng)型兩種，其中被動(dòng)型配置是在上電后由計算機通過(guò)編譯后產(chǎn)生的后綴為SOF的文件利用專(zhuān)門(mén)的下載電纜配置芯片。而主動(dòng)型配置是在上電后由專(zhuān)門(mén)的可編程配置芯片（如EPC1441）自動(dòng)對EPF10K10芯片進(jìn)行配置。EPF10K10具有高密度（可用邏輯門(mén)1萬(wàn)~25萬(wàn)；RAM；6114~4096位，512個(gè)宏單元）、高速度、低功耗等特點(diǎn)。芯片內含有專(zhuān)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 電路設計

本電路采用Altera公司的Max -plus 開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行設計。Max -plus 為Altera公司的專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)平臺，它包括設計輸入、編譯、仿真、器件編程等功能。該平臺使用方便，允許用戶(hù)用原理圖、VHDL語(yǔ)言、波形圖等多種輸入方法進(jìn)行設計。下面介紹系統主要電路的設計。

3．1 細分辨向電路

光柵尺信號的細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)于光柵辨向和細分電路的資料中，很多設計者都沒(méi)有綜合考慮辨向和細分的復雜性，而是把辨向和細分電路分開(kāi)，辨向電路只對光柵尺的輸出信號進(jìn)行辨向，而不是對細分后的脈沖信號進(jìn)行辨向，這樣實(shí)現測量誤差仍是光柵尺的柵距。在考慮辨向功能時(shí)，應對細分后的信號進(jìn)行辨向設計，否則不能提高測量精度。

細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(guò)第二級D觸發(fā)器變?yōu)锳”、B”信號。通過(guò)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(lái)的影響，這樣在后續倍頻電路中不再使用權原始信號A、B，因此提高了系統的抗干擾性能。D觸發(fā)器的時(shí)鐘由外部有源晶振提供，其頻率為1MHz，遠高于A(yíng)、B波形變化的頻率，因而可以認為，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A’、A”、B’、B”信號進(jìn)行的邏輯組合。

當光柵尺正向運動(dòng)時(shí)，從CLKADD信號端輸出四倍頻脈沖，而CLKSUBB端無(wú)信號輸出。當光柵尺反向運動(dòng)時(shí)，從CLKSUBB信號端輸出四倍頻脈沖，而CLKADD端無(wú)信號輸出。CLKADD和CLKSUBB相與后作為可逆計數器的計數脈沖CLK，讀出該計數器的值便可得出光柵移動(dòng)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可作為可逆計數器的方向信號。其仿真波形如圖4所示。

3．2 計數電路

本系統中的24位計數器采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設計。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位的計數結果COUNT（23：0）。用VHDL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)實(shí)現24位可逆計數器功能。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計，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、單片機等）的地址線(xiàn)A0~ A4、片選信號線(xiàn)CS、讀寫(xiě)控制信號，通過(guò)邏輯門(mén)電路的連接構成組合邏輯，給每一個(gè)內部單元提供使能信號。

（2）鎖存接口電路：由于內部各計數單元工作屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此外部微處理器（或單片機等）在讀取數據時(shí)，應該先給其發(fā)出鎖存信號然后再讀取數據，以保證讀出穩定的數據。鎖存器輸出設計為三態(tài)門(mén)輸出，與外部數據線(xiàn)連接，三態(tài)門(mén)的使能信號由譯碼電路提供。

（3）清零電路：電路中設計了清零電路。清零脈沖是通過(guò)外部寫(xiě)命令（8位）內部進(jìn)行譯碼的方式進(jìn)行的，而不是使用一根信號線(xiàn)進(jìn)行清零，這樣可以有效地防止在只使用一根信號線(xiàn)時(shí)受干擾等原因而引起的誤清零現象。

4 結束語(yǔ)

本設計經(jīng)過(guò)仿真、編譯實(shí)現后，將代碼下載到EPC1441可編程配置芯片，屬于主動(dòng)配置模式。在接口模塊上電后由EPC1441自動(dòng)對EPF10K10芯片進(jìn)行配置。該接口模塊已成功應用于于筆者設計的運動(dòng)控制系統中，成功地完成了對光柵尺（運動(dòng)控制系統中的位置反饋部件）信號的四細分處理功能，性能穩定可靠。如果在此設計的基礎上再加上譯碼驅動(dòng)和顯示電路，就可作為位移測量和顯示電路獨立使用。