基于FPGA的光柵尺信號智能接口模塊

關鍵詞：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、兩塊長光柵（動尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，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相三個電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個信號周期相同，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給出了動尺移動時A、B信號的變化情況。在A信號的下降沿采集B信號，就可以判斷出運動方向。圖中前半部分為正向運動，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)采集到的運動信號方向和A信號變化的周期數(shù)用計數(shù)器進行曲計數(shù)（正向計數(shù)或逆向計數(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，計量用光柵尺的刻線一般為每毫米50~250線，對應的柵距W為20~4μm ，在精密測量中往往不能滿足要求，需要進行曲細分。如果同時考慮A、90o信號上升沿和下降沿的各種情況，就可以實現(xiàn)信號四細分，其主要電路有：細分辨向、計數(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，但這種設計方法所用芯片多，結構復雜。當然也可以通過單片機以及一些外圍芯片來完成，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時性變差。

隨著大規(guī)模可編程邏輯器件（CPLD：復雜可編程邏輯器件；FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列）的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電路設計方法已大為改觀。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，還有利于保護知識產(chǎn)權。利用EDA（電子設計自動化）技術設計可編程邏輯器件已成為現(xiàn)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平臺的應用場合）、四細分及辨向功能、24位可逆計數(shù)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(shù)器提供計數(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，計數(shù)值（48位，占6個讀口）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)設計要求和綜合估算整個電路所需要的管腳和宏單元的個數(shù)，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算機通過編譯后產(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芯片進行配置。EPF10K10具有高密度（可用邏輯門1萬~25萬；RAM；6114~4096位，512個宏單元）、高速度、低功耗等特點。芯片內(nèi)含有專用進位鏈和級聯(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 開發(fā)平臺進行設計。Max -plus 為Altera公司的專門開發(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，允許用戶用原理圖、VHDL語言、波形圖等多種輸入方法進行設計。下面介紹系統(tǒng)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鍵性一步。在筆者所參考的關于光柵辨向和細分電路的資料中，很多設計者都沒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，辨向電路只對光柵尺的輸出信號進行辨向，而不是對細分后的脈沖信號進行辨向，這樣實現(xiàn)測量誤差仍是光柵尺的柵距。在考慮辨向功能時，應對細分后的信號進行辨向設計，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)器的時鐘由外部有源晶振提供，其頻率為1MHz，遠高于A、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、時序邏輯實現(xiàn)A’、A”、B’、B”信號進行的邏輯組合。

當光柵尺正向運動時，從CLKADD信號端輸出四倍頻脈沖，而CLKSUBB端無信號輸出。當光柵尺反向運動時，從CLKSUBB信號端輸出四倍頻脈沖，而CLKADD端無信號輸出。CLKADD和CLKSUBB相與后作為可逆計數(shù)器的計數(shù)脈沖CLK，讀出該計數(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可作為可逆計數(shù)器的方向信號。其仿真波形如圖4所示。

3．2 計數(shù)電路

本系統(tǒng)中的24位計數(shù)器采用VHDL語言進行設計。輸入信號定義為時鐘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(shù)結果COUNT（23：0）。用VHDL語言來編寫實現(xiàn)24位可逆計數(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成組合邏輯，給每一個內(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（或單片機等）在讀取數(shù)據(jù)時，應該先給其發(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)。鎖存器輸出設計為三態(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：電路中設計了清零電路。清零脈沖是通過外部寫命令（8位）內(nèi)部進行譯碼的方式進行的，而不是使用一根信號線進行清零，這樣可以有效地防止在只使用一根信號線時受干擾等原因而引起的誤清零現(xiàn)象。

4 結束語

本設計經(jīng)過仿真、編譯實現(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芯片進行配置。該接口模塊已成功應用于于筆者設計的運動控制系統(tǒng)中，成功地完成了對光柵尺（運動控制系統(tǒng)中的位置反饋部件）信號的四細分處理功能，性能穩(wěn)定可靠。如果在此設計的基礎上再加上譯碼驅(qū)動和顯示電路，就可作為位移測量和顯示電路獨立使用。