國產(chǎn)FPGA增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

張 晰,姜 元,姜潤強(qiáng),韓慶陽

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春 130033)

0 引言

近年來,隨著光電測控技術(shù)的不斷發(fā)展,光學(xué)調(diào)焦平臺作為高精度成像設(shè)備之一,在精密制造、醫(yī)學(xué)影像、光電測控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光學(xué)調(diào)焦平臺的準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定性對成像質(zhì)量有重要影響,而精確定位需要高分辨率的測量技術(shù)[1-6]。因此,光柵尺作為高分辨率非接觸式測量的專用傳感器,成為光學(xué)調(diào)焦平臺位置控制和測量的重要工具。

傳統(tǒng)的增量式光柵尺信號的采集一般采用產(chǎn)品化的數(shù)據(jù)采集卡或進(jìn)口的FPGA或DSP芯片開發(fā)數(shù)據(jù)采集和解碼,數(shù)據(jù)采集卡尺寸較大,輸出方式單一,不滿足定制需要。進(jìn)口器件的對外依存度較高且質(zhì)量等級較低。因此,本文提出了一種基于國產(chǎn)化FPGA芯片AG10K的增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由時鐘模塊、信號處理模塊、編碼通信模塊等組成,與傳統(tǒng)的增量式采集板相比,具有一定的可定制性,能夠大幅削減成本;同時能夠滿足硬件國產(chǎn)化的要求,保證了電路可移植性及廣泛性。此外,該系統(tǒng)兼顧傳統(tǒng)FPGA信號處理的高速性和穩(wěn)定性,能夠較好地適應(yīng)工業(yè)等領(lǐng)域的控制需求。綜上所述,基于國產(chǎn)化FPGA芯片AG10K的增量式光柵尺信號采集系統(tǒng),能為國產(chǎn)化和定制系統(tǒng)提供了新的選擇,具有較好的適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

增量式光柵尺是測量一定范圍內(nèi)位置、位移等物理量的常用光電傳感器。常見的增量式光柵尺主要測量原理基于莫爾條紋的衍射現(xiàn)象。其主要結(jié)構(gòu)由光源、光柵和光電接收管組成[7-10]。光柵尺工作時,光源通過透射或反射的方式經(jīng)過直線光柵,轉(zhuǎn)化為光透過的莫爾條紋:W=ω/θ,由于傾斜角θ非常小,因此莫爾條紋信號強(qiáng)度W遠(yuǎn)大于光柵柵距值ω,即將物理位移進(jìn)行了放大。再由光電傳感器將接收到的莫爾條紋光信號轉(zhuǎn)換成相位差90°的模擬電信號cos和sin,模擬信號通過鑒相電路,將其轉(zhuǎn)換為相位差90°的脈沖信號cos_p和sin_p。根據(jù)其脈沖的計數(shù)和相位關(guān)系通過采集算法得到位移和速度信息。直線式光柵尺通常提供的原始信號為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸特性和較好消除共模噪聲的影響,通常采用差分信號的方式進(jìn)行輸出。信號采集系統(tǒng)的主要功能是通過cos_p和sin_p的實(shí)時邏輯關(guān)系判斷光柵尺位移前進(jìn)或后退方向并計數(shù)判斷相對位置,通過零位信號Z_p確定絕對零位位置,結(jié)合計數(shù)確定測量值的絕對位置。相比絕對式光柵尺,增量式光柵具有體積小、成本低、前端處理電路簡潔的優(yōu)點(diǎn)。增量式光柵尺的工作原理如圖1所示。

圖1 增量式光柵尺的工作原理圖

2 增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 FPGA選擇

增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)的FPGA選型需要考慮以下4點(diǎn):首先是能夠兼顧多種電平標(biāo)準(zhǔn)的輸入,保證差分輸入信號能夠正確進(jìn)行采集;其次是具有靈活的時鐘管理模塊,能夠兼顧滿足較高頻率的采集模塊和穩(wěn)定的輸出通信模塊;然后需要足夠的邏輯和存儲單元,滿足采集系統(tǒng)的采集和存儲功能邏輯的實(shí)現(xiàn);最后,最好具有較高的集成度和通用的封裝,以滿足設(shè)計的集成化和便利化。

因此,選用了國產(chǎn)FPGA芯片AG10K。該芯片具備以下特點(diǎn):高密度架構(gòu),擁有10K的邏輯單元(LE)。嵌入式內(nèi)存塊M9K,支持最大414 Kbit的RAM空間,能夠滿足設(shè)計的功能和存儲邏輯要求。內(nèi)部集成2個PLL模塊,能夠提供設(shè)計邏輯的復(fù)雜時鐘。提供時鐘乘法和多種類型相移高速差分I/O標(biāo)準(zhǔn)支持,包括LVDS、RSDS、mini-LVDS、LVPECL,以及單端I/O標(biāo)準(zhǔn)支持,包括3.3、2.5、1.8、1.5 V以及LVCMOS和LVTTL,滿足輸入和輸出的信號要求。封裝類型為LQFP-144,易于布局。支持靈活的設(shè)備配置,可以通過JTAG和SPI接口進(jìn)行,不需要改變傳統(tǒng)的燒寫習(xí)慣。支持遠(yuǎn)程更新,通過“雙重啟動”等方式實(shí)現(xiàn)。綜合以上特點(diǎn),AG10K芯片是本系統(tǒng)設(shè)計的理想選擇。

2.2 總體設(shè)計

增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

以國產(chǎn)化的FPGA芯片為平臺,主要包括鑒向分頻模塊、雙向脈沖計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理存儲模塊和串口數(shù)據(jù)傳輸模塊。光柵尺平臺采用ATOM4T0-020345Q67型直線光柵尺,輸出信號采用差分形式輸出,并具有自動報警功能。光柵尺信號采集系統(tǒng)采用外置差分芯片將差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號。利用專用差分芯片對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,能夠有效降低信號產(chǎn)生的噪聲,提高噪聲容限。然后將零位信號Z_p以及相差90°的原始脈沖信號送入FPGA內(nèi),經(jīng)過鑒向模塊處理后,再經(jīng)雙向脈沖計數(shù)模塊對其進(jìn)行計數(shù)存儲,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后將數(shù)據(jù)鎖存通過串口模塊進(jìn)行編譯發(fā)送給主控系統(tǒng)以及上位機(jī)。

2.3 時鐘管理DCM模塊

直線式光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時鐘主要包括系統(tǒng)時鐘和通信時鐘2部分,國產(chǎn)化FPGA內(nèi)部集成有鎖相環(huán)為核心的DCM時鐘管理單元,能夠較準(zhǔn)確地為整個系統(tǒng)提供滿足系統(tǒng)要求頻率和相位的時鐘信號。通過鎖相環(huán)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的系統(tǒng)時鐘和通信時鐘,相比采用分頻方式對外部時鐘進(jìn)行設(shè)置,具有時鐘脈沖穩(wěn)定性好、相位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。因此調(diào)用IP核能夠較好節(jié)約片上資源和完成設(shè)計,本設(shè)計中外部輸入時鐘晶振為50 MHz,輸出時鐘為40 MHz和230 kHz,經(jīng)過鎖相環(huán)處理的時鐘信號,其信號質(zhì)量較好,穩(wěn)定性強(qiáng)。其中40 MHz時鐘作為采集邏輯的功能時鐘,頻率較高,能夠保證對輸入信號的上升下降沿的準(zhǔn)確判斷,具有較高的采樣頻率和較強(qiáng)的數(shù)字邏輯處理能力,滿足采集和信號處理要求;230 kHz為串口通信提供分頻時鐘,較便捷地滿足串口230 400波特率的指標(biāo)要求。

2.4 鑒向分頻模塊

增量式光柵尺輸入信號為經(jīng)過整形處理后的差分信號cos_p、sin_p和Z_p,Z_p為零位信號,用來標(biāo)記光柵尺測量的絕對零位。光柵尺前進(jìn)時,信號sin_p滯后于信號cos_p相位90°,后退時,信號cos_p滯后于sin_p信號相位90°,以此特點(diǎn)來設(shè)計采樣算法邏輯針對光柵尺位移方向進(jìn)行判別。在判斷位移方向的同時,對2路信號的上升下降沿需要分別采樣,以此邏輯設(shè)計算法來完成四倍頻的雙向計數(shù)任務(wù)。

2.5 濾波模塊

在實(shí)際的工程環(huán)境中,存在各種噪聲和干擾,因此針對采集系統(tǒng)需要設(shè)計濾波算法保證采集信號的可靠性,濾波模塊主要考慮2種情況:一種是尖刺脈沖會影響Z_p出現(xiàn)假零位的情況(如圖3所示),影響對絕對位置的測量;另一種是高頻毛刺或負(fù)載平臺的振動會對cos_p和sin_p產(chǎn)生往復(fù)的脈沖(如圖4所示),影響正反轉(zhuǎn)方向的計數(shù)功能。

圖3 尖刺脈沖影響的假零位信號

圖4 計數(shù)信號正反方向干擾

針對零位信號的干擾信號特點(diǎn),干擾信號通常為脈沖幅值高、持續(xù)時間短的尖刺脈沖,因此對其進(jìn)行采樣時,設(shè)置了一個保持時間閾值,濾除高電平持續(xù)時間較短的干擾信號,保證了真正的零位信號的判別。針對正反計數(shù)信號噪聲干擾的濾波,首先通過D觸發(fā)器對采集輸入信號進(jìn)行異步轉(zhuǎn)同步處理,這樣可以有效消除信號的亞穩(wěn)態(tài),濾除部分噪聲毛刺干擾,然后針對采集狀態(tài)進(jìn)行正反雙向計數(shù),邏輯設(shè)計考慮到晃動時,對計數(shù)進(jìn)行增減分別處理,這樣可以避免晃動累計計數(shù)造成誤差。

采集邏輯采用狀態(tài)機(jī)對2路輸入信號進(jìn)行判別,并對其上升下降沿分別采樣,并采用2個標(biāo)志脈沖ppluse和npluse分別區(qū)分光柵尺前進(jìn)和后退產(chǎn)生的信號沿,此種方式能夠有效濾除信號發(fā)生抖動時所造成的假計數(shù),從而避免影響采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。其具體邏輯功能由Moore型狀態(tài)機(jī)完成,其狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分頻計數(shù)模塊狀態(tài)機(jī)

通過該狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)對原始信號的辨向及四倍頻和鑒向功能,可以準(zhǔn)確判斷光柵尺位移方向,并可以快速對信號的邏輯狀態(tài)改變進(jìn)行鑒別,邏輯完備具有較好的魯棒性和抗噪性。

2.6 計數(shù)模塊

根據(jù)調(diào)光系統(tǒng)對光柵尺長度輸出的要求,需要采用24位的雙向可逆脈沖計數(shù)器,對光柵尺輸出信號的絕對位置鎖存,當(dāng)光柵尺正向移動時,ppluse計數(shù)加1,方向標(biāo)志位DIR表示為1,計數(shù)器進(jìn)行遞增計數(shù);當(dāng)光柵尺反向移動時,npluse計數(shù)加1,方向標(biāo)志位DIR表示為0,計數(shù)器進(jìn)行遞減計數(shù)。當(dāng)光柵尺經(jīng)過零位時,計數(shù)器會進(jìn)行清零校正,清零后的下一個脈沖根據(jù)其移動的正反方向進(jìn)行增減計數(shù),負(fù)值用補(bǔ)碼的形式進(jìn)行計數(shù)鎖存。

2.7 數(shù)據(jù)處理和通信模塊

增量式光柵尺采集計數(shù)鎖存為24位的補(bǔ)碼數(shù)據(jù),由最高位的符號位和23位的數(shù)據(jù)位構(gòu)成。為了配合采集系統(tǒng)的RS485通信接口,在FPGA內(nèi)設(shè)計串口模塊用來實(shí)現(xiàn)適合系統(tǒng)的串口通信協(xié)議,串口通信模塊采用8位字長,1位起始位,1位停止位,無奇偶校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)格式。通過串口協(xié)議將24位數(shù)據(jù)分為3組,由高到低依次發(fā)送,并在每包數(shù)據(jù)加幀頭和幀尾,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

功能仿真采用modelsim進(jìn)行仿真驗(yàn)證,模擬輸入零位信號Z_p以及相位差90°的輸入信號cos_p和sin_p,并依次按照模擬零位、模擬正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)調(diào)整時序輸入波形,仿真波形如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)采集到零位信號Z_p時,輸出寄存器輸出為0,當(dāng)sin_p信號超前cos_p信號90°時,計數(shù)器正向計數(shù);當(dāng)cos_p信號超前sin_p信號90°時,計數(shù)器反向計數(shù)。通過功能仿真,可以驗(yàn)證增量式光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能正確。

圖6 功能仿真波形

3.2 工程驗(yàn)證

工程驗(yàn)證包括板級調(diào)試和現(xiàn)場驗(yàn)證2部分:板級調(diào)試采用QuartusII的Signal Tap工具,利用直線式光柵尺平臺作為輸入,通過對采集邏輯內(nèi)部各信號進(jìn)行觀測,其信號輸出結(jié)果如圖7所示,與仿真結(jié)果符合,能夠準(zhǔn)確完成采集功能。

現(xiàn)場測試采用平臺,增量式光柵尺通過接口直接連接到增量式光柵尺采集系統(tǒng)板,通過增量式光柵尺采集系統(tǒng)板對光柵尺的位置信息進(jìn)行采集、編碼,采集板通過485串口將實(shí)時位置上傳給調(diào)光調(diào)焦控制系統(tǒng),并將實(shí)時位置轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)主控軟件,圖8為實(shí)驗(yàn)室采集系統(tǒng)搭建實(shí)物,圖9為上位機(jī)軟件部分截圖。

圖7 采集邏輯信號正反測試波形

圖8 增量式光柵尺采集系統(tǒng)硬件平臺

圖9 調(diào)焦系統(tǒng)上位機(jī)軟件部分截圖

針對采集的準(zhǔn)確性,通過多次重復(fù)對采集測量的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,直線式光柵尺最大分辨率為1 μm,即光柵尺經(jīng)過采集系統(tǒng)倍頻細(xì)分后的每個碼值所代表的長度。測量通過杠桿千分表和上位機(jī)讀取的絕對位置進(jìn)行重復(fù)測量,對比其位移測量是否準(zhǔn)確,表1為測量結(jié)果。

表1 采集系統(tǒng)位移測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于國產(chǎn)化FPGA的光學(xué)調(diào)焦平臺增量式光柵尺信號采集系統(tǒng),并對國產(chǎn)化選型進(jìn)行了詳細(xì)介紹,該系統(tǒng)可用于光學(xué)調(diào)焦平臺的精確測量和控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性,可滿足光學(xué)調(diào)焦平臺的實(shí)際需求。該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn),采用國產(chǎn)化芯片使該采集系統(tǒng)具有廣泛適用性,能夠滿足后續(xù)其他工程項(xiàng)目的應(yīng)用,具有較好的可移植性。