光柵尺數據采集系統(tǒng)及實現(xiàn)

摘 要:本文對光柵尺的數據采集進行了研究，對其輸出的脈沖信號使用FPGA進行了采集，在FPGA內部采用細分，辨向，計數，緩存的處理手段實現(xiàn)了光柵尺的脈沖信號處理，使用Verilog HDL語言實現(xiàn)了處理邏輯，并通過了仿真驗證。處理后的數據緩存到FIFO中輸出給了USB接口，以通過其傳輸給上位機。

關鍵詞:光柵尺 FPGA USB 數據處理

中圖分類號:TM938 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)03(c)-0089-01

引言

光電軸角編碼器，又稱光電角位置傳感器。它以高精度計量圓光柵為檢測元件，通過光電轉換，將輸入的角位置信息轉換成相應的數字代碼，并可與計算機及顯示裝置相連接，不僅能夠實現(xiàn)數字測量與數字控制，而且與其它同類用途的傳感器相比，具有精度高，測量范圍廣體積小、重量輕，使用可靠，易于維護等優(yōu)點，具有較高的性能價格比，因此已普遍應用在雷達、光電經緯儀、地面指揮儀、機器人、數控機床和高精度閉環(huán)調速系統(tǒng)等諸多領域，是自動化設備理想的角度傳感器[1]。

本文使用RENISHAW公司生產的光柵尺解碼器對光電軸角編碼器進行讀數，讀數頭通過26針的D型插座輸出2組差分增量信號，然后使用FPGA對其輸出的信號進行采集處理，然后通過USB接口把數據傳送到上位機。

1 原理及實現(xiàn)

光柵尺讀數頭的輸出脈沖是相位相差90°的兩路脈沖方波，當軸沿著逆時針方向旋轉時，A信號領先于B信號相位90°，當軸沿著順時針方向旋轉時，B信號領先于A信號相位90°。A，B信號頻率的高低變化反映了軸旋轉速度的改變。

辨向邏輯的任務就是分清楚軸是順時針還是逆時針旋轉，通過分析A，B路的輸出波形可以總結出，當檢測到A信號的正跳變沿時，檢查B信號的狀態(tài)。若此時B信號為低，則可知旋轉沿著逆時針方向旋轉，若此時B信號為高，則是沿著逆時針方向旋轉的。

細分邏輯的任務就是提高光柵精度，通過對A和B信號的全部上升沿和下降沿進行計數，不需要專用的細分模塊，即可實現(xiàn)四細分;并通過在每個跳變沿判斷A與B的電平高低來實現(xiàn)辨向。

根據上述的原理可以寫出verilog HDL的部分代碼如下。

always @(rst or a)

if (!rst) q <= 524288;

else

begin

if (a==b) q=q-1;

else q=q+1;

end

always @(rst or b)

if (!rst) q <= 524288;

else

begin

if (a==b) q=q+1;

else q=q-1;

end

通過XILINX ISE的仿真圖如圖1所示:

可以看出該模塊完整的實現(xiàn)了對光柵尺的細分辨向及計數的功能。

2 與上位機的接口

細分辨向后的數據通過一個鎖存器存起來，并且以一定的頻率輸送到內部的FIFO中，內部FIFO與一片CY7C68013連接，CY7C68013是高集成、低功耗 USB 2.0 微控制器。

EZ-USB FX2(CY7C68013) 的一個低功耗版本。通過將USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強型8051微控制器，以及可編程外設接口集成到一個芯片中，賽普拉斯研發(fā)出一個極具成本優(yōu)勢的解決方案，不僅能在極短時間內完成從立項到投放市場的過程，而且其低功耗特點使得總線供電應用成為可能[2]。FPGA與CY7C68013的連接圖如圖2所示。

通過編寫用于實現(xiàn)FPGA與CY68013的接口模塊程序，USB固件程序，USB設備驅動程序以及客戶端應用程序就可以實現(xiàn)FPGA與外部上位機的通信，由于USB通信的模塊已經很成熟，這里就不列出具體的代碼。

3 結語

本系統(tǒng)只是導航采集系統(tǒng)中的一個小部分，在實際的工程中所要采集的數據遠遠不止這兩組，但是通過FPGA的并行性能和良好的可擴張性，可以輕松的實現(xiàn)12組數據的并行采集，并且在FPGA的控制邏輯下可以保證很高的實時性和可靠性。

參考文獻

[1]董莉莉，熊經武．光電編碼器的發(fā)展動態(tài)[J]．光學精密工程，2000(8):24～27.

[2]Cypress Semiconductor Corporation．EZ-USB FX2 TechnicalReference Manual(Version2．1)．www．cypress．com．2003.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文