光柵式傳感器細(xì)分技術(shù)研究

劉薇

摘要：給出了一種基于插值芯片GC-IP2000和FPGA的光柵式傳感器的細(xì)分方法，設(shè)計(jì)了其硬件電路，編寫了相應(yīng)的細(xì)分軟件。結(jié)果表明：該方法細(xì)分倍數(shù)可達(dá)8192且可調(diào)，可方便地對(duì)各種光柵或編碼器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高倍率細(xì)分。

關(guān)鍵詞：光柵；細(xì)分；GC-IP2000；FPGA

中圖分類號(hào)： TG82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）24-0156-02

Study on Interpolation Technology of the Raster

LIU Wei

（Jiangxi Vocational College of Finance and Econamics， Jiujiang 332000，China）

Abstract： Proposed a interpolation method of raster based on the GC-IP2000 and FPGA，designed its circuit and software. Results shows that the max interpolation can reach 8192 and adjustable and can widely used to interpolate the analog signal of raster or encoder.

Key words：raster； interpolation； GC-IP2000；FPGA

光柵作為精密測(cè)量的一種超精密工具，已在大型機(jī)床加工設(shè)備、中小型測(cè)量設(shè)備、各類便攜式精密測(cè)量?jī)x器、超精加工等方面得到了廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)控技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，要求光柵傳感器也向高精度、高速度、智能和集成化發(fā)展，這就要求光柵傳感器提高其分辨率，主要有兩種方法：提高光柵的刻線密度和提高莫爾條紋的細(xì)分倍數(shù)。若想進(jìn)一步提高光柵的線密度，不僅在工藝上難以實(shí)現(xiàn)，成本也很高，同時(shí)柵距越小，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)的要求也就越嚴(yán)格，光柵的極限運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)隨之降低[1]。因此各廠家和用戶都在尋求通過對(duì)提高光柵莫爾條紋的細(xì)分倍數(shù)來提高光柵的精度和降低成本。

目前，大部分光柵制造廠家均會(huì)配置相應(yīng)的光柵細(xì)分盒，細(xì)分倍數(shù)可達(dá)數(shù)百或數(shù)千，這種細(xì)分盒使用方便，但價(jià)格昂貴，而且用戶使用靈活性低。因而很多用戶都是獨(dú)立研發(fā)光柵的細(xì)分裝置，其細(xì)分方法主要有電阻鏈細(xì)分，利用傳統(tǒng)低倍細(xì)分芯片進(jìn)行細(xì)分等，但這些方法細(xì)分倍數(shù)均較低，最高只能達(dá)到數(shù)百，很難滿足現(xiàn)在日益精密的測(cè)量及制造要求。而本文給出的光柵細(xì)分方法其細(xì)分倍數(shù)最高可達(dá)8192且其細(xì)分倍數(shù)可方便進(jìn)行調(diào)整，成本低，可方便地對(duì)光柵或編碼器輸出的正弦模擬信號(hào)進(jìn)行高倍率細(xì)分。

1 概念和特征

光柵式傳感器（optical grating transducer）指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。光柵式傳感器特點(diǎn)有：①精度高。光柵式傳感器在大量程測(cè)量長(zhǎng)度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅鳌Ｔ趫A分度和角位移連續(xù)測(cè)量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的；②大量程測(cè)量兼有高分辨力。感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測(cè)量的特點(diǎn)，但分辨力和精度都不如光柵式傳感器；③可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化；④具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)性強(qiáng)，油污和灰塵會(huì)影響它的可靠性。主要適用于在實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境較好的車間使用。這種傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中，可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

2 總體方案

本文所述的光柵細(xì)分技術(shù)主要包括細(xì)分主電路，F(xiàn)PGA四倍細(xì)分電路及其細(xì)分軟件和配置軟件。

細(xì)分主電路包括細(xì)分主芯片GC-IP2000[2]、單片機(jī)、配置芯片EEPROM等，從光柵讀數(shù)頭輸出的Sin+，Sin-，Cos+，Cos-，Ref+，Ref-六路模擬信號(hào)輸入給細(xì)分主芯片GC-IP2000進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分的相關(guān)配置信息可以從配置芯片EEPROM中獲取，也可以通過GC-IP2000自身的管腳進(jìn)行配置，單片機(jī)主要完成對(duì)EEPROM的配置。六路模擬信號(hào)經(jīng)過細(xì)分主芯片GC-IP2000的細(xì)分后輸出A，B，Z三路方波信號(hào)，其中A和B正交高頻信號(hào)，Z為零位信號(hào)。FPGA四倍細(xì)分電路主要完成對(duì)細(xì)分主芯片細(xì)分后的信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行四倍細(xì)分，由于細(xì)分主芯片GC-IP2000的細(xì)分倍數(shù)最高可達(dá)2048，因而整個(gè)系統(tǒng)的細(xì)分倍數(shù)可達(dá)8192。若細(xì)分主芯片和FPGA距離較遠(yuǎn)或其間存在信號(hào)干擾因素，則可利用差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片MC3487把單端的A，B，Z信號(hào)轉(zhuǎn)換為A+，A-，B+，B-，Z+，Z- 差分信號(hào)，在信號(hào)輸入FPGA前再利用差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片AM26LS32把差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，在經(jīng)過FPGA四倍頻處理后可輸出經(jīng)過高倍細(xì)分后的光柵脈沖計(jì)數(shù)值。

3 細(xì)分主電路設(shè)計(jì)

細(xì)分主電路的核心是細(xì)分芯片GC-IP2000，GC-IP2000是德國(guó)GEMAC公司的一款插值芯片，可對(duì)光柵或編碼器輸出的始端模擬正、余弦信號(hào)進(jìn)行插值細(xì)分，最高細(xì)分倍數(shù)可達(dá)2048，并且通過管腳或軟件細(xì)分倍數(shù)還可配置成100，200，400，500，800，1000，1600，2000，128，256，512，1024，最后可輸出細(xì)分后的A，B，Z方波信號(hào)，其中A，B正交。

細(xì)分局部電路中，六路模擬信號(hào)分別經(jīng)過0歐姆后電阻后輸入細(xì)分主芯片D6 （GC-IP2000），最終由52，53，54管腳經(jīng)0歐姆后輸出細(xì)分后的A，B，Z信號(hào)，增加0歐姆電阻是為了提高輸入輸出信號(hào)的質(zhì)量。D5是配置芯片EEPROM，GC-IP2000的相關(guān)配置信息可由單片機(jī)寫入到EEPROM，GC-IP2000每次啟動(dòng)時(shí)可從EEPROM中讀取配置信息，如細(xì)分倍數(shù)、極限速度、脈沖上升和下降時(shí)間等，這些配置值需經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)合理搭配選擇，才能實(shí)現(xiàn)可靠的細(xì)分而不出現(xiàn)丟碼現(xiàn)象。GC-IP2000也可通過自身管腳進(jìn)行配置，如IR0，IR1，IR2組合可配置不同的細(xì)分倍數(shù)，但管腳配置信息沒有軟件配置全面，所以大部分情況下需進(jìn)行軟件配置，在一些簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合可選擇管腳配置。另外，由于GC-IP2000是一款模數(shù)混合芯片，因而在設(shè)計(jì)電路時(shí)需重點(diǎn)考慮模擬和數(shù)字信號(hào)的隔離，模擬電源和數(shù)字電源的隔離以及模擬地和數(shù)字地的隔離。

4 FPGA四倍細(xì)分電路設(shè)計(jì)

每個(gè)脈沖代表光柵或編碼器轉(zhuǎn)過了特定的角度，AB之間的相位關(guān)系反映了光柵的旋轉(zhuǎn)方向，若A相超前B相90°，代表光柵正轉(zhuǎn)，若B相超前A相90°，代表光柵反轉(zhuǎn)[3]。若把A相和B相的周期T均分四等份并分別用0和1代表A相和B相的低高電平狀態(tài)，在光柵正轉(zhuǎn)時(shí)，AB相狀態(tài)在一個(gè)周期T內(nèi)變化依次為：10，11，01，00 ；在光柵反轉(zhuǎn)時(shí)，AB相狀態(tài)在一個(gè)周期T內(nèi)變化依次為：11，10，00，01 。這樣在一個(gè)周期T內(nèi)，AB相的組合狀態(tài)共發(fā)生了四次變化，因而可實(shí)現(xiàn)FPGA的四倍頻細(xì)分。

FPGA細(xì)分電路可用硬件描述語言編寫完成，本文采用Verilog語言編寫了FPGA的四倍頻電路，其倍頻模塊描述如下：

5 實(shí)驗(yàn)

利用本文所述光柵細(xì)分電路對(duì)MICROE M3000系列圓光柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

MICROE M3000為美國(guó)MICROE公司微小圓光柵產(chǎn)品，該公司是全球著名的微小光柵生產(chǎn)制造廠家，MICROE M3000柵尺刻線數(shù)8192，實(shí)驗(yàn)中我們同時(shí)購(gòu)買了該公司相配備的1024倍細(xì)分盒。

實(shí)驗(yàn)中，把圓光柵初始輸出的六路模擬信號(hào)輸入給本文所述的細(xì)分系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分（細(xì)分倍數(shù)分別配置成256和1024），F(xiàn)PGA細(xì)分部分固定為四倍細(xì)分，這樣實(shí)驗(yàn)中總系統(tǒng)細(xì)分倍數(shù)有1024和4096兩種情況。MICROE 標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分盒細(xì)分倍數(shù)固定為1024倍。另外我們同時(shí)把光柵初始輸出的六路模擬信號(hào)輸入給MICROE 標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分盒進(jìn)行細(xì)分，最后把兩路細(xì)分下的光柵計(jì)數(shù)值送上位機(jī)顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，本文所述的光柵細(xì)分系統(tǒng)與MICROE標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分盒細(xì)分后的光柵計(jì)數(shù)值最大相差1個(gè)脈沖；由表2數(shù)據(jù)可知，本文所述的光柵細(xì)分系統(tǒng)與MICROE標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分盒細(xì)分后的光柵計(jì)數(shù)值在最后一欄中相差8個(gè)脈沖（折合成1024倍細(xì)分），其他數(shù)據(jù)正好是MICROE標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分后的四倍關(guān)系。作者經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生丟碼現(xiàn)象的原因是因?yàn)楣鈻呸D(zhuǎn)動(dòng)速度過快，超過了細(xì)分主芯片對(duì)輸入信號(hào)260K Hz 最高頻率的限制，作者把光柵轉(zhuǎn)動(dòng)速度稍變小，丟碼現(xiàn)象消失，因而本文所述光柵細(xì)分系統(tǒng)可普遍應(yīng)用于中低速的光柵或編碼器的細(xì)分場(chǎng)合。

6 結(jié)束語

由以上分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文給出的光柵或編碼器信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)可方便地對(duì)各種中低速光柵或編碼器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高倍率細(xì)分，最高細(xì)分倍數(shù)可達(dá)4096且細(xì)分倍數(shù)可調(diào)，成本低，這對(duì)我國(guó)的光柵或編碼器的細(xì)分技術(shù)及其生產(chǎn)制造均有一定的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] GC-IP2000[Z].GEMAC，Inc.， 2010.

[3] 陸原，王娜，李新玲.一種基于VHDL的細(xì)分與辨向電路的設(shè)計(jì)[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（1）.