基于FPGA高速光柵測距系統(tǒng)的實現(xiàn)

夏鴻曄，王君艷

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

基于FPGA高速光柵測距系統(tǒng)的實現(xiàn)

夏鴻曄，王君艷

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

針對光柵高速測距過程中，因供電直流電平漂移而發(fā)生的丟數(shù)或多計數(shù)的問題，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于可編程門陣列邏輯器件FPGA的高速光柵測距系統(tǒng)，系統(tǒng)通過滯回比較電路等信號處理電路將經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換莫爾條紋信號所生成的弦波信號轉(zhuǎn)換成正交的方波信號輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA對輸入信號進行四倍頻細分、計數(shù)辨向合成等方法來獲得光柵移動的位移量。經(jīng)實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速位移采集，并有效避免高速采集過程中出現(xiàn)的丟數(shù)及多計數(shù)問題。

光柵；高速測距；FPGA；莫爾條紋；倍頻細分

自上世紀60年代以來，光柵測距技術(shù)就已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，據(jù)有關(guān)資料表明，目前市場上以光柵測距技術(shù)為基礎(chǔ)的位移測量系統(tǒng)要占到80%以上，且當前準確度達到±0.5 μm,測量長度已達30 m,最大移動速度已達480 m/min，最大傳輸距離達150[1-4]。

光柵測距技術(shù)是以主光柵與指示光柵兩者相對移動所形成的莫爾條紋信號為基礎(chǔ)的。當光源通過透鏡照射光柵尺，兩光柵的刻線方向有一個小的夾角θ，由于擋光效應(yīng)，在與光柵的柵線大致垂直的方向上，會產(chǎn)生出明暗相間的條紋，而這些條紋就是“莫爾條紋”。莫爾條紋通過光電傳感器接收后轉(zhuǎn)換為電信號，并在每個周期2π內(nèi)呈現(xiàn)正弦規(guī)律，對此信號變化的周期進行計數(shù)，即可求得光柵的相對移動量[5]。如圖1為光柵測距過程的示意圖。

圖1 光柵測量過程示意圖

但是，當光柵在高精度和高速運動過程等復(fù)雜情況下，莫爾信號在光電轉(zhuǎn)換過程中會引入高頻噪聲信號和隨機干擾信號，光電轉(zhuǎn)換器件的性能波動會產(chǎn)生直流電平漂移，就有可能發(fā)生丟數(shù)或多計數(shù)的現(xiàn)象。因此，希望在引入盡可能小的誤差情況下，有必要研究對莫爾條紋進行細分，為此可以通過現(xiàn)場可編程門陣列邏輯器件(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片改變相應(yīng)信號處理硬件電路來提高高速光柵測距系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度[6-7]。

1 光柵電子化細分及信號處理

莫爾條紋電子化細分技術(shù)主要對交變電信號進行相應(yīng)內(nèi)插、補插的方法來提高計數(shù)脈沖的頻率，故稱為倍頻，具有細分數(shù)高、讀數(shù)快、易于實現(xiàn)動態(tài)測量和系統(tǒng)集成等優(yōu)點[7]。

本文所研究的光柵信號電子化細分是在FPGA中進行處理，在信號輸入之前先將兩路帶集性的正弦信號轉(zhuǎn)方波信號處理，再將其轉(zhuǎn)化為二進制的方波數(shù)字信號輸入到FPGA中進行后續(xù)的處理。滯回比較電路，因為其引入了回差而提高了整個電路的抗干擾能力，減小誤計數(shù)的可能，其比較特性及原理如圖2所示，當輸入信號電壓V在一個周期T內(nèi)超過上門限電壓V+時，比較器輸出的電壓才跳到正電平，當輸入信號電壓小于下門限電壓V-時，比較器輸出的電壓才跳到負電平，輸入信號電壓在回差范圍內(nèi)波動時，比較器的輸出保持不變[8]。

圖2 滯回比較電路比較特性及原理圖

本設(shè)計中使用到的比較運算放大器是TI公司生產(chǎn)的低偏移電壓、低功耗的雙通道電壓比較器LM396，由于有負電壓信號輸入，因此這里需采用雙電源供電的方法。如圖2所示，當比較器正向輸入端信號電壓VIN大于反相輸入端參考電壓VREF時，經(jīng)限流保護電阻R1和R4，比較器的輸出電壓V0通過上拉電阻R3連接到了電源正極VCC，反之當正向輸入信號電壓小于反相輸入?yún)⒖茧妷簳r，運算放大器輸出電壓連接到了電源負極VEE，根據(jù)這兩個輸出電壓數(shù)據(jù)就可以計算得到滯回比較器的上門限電壓V+和下門限電壓V-

(1)

在計算下門限電壓時通常會忽略上拉電阻R3的影響，因為一般反饋電阻R2都比R3取值需大好幾個數(shù)量級，因此根據(jù)上式可以計算出該滯回比較電路回差ΔV為

(2)

相比于過零比較電路，滯回比較電路可以改善其輸出波形在躍變處的陡度。與比較器輸出相連的電阻起的是限流作用，用以保護電路后面的光耦和比較器器件本身[9]。

2 FPGA的選型及四倍頻

本文所介紹的信號處理電路模塊是基于可編程邏輯器件FPGA來完成的。根據(jù)設(shè)計要求和估算整個電路可能所需要的管腳及宏單元的個數(shù)，選用Altera公司的EPF10K10。配置方式為主動型，在上電后由專門的可編程配置芯片自動對EPF10K10芯片進行相應(yīng)地配置。芯片內(nèi)有許多快速通道，互連方式靈活可靠。其主要完成對所輸入的方波信號進行四倍頻及合成計數(shù)[10-12]，如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)需要完成的工作

2.1 四倍頻及辨向

設(shè)光柵信號分別為A1、A2、B1、B2四路差分信號，則可以得到正、反向運動所產(chǎn)生的脈沖P正、P反的邏輯表達式為

(3)

(4)

圖4 四倍頻波形圖

在光柵尺讀數(shù)頭正向運動的時候，P正將會輸出一路方波信號，P反始終保持高電平狀態(tài)，當光柵尺讀數(shù)頭反向運動的時候，P反將會輸出一路方波信號，同時P正始終保持高電平狀態(tài)，與此同時可以得到計數(shù)器加減計數(shù)脈沖時的脈沖信號[13-14]。

2.2 計數(shù)算法

根據(jù)光柵掃描計數(shù)的輸出原理可知位移滿一個步距，才輸出一個計數(shù)脈沖，不滿則不輸出。切換時刻是按照光柵計數(shù)脈沖上升沿為基準的，即切換時刻當剛好滿足一個光柵步距的時候，設(shè)C為鎖存計數(shù)值，N為編碼解碼值，正向切換時，輸出合成值為C×N；而反向切換時，采用的也同樣是光柵的脈沖上升沿，但是此刻的上升沿測量計數(shù)值不足一個測量步距，所以輸出為(C-1)×N。在正、負行程過程中，算法又會有所區(qū)別，正行程的正向切換合成正好對應(yīng)是負行程的反向切換合成，正行程的反向切換合成對應(yīng)是負行程的正向切換合成。因此，在設(shè)計計數(shù)程序時需把正/負行程、正/反運動方向的組合因素作為合成算法的判斷依據(jù)，否則合成值的邏輯會產(chǎn)生錯誤。為實現(xiàn)正、負行程的位移測量，設(shè)計了符號標識，即正行程的位移測量值標示為正，負行程的標示為負[15-16]。算法的簡要流程如圖5所示。

圖5 計數(shù)算法

3 實驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 實驗原理

通過測量光柵尺的速度來驗證本文設(shè)計的FPGA測距系統(tǒng)的精度。為此，常用的最大測量速度12m/s，柵距為2 μm，四倍頻柵距細分后為0.5 μm的超高速光柵尺；以及另外一款常見柵距經(jīng)四倍頻細分后可達0.1 μm，6 m/s的高速高精度光柵尺。由于光柵尺實際運動過程中并不能做到嚴格勻速，所以利用信號發(fā)生器安捷倫81150A產(chǎn)生特定頻率的方波信號，通過本文所設(shè)計的采集系統(tǒng)來進行計數(shù)。

3.2 實驗過程

超高速光柵尺：運動速度為12 m/s；四倍頻柵距細分后為0.5 μm，由于一個周期包含高低兩個電平，計數(shù)兩次，所以模擬頻率為12 MHz。在該帶寬下對超高速光柵尺隨機抽樣5次，每次持續(xù)時間1 ms，來計算平均速度。81150A儀器設(shè)置波形照片如圖6所示。

圖6 超高速光柵尺模擬波形

高速高精度光柵尺：實驗原理同超高速光柵尺，可得模擬頻率為30 MHz。在該帶寬下對高速高精度光柵尺隨機抽樣5次，每次持續(xù)時間1 ms，來計算平均速度，81150A儀器設(shè)置波形照片如圖7所示。

圖7 高速高精度光柵尺模擬波形

3.3 實驗數(shù)據(jù)

經(jīng)測得實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量結(jié)果對照表

如表1所示，經(jīng)本文設(shè)計所改進的測距系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對高速位移信號測量，并相比原始系統(tǒng)，誤差率減小兩個數(shù)量級。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于可編程邏輯器件FPGA的高速光柵測距系統(tǒng)，采用了四倍頻細分法、計數(shù)合成算法及相應(yīng)電路解決了光柵在高速移動情況下莫爾條紋信號在光電轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的干擾及直流電平漂移等問題，系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強等特點。由于測距系統(tǒng)對莫爾條紋的質(zhì)量要求高，需進一步對光柵測距系統(tǒng)誤差進行檢測、分離和修正等方法進行提高改進，以實現(xiàn)更高速的光柵位移測量。

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Realization of the High Speed Grating Measurement SystemBased on Programmable Logic Device FPGA

XIA Hongye,WANG Junyan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,
Shanghai 200240,China)

In view of the issue of count lost and over count due to the DC level drifting of power supply during the grating high-speed ranging,this paper proposes a high-speed grating ranging system based on the kind of Field-Programmable Gate Array device. The system use the signal process circuit such as hysteresis comparison circuit to convert the sine signal which is from the moire fringe signal via photoelectric sensor to the orthogonal square signal to FPGA device,and FPGA deal the input signal through the four frequency subdivision and the combination of counting and discerning to get the measurement of grating moving data,the experimental result shows that this system can realize the high-speed grating displacement acquisition and avoid the issue of lose count and over count effectively.

grating; high-speed ranging; FPGA; moire fringe; frequency subdivision

TN248;TP39

A

1007-7820(2017)11-027-04

2016- 12- 14

夏鴻曄(1987-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。王君艷(1968-)，女，副教授。研究方向：電力電子和電力傳動。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.008