楊 杰 趙曉芳

（東莞理工學(xué)院 廣東 東莞 523808）

0 引言

在安全玻璃的缺陷檢測(cè)中， 通常被檢對(duì)象的尺寸很小，約為40μm 數(shù)量級(jí)。檢測(cè)系統(tǒng)不僅需要確定缺陷位置，還要精確測(cè)定其外形特征， 結(jié)合光學(xué)特征進(jìn)一步判斷缺陷的性質(zhì)。因此，檢測(cè)平臺(tái)的幾何尺度測(cè)量必須有很高的精度。 為之，在設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)中采用了光柵位移傳感器作為測(cè)試手段。

光柵位移傳感器（即光柵尺）是進(jìn)行高精度位移測(cè)量的最常用的裝置，它將位移量通過光柵的透射轉(zhuǎn)換成莫爾條紋的移動(dòng)，然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 當(dāng)主光柵與指示光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)條紋距離時(shí)，輸出的電信號(hào)變化一個(gè)周期。 通過對(duì)信號(hào)變化周期的測(cè)量，進(jìn)而測(cè)出移動(dòng)的距離。

1 光柵尺接口信號(hào)及電路功能要求

方波輸出的光柵尺，所輸出的電信號(hào)通常包括有A 相、B相和Z 相三個(gè)方波，其中A 相信號(hào)為主信號(hào), B 相為副信號(hào),兩個(gè)信號(hào)的周期相同,相位差90。 Z 相信號(hào)作為校準(zhǔn)信號(hào)，用以消除累積誤差。 若光柵尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A 信號(hào)超前B 信號(hào),在A 信號(hào)下降沿，B 信號(hào)為“1”；當(dāng)光柵尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A 信號(hào)滯后B 信號(hào), 在A 信號(hào)下降沿，B 信號(hào)為“0”；根據(jù)讀到的B 信號(hào)的數(shù)據(jù)并對(duì)A 信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（正向計(jì)數(shù)或逆向計(jì)數(shù)）, 就可以測(cè)算出總位移[1]。

光柵尺的測(cè)量精度受柵線密度的限制。 用電路信號(hào)細(xì)分的方法可以提高測(cè)量精度。 故需設(shè)計(jì)光柵尺專用的接口電路，完成細(xì)分辨向、可逆計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

實(shí)現(xiàn)上述功能有多種硬件方案可供選擇。 我們采用美國Altera 公司的Cyclone II 系列的EP2C5T144C8N （FPGA 芯片）完成信號(hào)處理，采用南京沁恒公司的CH372（USB 總線的接口芯片）實(shí)現(xiàn)FPGA 與PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞，較好地實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)。

2 核心電路設(shè)計(jì)

2.1 細(xì)分辨向電路

根據(jù)光柵尺的工作原理，動(dòng)尺每移動(dòng)一個(gè)柵距，其A、B兩路輸出方波變化一個(gè)周期。 對(duì)位移的測(cè)量就轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)輸出方波的計(jì)數(shù)，每當(dāng)信號(hào)有上升沿或下降沿（2 選1）時(shí)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)變化。換言之，光柵尺每移動(dòng)1 個(gè)柵距只計(jì)1 次數(shù)。如果讓計(jì)數(shù)器在A、B 兩路信號(hào)的上升沿以及下降沿均產(chǎn)生計(jì)數(shù)，則同樣光柵尺移動(dòng)1 個(gè)柵距，會(huì)有4 次計(jì)數(shù)效果。 也就是說，光柵尺在1 個(gè)柵距內(nèi)，每移動(dòng)1/4 柵距就產(chǎn)生1 次計(jì)數(shù)，相當(dāng)于把柵距縮小了4 倍，或者說精度提高了4 倍。 這就是細(xì)分電路所要實(shí)現(xiàn)的功能[2]。

設(shè)計(jì)細(xì)分電路， 關(guān)鍵在于鑒別出信號(hào)的上升沿和下降沿。 以A 信號(hào)為例，所謂“上升沿”和“下降沿”就是短時(shí)間A信號(hào)發(fā)生了變化（不同）。 據(jù)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了用D 觸發(fā)器構(gòu)成的2 級(jí)移位寄存器，其時(shí)鐘由外部提供，頻率遠(yuǎn)高于光柵輸出信號(hào)。 觸發(fā)器不斷對(duì)光柵輸出信號(hào)進(jìn)行高速鎖存采樣，寄存器中保存了A 信號(hào)最近的兩次采樣值。 同時(shí)我們注意到，當(dāng)光柵尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A 相信號(hào)的上升沿發(fā)生在B 信號(hào)為0時(shí)，而下降沿發(fā)生在B 信號(hào)為1 時(shí)。 因此，采用圖2 所示的電路就可檢出正向運(yùn)動(dòng)時(shí)A 信號(hào)的下降沿，采用圖3 所示的電路就可檢出正向運(yùn)動(dòng)時(shí)A 信號(hào)的上升沿。

圖2 正向運(yùn)動(dòng)時(shí)A 信號(hào)下降沿檢出電路

圖3 正向運(yùn)動(dòng)時(shí)A 信號(hào)上升沿檢出電路

正向運(yùn)動(dòng)時(shí)B 信號(hào)的上升沿、下降沿檢出電路也完全類似，而對(duì)調(diào)AB 信號(hào)則可得到反向運(yùn)動(dòng)時(shí)A 信號(hào)、B 信號(hào)的上升沿以及下降沿檢出電路。 把上述電路各部分進(jìn)行合并、整合，即可得到完整的細(xì)分電路。 最終設(shè)計(jì)出的電路如圖4 所示。

圖4 四細(xì)分及辨向電路

當(dāng)光柵尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，從CLK_UP 信號(hào)端輸出四倍頻脈沖，而CLK_DOWN 端無信號(hào)輸出。 當(dāng)光柵尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，從CLK_DOWN 信號(hào)端輸出四倍頻脈沖， 而CLK_UP 端無信號(hào)輸出。 因此， 兩者就是我們所需的可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。CLK_UP 和CLK_DOWN 信號(hào)控制RS 觸發(fā)器， 產(chǎn)生EN_UP信號(hào)，對(duì)細(xì)分后的信號(hào)進(jìn)行辨向。 只有這樣，才能真正提高測(cè)量精度。

2.2 USB 接口電路

外設(shè)與PC 機(jī)進(jìn)行信息交換，USB 是最方便的模式。本系統(tǒng)采用了南京沁恒公司的CH372 芯片， 實(shí)現(xiàn)了FPGA 與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞。

CH372 是一個(gè)USB 接口芯片[3]，它內(nèi)置了USB 通訊的底層協(xié)議，因而大大簡化了USB 接口的軟件工作量；同時(shí)它具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線和中斷輸出，可以很容易掛到FPGA 控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH372所帶有的配套軟件具有簡單的操作接口，很容易與FPGA 進(jìn)行通信操作。 系統(tǒng)中，CH372 的工作方式為從機(jī)方式，即將它作為從機(jī)掛接到FPGA 的數(shù)據(jù)總線上與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖5 FPGA 通過CH372 與計(jì)算機(jī)接口原理圖

2.3 電路整體結(jié)構(gòu)

光柵尺接口電路整體框圖如圖5 所示。 整個(gè)系統(tǒng)包括X、Y 兩個(gè)方向的四細(xì)分辨向電路、24 位的計(jì)數(shù)電路、 數(shù)據(jù)鎖存、地址譯碼、總線控制以及USB 接口電路等組成。

圖6 接口電路整體框圖

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的FPGA 部分使用VHDL 編程， 在Quartus II 環(huán)境下編譯、仿真通過。用配置芯片EPCS4 保存代碼，每次上電自動(dòng)對(duì)EP2C5T144C8N 進(jìn)行主動(dòng)配置。 同時(shí)借助于CH372構(gòu)成的USB 口，與PC 機(jī)進(jìn)行信息交換也快速、方便。 該模塊已成功運(yùn)用于筆者設(shè)計(jì)的安全玻璃缺陷光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中。 實(shí)際使用情況表明，性能穩(wěn)定可靠，功能符合要求。

［1］王成元，常國祥，夏加寬.基于FPGA 的光柵信號(hào)智能接口模塊[J].電氣傳動(dòng)，2007，4.

［2］金鋒，盧楊，王文松，張玉平.光柵四倍頻細(xì)分電路模塊的分析與設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，12.

［3］CH372 技術(shù)手冊(cè)，http://wch.cn[OL].