張 鋒，彭正輝，任 強(qiáng)，朱今祥，林曙光

(中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107)

0 引 言

光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的傳感器;編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置，它以高精度計(jì)量光柵作為檢測(cè)元件，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，將輸入的位移等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的位移測(cè)量;具有精度高、測(cè)量范圍廣、響應(yīng)快、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。目前，光電編碼器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電梯、伺服電機(jī)、地面指揮儀、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化精密設(shè)備中。

本文提出了一種應(yīng)用于探地雷達(dá)、可靈活控制測(cè)距精度的基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)FPGA 平臺(tái)的工作，實(shí)現(xiàn)了在探地雷達(dá)實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確的脈沖計(jì)數(shù)和顯示距離。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

增量式編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。它由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，編碼盤上涂有兩道相差90°黑白相同的柵欄，分別稱之為A 道和B 道，其輸出脈沖也是相差90°。當(dāng)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A 相比B相超前90°，當(dāng)編碼器反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A 相比B 相滯后90°。正常情況下，編碼器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)輸出波形分別如圖1 和圖2所示。

圖1 編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)序圖Fig 1 Timing diagram of encoder positive rotation

圖2 編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)序圖Fig 2 Timing diagram of encoder reverse rotation

基于FPGA技術(shù)的光電編碼器系統(tǒng)，采用Xilinx公司的Spartan—6 系列XC6SLX16 芯片作為主芯片，完成對(duì)編碼器的輸出信號(hào)采集、辨向、分頻、計(jì)數(shù)、鎖存、傳輸?shù)裙δ埽?］。

探地雷達(dá)工作時(shí)，按照測(cè)距輪觸發(fā)，每一個(gè)測(cè)距輪脈沖完成一次雷達(dá)發(fā)射觸發(fā)和接收回波信號(hào);雷達(dá)具有不同的重復(fù)周期，為滿足雷達(dá)不同工作模式的需求，利用FPGA 對(duì)雷達(dá)信號(hào)的處理和光電編碼器時(shí)序進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)不同的編碼器分頻數(shù)，滿足雷達(dá)的時(shí)序要求;本研究的光電編碼器選用每轉(zhuǎn)1000 個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)輪子直徑為1 m，故每個(gè)測(cè)距輪的精度為1 mm;根據(jù)雷達(dá)的使用情況，雷達(dá)運(yùn)行速度要求不低于2 km/h，即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間要求為1.8 ms，雷達(dá)的重復(fù)周期為7 ms，為滿足每個(gè)測(cè)距輪內(nèi)至少有一個(gè)雷達(dá)回波信號(hào)，故至少四分頻，以四分頻為例，對(duì)應(yīng)的每個(gè)測(cè)距輪脈沖時(shí)間為7.2 ms，即測(cè)距輪精度為4 mm;滿足探地雷達(dá)對(duì)小目標(biāo)探測(cè)的工作需要。若改變探地雷達(dá)對(duì)探測(cè)目標(biāo)類型的需求，可利用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)不同的分頻，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對(duì)測(cè)量精度的變化，滿足探地雷達(dá)的需求。

2 基于FPGA 平臺(tái)探地雷達(dá)光電編碼器設(shè)計(jì)

增量式光電編碼器本質(zhì)上是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測(cè)裝置，它根據(jù)軸所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，輸出一系列的脈沖，將機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，其輸出信號(hào)如圖1、圖2 所示。A，B 兩相信號(hào)是相位相差90°的正交方波脈沖序列，每一個(gè)脈沖都代表被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A，B 之間的相位關(guān)系則反映出被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向，即當(dāng)A 相超前B 相，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn);當(dāng)B 相超前A 相，轉(zhuǎn)動(dòng)方向則為反轉(zhuǎn)［4，5］。

在脈沖周期T 內(nèi)A，B 兩相信號(hào)共產(chǎn)生了4 次變化，盡管T 不確定，但由于A，B 兩相方位信號(hào)之間相位關(guān)系確定，使這4 次變化在相位上平均分布。

當(dāng)光柵正向移動(dòng)時(shí)，光柵輸出的A 相信號(hào)的相位超前B 相90°，則在一個(gè)周期T 內(nèi)，兩相信號(hào)共有4 次相對(duì)變化:a→b→c→d，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制編碼為00→10→11→01→00。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn)，這樣，如果每發(fā)生一次變化，可逆計(jì)數(shù)器便實(shí)現(xiàn)一次加計(jì)數(shù)。

當(dāng)光柵反向移動(dòng)時(shí)，光柵輸出的A 相信號(hào)的相位滯后B 相90°，則在一個(gè)周期T 內(nèi)，兩相信號(hào)共有4 次相對(duì)變化:a→b→c→d，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制編碼為00→01→11→10→00。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)，同理，如果每發(fā)生一次變化，可逆計(jì)數(shù)器便實(shí)現(xiàn)一次減計(jì)數(shù)。

根據(jù)編碼器的特點(diǎn)，對(duì)A，B 兩相的信號(hào)編碼為4 種狀態(tài)，從而完成對(duì)測(cè)距輪正、反轉(zhuǎn)的判別;FPGA 具體Verilog HDL 主要代碼如下［6］:

3 探地雷達(dá)中光電編碼器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

ChipScope 是Xilinx 推出的一種在線調(diào)試軟件，主要功能是通過(guò)JTAG 口、在線實(shí)時(shí)地讀出FPGA 的內(nèi)部信號(hào)。基本原理是利用FPGA 中未使用的BlockRAM，根據(jù)用戶設(shè)定的觸發(fā)條件將信號(hào)實(shí)時(shí)地保存到BlockRAM 中，然后通過(guò)JTAG 口傳送到PC，顯示出時(shí)序波形。Chipscope 本身是一個(gè)邏輯分析儀，主要用于在板上測(cè)試過(guò)程中采集并觀察芯片內(nèi)部信號(hào)，以便于調(diào)試。

圖3 ～圖6 截圖是采用ChipScope 軟件，實(shí)時(shí)對(duì)輸出管腳觀察的結(jié)果;其中，F(xiàn)LAGA_IBUF 和FLAGB_IBUF 分別是A 相和B 相編碼器經(jīng)過(guò)采集后的信號(hào)，圖3 顯示A 相提前B 相90°，代表編碼器正轉(zhuǎn);圖4 顯示A 相滯后B 相90°，代表編碼器反轉(zhuǎn);o_clk_a 和o_clk_b 分別是對(duì)A，B 相原始采集的編碼器經(jīng)過(guò)四分頻后的兩相信號(hào)，XLXI_188/flag_out是經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后辨向的標(biāo)志位、當(dāng)變化:0→1→0→1，即低位flag_out(0)有脈沖，表示正轉(zhuǎn)，當(dāng)變化:0→2→0→2，即高位flag_out(1)有脈沖，表示反轉(zhuǎn);當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，按照遞增計(jì)數(shù)，如圖5 的ZFZ_COUNT_管腳顯示的結(jié)果:CA→CB→CC→CD(十六進(jìn)制表示的數(shù)值)遞增;當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，按照遞減計(jì)數(shù)，如圖6 的count_jian_管腳顯示的結(jié)果51→50→4F→4E(十六進(jìn)制表示的數(shù)值)遞減;通過(guò)ChipScope 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，當(dāng)測(cè)距輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)，雷達(dá)能實(shí)時(shí)接收編碼器的距離信息，進(jìn)行雷達(dá)的正常工作。

圖3 編碼器正轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出結(jié)果圖Fig 3 Output result of encoder positive rotation real time detection

圖4 編碼器反轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出結(jié)果圖Fig 4 Output result of encoder reverse rotation real time detection

圖7 、圖8 是通過(guò)USB 接口，把經(jīng)過(guò)FPGA 采集處理后的光電編碼器的測(cè)距輪信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)，然后通過(guò)Matlab 對(duì)采集的信號(hào)畫圖顯示的結(jié)果。驗(yàn)證了距離的正確性。圖7 是正轉(zhuǎn)時(shí)的測(cè)距輪正轉(zhuǎn)顯示結(jié)果，從10.5 m 行進(jìn)到20.8 m;圖8 是反轉(zhuǎn)時(shí)的測(cè)距輪反轉(zhuǎn)顯示結(jié)果，從10 m后退到18.9 m。

4 結(jié) 論

圖5 編碼器正轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)遞增輸出結(jié)果圖Fig 5 Real time incremental output result of encoder positive rotation

圖6 編碼器正轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)遞減輸出結(jié)果圖Fig 6 Real time decreasing output result of encoder positive rotation

圖8 測(cè)距輪反轉(zhuǎn)顯示結(jié)果Fig 8 Display results of inverse rotation

本文提出了探地雷達(dá)增量式光電編碼器使用的一種解決方案，并同時(shí)給出了基于FPGA 的高精度光電編碼器實(shí)現(xiàn)方法;將待測(cè)量雙路信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量光電編碼器旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)和對(duì)應(yīng)的位移，經(jīng)過(guò)四分頻和鎖存電路實(shí)時(shí)應(yīng)用于探地雷達(dá)中，實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果證明:該方案能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖計(jì)數(shù)、顯示距離;實(shí)現(xiàn)了小型、高集成的高頻率數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)USB 接口與上位機(jī)通信;而且FPGA 可以根據(jù)探地雷達(dá)不同工作需要，任意的改變參數(shù)，維護(hù)方便、可靠性高。

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