馬孝江　楊寶平

摘 要：文章將介紹一種基于CNC齒輪測量中心測控系統(tǒng)的三維掃描式測頭的數(shù)據(jù)采集卡。通過硬件描述語言Verilog，在控制核心

FPGA上實現(xiàn)了采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換控制，測頭狀態(tài)與數(shù)據(jù)讀取、數(shù)字濾波、同步鎖存和總線指令譯碼等功能，并通過了邏輯分析儀驗證和上位機診斷程序的診斷。該數(shù)據(jù)采集卡符合其應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：三維掃描測頭；數(shù)據(jù)采集卡；FPGA；Verilog

中圖分類號：TG86 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0048-02

引言

CNC齒輪測量中心要對高精度、工作曲面復(fù)雜的齒輪進行測量，測頭的數(shù)據(jù)采集卡是整個測控系統(tǒng)的核心部分，是計算機和被控對象之間的數(shù)據(jù)傳遞重要橋梁、也是被控對象信息處理的重要環(huán)節(jié)。所有邏輯部分由FPGA實現(xiàn)，它具有高集成度，高抗干擾力和低功耗等特點，此外還具有高度靈活性、可集成外圍電路。

1 總體方案

本設(shè)計方案是基于FPGA的三路數(shù)據(jù)采集卡，它主要由掃描式三維測頭傳感器，測頭信號調(diào)理電路，三路模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA邏輯控制模塊，數(shù)據(jù)總線接口模塊以及運動控制反饋通道組成。其工作原理：測頭傳感器產(chǎn)生電壓信號，傳輸給三路信號調(diào)理電路，經(jīng)過信號濾波，調(diào)理放大得所需要的模擬信號范圍將所達要求的模擬信號送往高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，依據(jù)其AD的時序要求，由FPGA來控制A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并控制數(shù)據(jù)的有序傳輸。此外，另一功能，運動控制卡反饋通道是由信號調(diào)理電路處理后的信號通過極性轉(zhuǎn)換及電壓幅值變換電路傳送給運動控制卡用于閉環(huán)控制或隨動控制。

從系統(tǒng)操作來看，上位機發(fā)出的不同指令通過FPGA進行相應(yīng)的動作來判斷數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)換完畢，控制數(shù)據(jù)的同步鎖存，依據(jù)時序讀取數(shù)據(jù)標志狀態(tài)寄存器數(shù)值和三路采集的數(shù)據(jù)。

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計中使用的測頭傳感器屬于LVDT電感式傳感器，根據(jù)要求將其放大到-10V～+10V范圍。設(shè)計采用ADI公司的精密儀表放大器AD8429來設(shè)計信號調(diào)理電路；使用的測頭傳感器屬于LVDT電感式傳感器，根據(jù)要求將其放大到-10V～+10V范圍。設(shè)計采用ADI公司的精密儀表放大器AD8429來設(shè)計信號調(diào)理電路；使用A/D的是美國ADI公司的AD977的一款典型的轉(zhuǎn)換精度高，功耗低的16位逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，它有以下特性：最高采樣速率100KSPS；單電源5V供電；內(nèi)部2.5V參考電源可選AD轉(zhuǎn)換電路單元設(shè)計為以R1IN為信號輸入端，輸入電壓為單端雙極性，電壓范圍為-10V～+10V。設(shè)計中選用TI公司的具有可配置電壓轉(zhuǎn)換和三態(tài)輸出的2位雙電源總線收發(fā)器SN74LVC2T45來解決接口電平匹配?？偩€接口電路設(shè)計，本設(shè)計中使用的是CAMAC總線接口，總線接口的邏輯電平是標準負邏輯，這種邏輯標準具有很強的抗干擾能力、譯碼結(jié)構(gòu)簡單的特征，成為一種獨特的邏輯標準，在CNC測量中心中得到廣泛的運用。

3 采集卡硬件描述語言的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計

所有的邏輯功能都在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。FPGA通過SPI接口控制三路AD977的數(shù)據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的傳輸，然后將16位的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字濾波處理后傳輸給存儲模塊，同時狀態(tài)信息模塊中與轉(zhuǎn)換相關(guān)的各個狀態(tài)標志數(shù)據(jù)也將傳輸給數(shù)據(jù)存儲模塊，等待鎖存指令對其三路AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息共四路有效數(shù)據(jù)進行存儲；當(dāng)上位機通過CAMAC機箱發(fā)送鎖存指令時，系統(tǒng)將檢測到鎖存有效標志來鎖存信號，實時鎖存相應(yīng)的有效數(shù)據(jù)，并傳輸給讀數(shù)據(jù)選通模塊，同時通過超量程指示燈反應(yīng)三路數(shù)據(jù)是否超程；之后，當(dāng)上位機依次發(fā)送讀狀態(tài)數(shù)據(jù)指令和三路采集數(shù)據(jù)指令時，讀數(shù)據(jù)選通模塊依次讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)并分時傳送給上位機以作后續(xù)處理，系統(tǒng)總體的主要邏輯功能框圖。整個系統(tǒng)邏輯功能的實現(xiàn)都是用Verilog HDL硬件描述語言進行描述，硬件程序的設(shè)計主要采用自頂向下的設(shè)計思想。

3.2 三路采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要是來實現(xiàn)AD977的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和以SPI為接口對16位串行數(shù)據(jù)的讀取并傳輸給FPGA。

（1）時序分析，實現(xiàn)對AD977的轉(zhuǎn)換控制和數(shù)據(jù)讀取主要依據(jù)是其工作的時序原理。從圖中可知，當(dāng)CS為低電平時，R/C跳變?yōu)榈碗娖?，AD977輸入信號，并啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換。

（2）轉(zhuǎn)換控制邏輯的編寫，模塊的編寫主要分AD的轉(zhuǎn)換控制和SPI接口控制數(shù)據(jù)讀取并串并轉(zhuǎn)換兩個部分，根據(jù)其RTL圖，U1模塊功能：自發(fā)產(chǎn)生所需要的R/C（即rc_n），啟動AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)接收到外部的AD977的BUSY（即busy_n）由低變高時，通過使能標志En_start啟動U2中SPI_clk產(chǎn)生17個時鐘脈沖來接收AD977中已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)（LSB）接收完后，結(jié)束標志SPI_rx_rdy由低電平拉高，同時U1中ad_con由低變高重新啟動AD下一次轉(zhuǎn)換。此外U1在每次接收完數(shù)據(jù)后產(chǎn)生一個高電平結(jié)束標志fg_end來提示數(shù)據(jù)可進行下部的存儲。U2模塊功能：此模塊主要完成向AD讀取數(shù)據(jù)的SPI接口和16位串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

（3）數(shù)據(jù)濾波模塊，使用“冒泡法”排序，將最大值和最小值去掉然后其余值求平均值，這樣可以將所采集數(shù)據(jù)中變化大的值濾除，達到輸出數(shù)據(jù)平滑，差異小。

AD977_no_sync連續(xù)轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換完畢延時兩個時鐘后，flage_end發(fā)送一個高脈沖，當(dāng)filter模塊中的fclk檢測到flage_end的上升沿時將每次轉(zhuǎn)換的數(shù)值存儲在寄存器中，依次連續(xù)4次，當(dāng)最后一個數(shù)據(jù)存儲完畢，將產(chǎn)生高電平的flage_end信號，同時ave輸出濾波后的結(jié)果。

（4）其他模塊編寫，設(shè)計中，除了以上兩個模塊還有hand_lage和decAD_data，這兩個模塊主要是對AD采集的數(shù)據(jù)進行存儲及其他相應(yīng)的處理，以便有序的被上位機讀取。endprint

a.hand_lage模塊功能：此模塊主要實現(xiàn)兩個目的，有效鎖存指令Q1響應(yīng)信號的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)的鎖存及狀態(tài)寄存器的設(shè)置。鎖存指令響應(yīng)主要是應(yīng)用狀態(tài)機來描述，當(dāng)上位機發(fā)送CAMAC指令NA0F28后，狀態(tài)將從lock轉(zhuǎn)移到lock_data，在此狀態(tài)下將等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束標志flage_end有效。

b.decAD_data模塊功能：此模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取的選通，由于數(shù)據(jù)的讀取時按照一定的順序來進行，而每次讀取16位數(shù)據(jù)，三路數(shù)據(jù)和狀態(tài)值逐次通過了相應(yīng)的CAMAC指令進行了選通，且當(dāng)RD為低電平時數(shù)據(jù)被讀取。

4 采集卡聯(lián)機調(diào)試與分析

CNC齒輪測量中心調(diào)試平臺主要由CAMAC機箱、模擬光柵發(fā)生裝置、手動控制箱以及上位機組成。對設(shè)計好的采集卡進行初調(diào)后將在調(diào)試平臺上對其基本邏輯功能進行測試，通過了一下測試內(nèi)容：

（1）CAMAC總線各譯碼指令功能的測試；

（2）采集卡數(shù)據(jù)是否能正常被上位機讀?。?/p>

（3）上位機站號及指令信息指示等是否正常。

通過FPGA的JTAG接口使用QuartusII中的邏輯分析儀（SignalTap）抓取AD卡運行時各指令與狀態(tài)信號電平變化來觀察其連續(xù)采集工作時序，抓取的狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換波形的結(jié)果與仿真中AD轉(zhuǎn)換、NAF指令譯碼功能、三路實時性數(shù)據(jù)通道選通讀取以及反饋給上位機的狀態(tài)信息等相比較，所要實現(xiàn)的邏輯功能與實際使用相符合。因此，控制程序的設(shè)計以及所要實現(xiàn)的功能符合最初設(shè)想，如圖2為抓取的信號波形圖。

本AD采集卡通過了以下功能和指標進行測試：開關(guān)量測試，測頭懸空量測試及校準，測頭數(shù)據(jù)比例放大系數(shù)校準，系統(tǒng)元件噪聲測試。

5 結(jié)束語

本采集卡的硬件設(shè)計方式順應(yīng)了現(xiàn)階段數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，采用以FPGA為控制核心的結(jié)構(gòu)，在采樣速度，數(shù)據(jù)精度上得到了保證，而且具有特有的運動反饋電路，更具有了靈活性和實用性。

參考文獻：

[1]王強.CNC齒輪測量中心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[1]熊清平.數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].機電工程技術(shù)，2004（9）：91-94.

[2]張繼永.基于DSP的三維測頭數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]來躍深，王建華，王亞曉，等.基于CPLD的CAMAC系統(tǒng)控制器設(shè)計[J].工具技術(shù)，2008，08：94-96.

[5]楊文煥.基于FPGA的多路高精度A/D采集卡的設(shè)計[D].河北科技大學(xué)，2013.endprint