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(cè)距系統(tǒng)的實(shí)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(duì)光柵高速測(cè)距過(guò)程中，因供電直流電平漂移而發(fā)生的丟數(shù)或多計(jì)數(shù)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于可編程門陣列邏輯器件FPGA的高速光柵測(cè)距系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)滯回比較電路等信號(hào)處理電路將經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換莫爾條紋信號(hào)所生成的弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成正交的方波信號(hào)輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行四倍頻細(xì)分、計(jì)數(shù)辨向合成等方法來(lái)獲得光柵移動(dòng)的位移量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速位移采集，并有效避免高速采集過(guò)程中出現(xiàn)的丟數(shù)及多計(jì)數(shù)問(wèn)題。

光柵；高速測(cè)距；FPGA；莫爾條紋；倍頻細(xì)分

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，光柵測(cè)距技術(shù)就已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，據(jù)有關(guān)資料表明，目前市場(chǎng)上以光柵測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)的位移測(cè)量系統(tǒng)要占到80%以上，且當(dāng)前準(zhǔn)確度達(dá)到±0.5 μm,測(cè)量長(zhǎng)度已達(dá)30 m,最大移動(dòng)速度已達(dá)480 m/min，最大傳輸距離達(dá)150[1-4]。

光柵測(cè)距技術(shù)是以主光柵與指示光柵兩者相對(duì)移動(dòng)所形成的莫爾條紋信號(hào)為基礎(chǔ)的。當(dāng)光源通過(guò)透鏡照射光柵尺，兩光柵的刻線方向有一個(gè)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(huì)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(guò)光電傳感器接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在每個(gè)周期2π內(nèi)呈現(xiàn)正弦規(guī)律，對(duì)此信號(hào)變化的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可求得光柵的相對(duì)移動(dòng)量[5]。如圖1為光柵測(cè)距過(guò)程的示意圖。

圖1 光柵測(cè)量過(guò)程示意圖

但是，當(dāng)光柵在高精度和高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程等復(fù)雜情況下，莫爾信號(hào)在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)引入高頻噪聲信號(hào)和隨機(jī)干擾信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器件的性能波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生直流電平漂移，就有可能發(fā)生丟數(shù)或多計(jì)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(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，為此可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列邏輯器件(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片改變相應(yīng)信號(hào)處理硬件電路來(lái)提高高速光柵測(cè)距系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度[6-7]。

1 光柵電子化細(xì)分及信號(hào)處理

莫爾條紋電子化細(xì)分技術(shù)主要對(duì)交變電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)插、補(bǔ)插的方法來(lái)提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，故稱為倍頻，具有細(xì)分?jǐn)?shù)高、讀數(shù)快、易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量和系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)[7]。

本文所研究的光柵信號(hào)電子化細(xì)分是在FPGA中進(jìn)行處理，在信號(hào)輸入之前先將兩路帶集性的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)方波信號(hào)處理，再將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的方波數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA中進(jìn)行后續(xù)的處理。滯回比較電路，因?yàn)槠湟肓嘶夭疃岣吡苏麄€(gè)電路的抗干擾能力，減小誤計(jì)數(shù)的可能，其比較特性及原理如圖2所示，當(dāng)輸入信號(hào)電壓V在一個(gè)周期T內(nèi)超過(guò)上門限電壓V+時(shí)，比較器輸出的電壓才跳到正電平，當(dāng)輸入信號(hào)電壓小于下門限電壓V-時(shí)，比較器輸出的電壓才跳到負(fù)電平，輸入信號(hào)電壓在回差范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，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(jì)中使用到的比較運(yùn)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(fù)電壓信號(hào)輸入，因此這里需采用雙電源供電的方法。如圖2所示，當(dāng)比較器正向輸入端信號(hào)電壓VIN大于反相輸入端參考電壓VREF時(shí)，經(jīng)限流保護(hù)電阻R1和R4，比較器的輸出電壓V0通過(guò)上拉電阻R3連接到了電源正極VCC，反之當(dāng)正向輸入信號(hào)電壓小于反相輸入?yún)⒖茧妷簳r(shí)，運(yùn)算放大器輸出電壓連接到了電源負(fù)極VEE，根據(jù)這兩個(gè)輸出電壓數(shù)據(jù)就可以計(jì)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(jì)算下門限電壓時(shí)通常會(huì)忽略上拉電阻R3的影響，因?yàn)橐话惴答侂娮鑂2都比R3取值需大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此根據(jù)上式可以計(jì)算出該滯回比較電路回差ΔV為

(2)

相比于過(guò)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(hù)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(hào)處理電路模塊是基于可編程邏輯器件FPGA來(lái)完成的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和估算整個(gè)電路可能所需要的管腳及宏單元的個(gè)數(shù)，選用Altera公司的EPF10K10。配置方式為主動(dòng)型，在上電后由專門的可編程配置芯片自動(dòng)對(duì)EPF10K10芯片進(jìn)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(duì)所輸入的方波信號(hào)進(jìn)行四倍頻及合成計(jì)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(hào)分別為A1、A2、B1、B2四路差分信號(hào)，則可以得到正、反向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖P正、P反的邏輯表達(dá)式為

(3)

(4)

圖4 四倍頻波形圖

在光柵尺讀數(shù)頭正向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，P正將會(huì)輸出一路方波信號(hào)，P反始終保持高電平狀態(tài)，當(dāng)光柵尺讀數(shù)頭反向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，P反將會(huì)輸出一路方波信號(hào)，同時(shí)P正始終保持高電平狀態(tài)，與此同時(shí)可以得到計(jì)數(shù)器加減計(jì)數(shù)脈沖時(shí)的脈沖信號(hào)[13-14]。

2.2 計(jì)數(shù)算法

根據(jù)光柵掃描計(jì)數(shù)的輸出原理可知位移滿一個(gè)步距，才輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，不滿則不輸出。切換時(shí)刻是按照光柵計(jì)數(shù)脈沖上升沿為基準(zhǔn)的，即切換時(shí)刻當(dāng)剛好滿足一個(gè)光柵步距的時(shí)候，設(shè)C為鎖存計(jì)數(shù)值，N為編碼解碼值，正向切換時(shí)，輸出合成值為C×N；而反向切換時(shí)，采用的也同樣是光柵的脈沖上升沿，但是此刻的上升沿測(cè)量計(jì)數(shù)值不足一個(gè)測(cè)量步距，所以輸出為(C-1)×N。在正、負(fù)行程過(guò)程中，算法又會(huì)有所區(qū)別，正行程的正向切換合成正好對(duì)應(yīng)是負(fù)行程的反向切換合成，正行程的反向切換合成對(duì)應(yīng)是負(fù)行程的正向切換合成。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)程序時(shí)需把正/負(fù)行程、正/反運(yùn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。為實(shí)現(xiàn)正、負(fù)行程的位移測(cè)量，設(shè)計(jì)了符號(hào)標(biāo)識(shí)，即正行程的位移測(cè)量值標(biāo)示為正，負(fù)行程的標(biāo)示為負(fù)[15-16]。算法的簡(jiǎn)要流程如圖5所示。

圖5 計(jì)數(shù)算法

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)測(cè)量光柵尺的速度來(lái)驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的FPGA測(cè)距系統(tǒng)的精度。為此，常用的最大測(cè)量速度12m/s，柵距為2 μm，四倍頻柵距細(xì)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(xì)分后可達(dá)0.1 μm，6 m/s的高速高精度光柵尺。由于光柵尺實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并不能做到嚴(yán)格勻速，所以利用信號(hào)發(fā)生器安捷倫81150A產(chǎn)生特定頻率的方波信號(hào)，通過(guò)本文所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

超高速光柵尺：運(yùn)動(dòng)速度為12 m/s；四倍頻柵距細(xì)分后為0.5 μm，由于一個(gè)周期包含高低兩個(gè)電平，計(jì)數(shù)兩次，所以模擬頻率為12 MHz。在該帶寬下對(duì)超高速光柵尺隨機(jī)抽樣5次，每次持續(xù)時(shí)間1 ms，來(lái)計(jì)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(shí)驗(yàn)原理同超高速光柵尺，可得模擬頻率為30 MHz。在該帶寬下對(duì)高速高精度光柵尺隨機(jī)抽樣5次，每次持續(xù)時(shí)間1 ms，來(lái)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)照表

如表1所示，經(jīng)本文設(shè)計(jì)所改進(jìn)的測(cè)距系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速位移信號(hào)測(cè)量，并相比原始系統(tǒng)，誤差率減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.008