国产FPGA增量式光栅尺信号采集系统的设计.pdf
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1、2023 年第 8 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家自然科学基金(62075216)收稿日期:2023-04-19国产 FPGA 增量式光栅尺信号采集系统的设计张 晰,姜 元,姜润强,韩庆阳(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033)摘要:针对光学调焦平台的增量式光栅尺信号采集系统,提出了基于国产 FPGA 芯片 AG10K 的设计,实现增量式光栅尺的倍频鉴向、脉冲计数、串口数据传输等功能,通过串口通信实现上位机的通信交互,完成对光学调焦平台的精确位置采集显示。设计了滤波算法对假零位信号进行滤波处
2、理,并对分频计数逻辑进行正反双脉冲处理,有效降低噪声对零位和计数模块的干扰,保证了采集算法的准确性。实验表明:该系统能够实现高精度、高灵敏度的位移量检测和调节功能。该系统具有响应速度快、精度高、稳定可靠等优点,采用国产化芯片使该采集系统具有广泛适用性。关键词:国产化;FPGA;增量式光栅尺;数据采集中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2023)08-0075-04Design of Domestic Incremental Grating Ruler Signal Acquisition SystemBased on FPGAZHANG Xi,JIANG
3、Yuan,JIANG Runqiang,HAN Qingyang(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun 130033,China)Abstract:Aiming at the incremental grating ruler signal acquisition system of optical focusing platform,a design based on the domestic FPGA chip AG10K was propo
4、sed to realize the functions of frequency doubling directional discrimination,pulse counting,serial data transmission and so on.The communication interaction of host computer was realized through serial communi-cation,and the accurate position acquisition and display of optical focusing platform was
5、 completed.The filter algorithm was de-signed to filter the false zero signal,and the positive and negative double pulse processing was carried out on the frequency divi-sion counting logic,which can effectively reduce the interference of noise to the zero and counting module,and ensure the accura-c
6、y of the acquisition algorithm.Experiments show that the system can detect and adjust the displacement with high precision and sensitivity.The system has the advantages of fast response speed,high precision,stability and reliability.The adoption of domestic chip makes the acquisition system have wid
7、e applicability.Keywords:localization;FPGA;incremental grating ruler;DAQ0 引言近年来,随着光电测控技术的不断发展,光学调焦平台作为高精度成像设备之一,在精密制造、医学影像、光电测控等领域得到了广泛应用。光学调焦平台的准确定位和稳定性对成像质量有重要影响,而精确定位需要高分辨率的测量技术1-6。因此,光栅尺作为高分辨率非接触式测量的专用传感器,成为光学调焦平台位置控制和测量的重要工具。传统的增量式光栅尺信号的采集一般采用产品化的数据采集卡或进口的 FPGA 或 DSP 芯片开发数据采集和解码,数据采集卡尺寸较大,输出方式单
8、一,不满足定制需要。进口器件的对外依存度较高且质量等级较低。因此,本文提出了一种基于国产化 FP-GA 芯片 AG10K 的增量式光栅尺信号采集系统。该系统主要由时钟模块、信号处理模块、编码通信模块等组成,与传统的增量式采集板相比,具有一定的可定制性,能够大幅削减成本;同时能够满足硬件国产化的要求,保证了电路可移植性及广泛性。此外,该系统兼顾传统 FPGA 信号处理的高速性和稳定性,能够较好地适应工业等领域的控制需求。综上所述,基于国产化 FPGA 芯片 AG10K 的增量式光栅尺信号采集系统,能为国产化和定制系统提供了新的选择,具有较好的适应性。1 系统结构和原理增量式光栅尺是测量一定范围内
9、位置、位移等物理量的常用光电传感器。常见的增量式光栅尺主要测量原理基于莫尔条纹的衍射现象。其主要结构由57 仪 表 技 术 与 传 感 器第 8 期光源、光栅和光电接收管组成7-10。光栅尺工作时,光源通过透射或反射的方式经过直线光栅,转化为光透过的莫尔条纹:W=/,由于倾斜角 非常小,因此莫尔条纹信号强度 W 远大于光栅栅距值,即将物理位移进行了放大。再由光电传感器将接收到的莫尔条纹光信号转换成相位差 90的模拟电信号 cos 和sin,模拟信号通过鉴相电路,将其转换为相位差 90的脉冲信号 cos_p 和 sin_p。根据其脉冲的计数和相位关系通过采集算法得到位移和速度信息。直线式光栅尺通
10、常提供的原始信号为了适应远距离传输特性和较好消除共模噪声的影响,通常采用差分信号的方式进行输出。信号采集系统的主要功能是通过 cos_p和 sin_p 的实时逻辑关系判断光栅尺位移前进或后退方向并计数判断相对位置,通过零位信号 Z_p 确定绝对零位位置,结合计数确定测量值的绝对位置。相比绝对式光栅尺,增量式光栅具有体积小、成本低、前端处理电路简洁的优点。增量式光栅尺的工作原理如图 1 所示。图 1 增量式光栅尺的工作原理图2 增量式光栅尺信号采集系统的设计2.1 FPGA 选择增量式光栅尺信号采集系统的 FPGA 选型需要考虑以下4 点:首先是能够兼顾多种电平标准的输入,保证差分输入信号能够正
11、确进行采集;其次是具有灵活的时钟管理模块,能够兼顾满足较高频率的采集模块和稳定的输出通信模块;然后需要足够的逻辑和存储单元,满足采集系统的采集和存储功能逻辑的实现;最后,最好具有较高的集成度和通用的封装,以满足设计的集成化和便利化。因此,选用了国产 FPGA 芯片 AG10K。该芯片具备以下特点:高密度架构,拥有 10K 的逻辑单元(LE)。嵌入式内存块 M9K,支持最大 414 Kbit 的RAM 空间,能够满足设计的功能和存储逻辑要求。内部集成 2 个 PLL 模块,能够提供设计逻辑的复杂时钟。提供时钟乘法和多种类型相移高速差分 I/O 标准支持,包括 LVDS、RSDS、mini-LVD
12、S、LVPECL,以及单端 I/O 标准支持,包括 3.3、2.5、1.8、1.5 V 以及LVCMOS 和 LVTTL,满足输入和输出的信号要求。封装类型为 LQFP-144,易于布局。支持灵活的设备配置,可以通过 JTAG 和 SPI 接口进行,不需要改变传统的烧写习惯。支持远程更新,通过“双重启动”等方式实现。综合以上特点,AG10K 芯片是本系统设计的理想选择。2.2 总体设计增量式光栅尺信号采集系统总体设计框图如图 2所示。图 2 增量式光栅尺信号采集系统总体设计框图以国产化的 FPGA 芯片为平台,主要包括鉴向分频模块、双向脉冲计数模块、数据处理存储模块和串口数 据 传 输 模 块
13、。光 栅 尺 平 台 采 用 ATOM4T0-020345Q67 型直线光栅尺,输出信号采用差分形式输出,并具有自动报警功能。光栅尺信号采集系统采用外置差分芯片将差分信号转换成单端信号。利用专用差分芯片对信号进行转换,能够有效降低信号产生的噪声,提高噪声容限。然后将零位信号 Z_p 以及相差 90的原始脉冲信号送入 FPGA 内,经过鉴向模块处理后,再经双向脉冲计数模块对其进行计数存储,并进行数据处理,最后将数据锁存通过串口模块进行编译发送给主控系统以及上位机。2.3 时钟管理 DCM 模块直线式光栅尺数据采集系统时钟主要包括系统时钟和通信时钟 2 部分,国产化 FPGA 内部集成有锁相环为核
14、心的 DCM 时钟管理单元,能够较准确地为整个系统提供满足系统要求频率和相位的时钟信号。通过锁相环产生系统所需的系统时钟和通信时钟,相比采用分频方式对外部时钟进行设置,具有时钟脉冲稳定性好、相位准确的优点。因此调用 IP 核能够较好节约片上资源和完成设计,本设计中外部输入时钟晶振为 50 MHz,输出时钟为 40 MHz 和 230 kHz,经过锁相环处理的时钟信号,其信号质量较好,稳定性强。其中 40 MHz 时钟作为采集逻辑的功能时钟,频率较高,能够保证对输入信号的上升下降沿的准确判断,具有较高的采样频率和较强的数字逻辑处理能力,满足采集和信号处理要求;230 kHz 为串口通信提供分67
15、 第 8 期张晰等:国产 FPGA 增量式光栅尺信号采集系统的设计 频时钟,较便捷地满足串口 230 400 波特率的指标要求。2.4 鉴向分频模块增量式光栅尺输入信号为经过整形处理后的差分信号 cos_p、sin_p 和 Z_p,Z_p 为零位信号,用来标记光栅尺测量的绝对零位。光栅尺前进时,信号 sin_p滞后于信号 cos_p 相位 90,后退时,信号 cos_p 滞后于 sin_p 信号相位 90,以此特点来设计采样算法逻辑针对光栅尺位移方向进行判别。在判断位移方向的同时,对2 路信号的上升下降沿需要分别采样,以此逻辑设计算法来完成四倍频的双向计数任务。2.5 滤波模块在实际的工程环境
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