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基于FPGA的光栅尺信号智能接口模块

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了一种基于ALTERA公司大规模可编程逻辑器件EPF10K10的多功能光栅尺处理品电路。叙述了该电路的主要电路——四倍频细分、辨向电路、计数电路、接口处理电路的设计原理,风时给出了详细的电路和仿真波形。

    关键词:光栅尺  四倍频细分  辨向  EDA  FPGA  EPF10K10

1 光栅尺信号及电路设计要求

将光源、两块长光栅(动尺和定尺)、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号,动尺移动一个栅距,输出电信号便变化一个周期,它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式,一是相位角相差90o的2路方波信号,二是相位依次相差90o的4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。本文针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论,而对于输出正弦波信号的光栅尺,经过整形可变为方波信号输出。

输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号,A相信号为主信号,B相为副信号,两个信号周期相同,均为W,相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。

图1给出了动尺移动时A、B信号的变化情况。在A信号的下降沿采集B信号,就可以判断出运动方向。图中前半部分为正向运动,A信号的上升沿及下降沿均比B信号超前1/4W,在A信号下降沿采集的B信号为“1”;后半部分为反向运动,A信号的上升沿及下降沿均比B信号滞后1/4W,在A信号下降沿采集到的B信号为“0”。根据采集到的运动信号方向和A信号变化的周期数用计数器进行曲计数(正向计数或逆向计数),就可以测算出总位移。

在上述信号处理、测量电路中,用到了触发器、计数器等多种数字集成电路,测量分辨率为光栅栅距W。目前,计量用光栅尺的刻线一般为每毫米50~250线,对应的栅距W为20~4μm ,在精密测量中往往不能满足要求,需要进行曲细分。如果同时考虑A、90o信号上升沿和下降沿的各种情况,就可以实现信号四细分,其主要电路有:细分辨向、计数和接口电路等。以上功能可以由通用数字集成电路来完成,但这种设计方法所用芯片多,结构复杂。当然也可以通过单片机以及一些外围芯片来完成,只是这种方法通用性差,编程复杂,而且增大了单片机的负担,使单片机响应其它事件的实时性变差。

随着大规模可编程逻辑器件(CPLD:复杂可编程逻辑器件;FPGA:现场可编程门阵列)的飞速发展,传统的电路设计方法已大为改观。许多传统的逻辑电路完全可以用可编程逻辑器件来代替,并且可提高系统的可靠性,减小PCB的面积,使产品小型化,还有利于保护知识产权。利用EDA(电子设计自动化)技术设计可编程逻辑器件已成为现代电子设计的一种必然趋势。本文所介绍电路的接口模块就是基于FPGA芯片完成的。

该电路设计有如下要求:利用FPGA芯片完成双路光栅尺信号处理(考虑到2维X-Y平台的应用场合)、四细分及辨向功能、24位可逆计数器、与微处理品器及各种单片机的并行接口电路(包括锁存、译码、清零电路等)。其对外接口信号如图2所示。

INA1、INB1、INA2、INB2分别为两路A、B信号。作为处理电路 输入信号,这2路信号经四细分、辨向后,可为两路24信可逆计数器提供计数脉冲和方向信号。接口电路包括锁存、译码、清零电路等,通过数据线D0~D7、地址线A0~A4、片选信号线CS来读写控制与外部微控制器接口。接口采用8位数据总线,计数值(48位,占6个读口)及清零命令等数据交换均通过不同口地址的读写完成。该模块的操作与其它智能接口器件(如8255、8253等)相类似。

2 FPGA器件的选择

根据设计要求和综合估算整个电路所需要的管脚和宏单元的个数,本设计选用EPF10K10。它是ALTERA公司FLEX10K系列产品之一,是一种嵌入式可编程逻辑器件。EPF10K10采用CMOS SRAM制靠工艺,使用权SRAM来存储编程数据,具有在系统可编程特性。具体的配置方式有被动型和主动型两种,其中被动型配置是在上电后由计算机通过编译后产生的后缀为SOF的文件利用专门的下载电缆配置芯片。而主动型配置是在上电后由专门的可编程配置芯片(如EPC1441)自动对EPF10K10芯片进行配置。EPF10K10具有高密度(可用逻辑门1万~25万;RAM;6114~4096位,512个宏单元)、高速度、低功耗等特点。芯片内含有专用进位链和级联链及快速通道,故其互连方式十分灵活。

3 电路设计

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