光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)

摘 要:本文對(duì)光柵尺的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了研究，對(duì)其輸出的脈沖信號(hào)使用FPGA進(jìn)行了采集，在FPGA內(nèi)部采用細(xì)分，辨向，計(jì)數(shù)，緩存的處理手段實(shí)現(xiàn)了光柵尺的脈沖信號(hào)處理，使用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)了處理邏輯，并通過了仿真驗(yàn)證。處理后的數(shù)據(jù)緩存到FIFO中輸出給了USB接口，以通過其傳輸給上位機(jī)。

關(guān)鍵詞:光柵尺 FPGA USB 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào):TM938 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2011)03(c)-0089-01

引言

光電軸角編碼器，又稱光電角位置傳感器。它以高精度計(jì)量圓光柵為檢測元件，通過光電轉(zhuǎn)換，將輸入的角位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字代碼，并可與計(jì)算機(jī)及顯示裝置相連接，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字測量與數(shù)字控制，而且與其它同類用途的傳感器相比，具有精度高，測量范圍廣體積小、重量輕，使用可靠，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的性能價(jià)格比，因此已普遍應(yīng)用在雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，是自動(dòng)化設(shè)備理想的角度傳感器[1]。

本文使用RENISHAW公司生產(chǎn)的光柵尺解碼器對(duì)光電軸角編碼器進(jìn)行讀數(shù)，讀數(shù)頭通過26針的D型插座輸出2組差分增量信號(hào)，然后使用FPGA對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行采集處理，然后通過USB接口把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

1 原理及實(shí)現(xiàn)

光柵尺讀數(shù)頭的輸出脈沖是相位相差90°的兩路脈沖方波，當(dāng)軸沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)領(lǐng)先于B信號(hào)相位90°，當(dāng)軸沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)領(lǐng)先于A信號(hào)相位90°。A，B信號(hào)頻率的高低變化反映了軸旋轉(zhuǎn)速度的改變。

辨向邏輯的任務(wù)就是分清楚軸是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過分析A，B路的輸出波形可以總結(jié)出，當(dāng)檢測到A信號(hào)的正跳變沿時(shí)，檢查B信號(hào)的狀態(tài)。若此時(shí)B信號(hào)為低，則可知旋轉(zhuǎn)沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，若此時(shí)B信號(hào)為高，則是沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的。

細(xì)分邏輯的任務(wù)就是提高光柵精度，通過對(duì)A和B信號(hào)的全部上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，不需要專用的細(xì)分模塊，即可實(shí)現(xiàn)四細(xì)分;并通過在每個(gè)跳變沿判斷A與B的電平高低來實(shí)現(xiàn)辨向。

根據(jù)上述的原理可以寫出verilog HDL的部分代碼如下。

always @(rst or a)

if (!rst) q <= 524288;

else

begin

if (a==b) q=q-1;

else q=q+1;

end

always @(rst or b)

if (!rst) q <= 524288;

else

begin

if (a==b) q=q+1;

else q=q-1;

end

通過XILINX ISE的仿真圖如圖1所示:

可以看出該模塊完整的實(shí)現(xiàn)了對(duì)光柵尺的細(xì)分辨向及計(jì)數(shù)的功能。

2 與上位機(jī)的接口

細(xì)分辨向后的數(shù)據(jù)通過一個(gè)鎖存器存起來，并且以一定的頻率輸送到內(nèi)部的FIFO中，內(nèi)部FIFO與一片CY7C68013連接，CY7C68013是高集成、低功耗 USB 2.0 微控制器。

EZ-USB FX2(CY7C68013) 的一個(gè)低功耗版本。通過將USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強(qiáng)型8051微控制器，以及可編程外設(shè)接口集成到一個(gè)芯片中，賽普拉斯研發(fā)出一個(gè)極具成本優(yōu)勢(shì)的解決方案，不僅能在極短時(shí)間內(nèi)完成從立項(xiàng)到投放市場的過程，而且其低功耗特點(diǎn)使得總線供電應(yīng)用成為可能[2]。FPGA與CY7C68013的連接圖如圖2所示。

通過編寫用于實(shí)現(xiàn)FPGA與CY68013的接口模塊程序，USB固件程序，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及客戶端應(yīng)用程序就可以實(shí)現(xiàn)FPGA與外部上位機(jī)的通信，由于USB通信的模塊已經(jīng)很成熟，這里就不列出具體的代碼。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)只是導(dǎo)航采集系統(tǒng)中的一個(gè)小部分，在實(shí)際的工程中所要采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這兩組，但是通過FPGA的并行性能和良好的可擴(kuò)張性，可以輕松的實(shí)現(xiàn)12組數(shù)據(jù)的并行采集，并且在FPGA的控制邏輯下可以保證很高的實(shí)時(shí)性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]董莉莉，熊經(jīng)武．光電編碼器的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]．光學(xué)精密工程，2000(8):24～27.

[2]Cypress Semiconductor Corporation．EZ-USB FX2 TechnicalReference Manual(Version2．1)．www．cypress．com．2003.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文