基于FPGA的多路光柵信號并行采集方法

摘 要： FPGA在信號采集中時鐘頻率高，內(nèi)部延時小，控制邏輯由硬件完成，同時可以集成外圍控制、譯碼和接口電路，具有速度快、組織靈活等優(yōu)勢。在需要測量較大面積的動態(tài)變化面形并采集大量光柵尺信號時，可以使用FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對光柵信號進行采集。在保證采樣精度的前提下，為了降低成本和系統(tǒng)復雜度，可以在采集系統(tǒng)中使用多路選擇技術。提出了一種基于FPGA和多路選擇技術的光柵信號采集方法，使用I/O口相對較少的低端FPGA，配合多路選擇開關，通過內(nèi)部處理，實現(xiàn)了多路光柵信號的采集，結(jié)果表明，該法成本低廉且能滿足精度的要求。

關鍵字： 光柵信號； 數(shù)據(jù)采集； FPGA； 多路選擇

中圖分類號： TN911.74?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0067?03

0 引 言

光柵傳感器作為精密機械量測量的有效工具在線位移、角位移、速度、加速度等工程的測量上得到了廣泛應用[1]。在長度測量中，光柵微位移傳感器可以達到μm級的測量精度，同時可以動態(tài)采集長度的變化，從而可以精確地算出運動速度甚至加速度。在曲面測量中，相比于傳統(tǒng)的三坐標機、輪廓儀，光柵傳感器也具有可以動態(tài)檢測面形變化，精度高，可以實時輸出面形數(shù)據(jù)等優(yōu)勢。

多路選擇技術的數(shù)據(jù)采集中得到了廣泛應用[2]，在一些分布式系統(tǒng)當中，使用多路選擇技術可以減少I/O口使用數(shù)量，提高系統(tǒng)集成度。具體來說，使用多路選擇開關對多路信號進行選通處理，將多路選擇開關的輸出端連接采集芯片的I/O口，使采集芯片對各路信號進行輪番采樣，但輪番采樣使得原始波形的采集離散化，即在芯片對采得的離散信號進行處理前，需要對采得的波形進行處理。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)選用了60支高精度光柵傳感器（精度為0.5 μm），按環(huán)帶狀排布，以測量圓狀動態(tài)面形變化[3]。實際測量時，60個光柵微位移傳感器安放在測量臺上，待測面形與各傳感器接觸，待測面形變化時，各路光柵傳感器會產(chǎn)生相應的位移，將面形各采集點處的數(shù)據(jù)變化采集起來，通過一定的插值算法還原面形的動態(tài)變化。

通常情況下，采集系統(tǒng)選用FPGA作為光柵信號的采集芯片[4]。因系統(tǒng)涉及的信號路數(shù)較多，單片低端FPGA很難滿足信號采集的要求，故需要多片F(xiàn)PGA并行工作，最后用一片DSP芯片或單片機對多片F(xiàn)PGA進行輪番尋址取值，再將各傳感器的數(shù)據(jù)傳送給上位機，如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計較為復雜，成本也較高。

本文提出了一種基于多路選擇技術的多路信號采集方法，針對多路信號無法同時被單芯片采集的問題，采用串、并結(jié)合采樣的方法，可以在滿足采樣精度要求的情況下，實現(xiàn)單FPGA上的多路信號采集，如圖2所示。

每個傳感器輸出信號中，表示傳感器移動距離的信號有兩路（A、B）。4個傳感器分為一組，共有8路信號（1A、…、4A，1B、…、4B）。將1A～4A接雙4位多路選擇開關（如74HC4052）的1Y0～1Y3，1B～4B接多路選擇開關的2Y0～2Y3。FPGA發(fā)出2位控制信號同時控制該多選芯片MUX1。即FPGA控制信號為00時，MUX1的1Z輸出為1A，2Z輸出為1B，此時FPGA接收到的信號為傳感器1的信號。FPGA的控制信號進入下一個狀態(tài)01時，MUX1的1Z輸出為2A，2Z輸出為2B，此時傳感器2的信號被采集。依次類推，傳感器4的信號之后重新返回到傳感器1上。這樣就形成一個循環(huán)采樣的過程。

在對采樣頻率要求不高時，多路并行采樣可以節(jié)省很多IO資源，同時精度也可以得到保證。FPGA內(nèi)部用狀態(tài)機可以完成多路選擇的控制，如圖3所示。

2 光柵信號預處理

光柵位移傳感器輸出為兩路相位相差90°的方波信號，如圖4所示，正常情況下可以通過兩路波形的上升、下降沿的個數(shù)來計量位移的實際變化；并由兩路信號的瞬時相位變化得出位移的移動方向。但由于本方案使用循環(huán)采樣的方法，使得某路光柵信號只有[14]被采集到，故需通過相關方法還原原始信號。

這里采用通過濾波引入臨時信號的方法，將采集信號通過時鐘延時將采樣波形保持為采樣值四個時鐘周期，生成類似于原始信號的臨時信號，如圖5所示。

濾波的作用是消除毛刺等噪聲對采樣信號產(chǎn)生的影響，常規(guī)的濾波方法為通過對若干個時鐘周期內(nèi)信號的判斷來實現(xiàn)。當幾個時鐘周期內(nèi)信號的值并未發(fā)生跳轉(zhuǎn)時，認為信號值為真實值，可以作為進一步處理的臨時信號，如圖6所示。可以看出臨時信號僅僅比原始波形信號滯后了若干時間（該滯后時間所對應的時鐘周期數(shù)小于串行采樣數(shù)，此處串行采樣數(shù)為4），這樣可以基本準確地還原原始的波形，細分辨向計數(shù)等操作基于該臨時信號，當信號周期遠大于時鐘周期，即光柵信號變化緩慢時，對采樣的精度基本沒有影響。

3 多路光柵信號并行采集

對8路光柵信號按上述方法進行處理，如圖7所示。在圖中所示范圍內(nèi)，傳感器1～4產(chǎn)生以下信號：增加18、減少11、先減1再加14、減少13。

觀察圖中A、B兩處的計數(shù)，如圖8所示。A處傳感器1～4的初始值為64，0，8，4，B處可見傳感器1～4的計數(shù)值為82，-11，21，-9。與產(chǎn)生的脈沖信號完全符合，說明實現(xiàn)了正確的數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié) 論

本方案適用于低速且輸入較多的數(shù)據(jù)采集裝置，對于高速信號，信號周期與時鐘周期相差倍數(shù)較小時，此法會造成有效信號的損失，并不適用。當信號周期遠大于時鐘周期時（[Ts][>20Tclk]），引入的臨時信號僅僅比原始信號滯后幾個時鐘周期（該滯后小于并行采樣數(shù)乘以時鐘周期），整體上可以比較好地還原初始波形。同時，臨時信號還能有效消除一個時鐘周期內(nèi)的部分波形抖動，實現(xiàn)準確的低速多輸入數(shù)據(jù)采集。

參考文獻

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