基于FPGA 平臺的光電編碼器在探地雷達中的應用

張 鋒，彭正輝，任 強，朱今祥，林曙光

(中國電波傳播研究所，山東 青島266107)

0 引 言

光電編碼器是一種集光、機、電為一體的傳感器;編碼器是把角位移或直線位移轉換成電信號的一種裝置，它以高精度計量光柵作為檢測元件，通過光電轉換技術，將輸入的位移等物理量轉變為數字脈沖信號，通過計算脈沖的個數，實現精確的位移測量;具有精度高、測量范圍廣、響應快、體積小、重量輕、性能穩定可靠、易于維護、性價比高等優點［1，2］。目前，光電編碼器廣泛應用于雷達、電梯、伺服電機、地面指揮儀、機器人、數控機床等自動化精密設備中。

本文提出了一種應用于探地雷達、可靈活控制測距精度的基于現場可編程門陣列(FPGA)平臺的設計方案，通過FPGA 平臺的工作，實現了在探地雷達實驗中準確的脈沖計數和顯示距離。

1 系統設計方案

增量式編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。它由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，編碼盤上涂有兩道相差90°黑白相同的柵欄，分別稱之為A 道和B 道，其輸出脈沖也是相差90°。當編碼器正向旋轉時，A 相比B相超前90°，當編碼器反向旋轉時，A 相比B 相滯后90°。正常情況下，編碼器的正轉和反轉輸出波形分別如圖1 和圖2所示。

圖1 編碼器正轉時序圖Fig 1 Timing diagram of encoder positive rotation

圖2 編碼器反轉時序圖Fig 2 Timing diagram of encoder reverse rotation

基于FPGA技術的光電編碼器系統，采用Xilinx公司的Spartan—6 系列XC6SLX16 芯片作為主芯片，完成對編碼器的輸出信號采集、辨向、分頻、計數、鎖存、傳輸等功能［3］。

探地雷達工作時，按照測距輪觸發，每一個測距輪脈沖完成一次雷達發射觸發和接收回波信號;雷達具有不同的重復周期，為滿足雷達不同工作模式的需求，利用FPGA 對雷達信號的處理和光電編碼器時序進行合理的設計，需要設計不同的編碼器分頻數，滿足雷達的時序要求;本研究的光電編碼器選用每轉1000 個脈沖，對應輪子直徑為1 m，故每個測距輪的精度為1 mm;根據雷達的使用情況，雷達運行速度要求不低于2 km/h，即每個脈沖對應的時間要求為1.8 ms，雷達的重復周期為7 ms，為滿足每個測距輪內至少有一個雷達回波信號，故至少四分頻，以四分頻為例，對應的每個測距輪脈沖時間為7.2 ms，即測距輪精度為4 mm;滿足探地雷達對小目標探測的工作需要。若改變探地雷達對探測目標類型的需求，可利用硬件描述語言實現不同的分頻，從而實現雷達對測量精度的變化，滿足探地雷達的需求。

2 基于FPGA 平臺探地雷達光電編碼器設計

增量式光電編碼器本質上是一種旋轉式角位移檢測裝置，它根據軸所轉動的角度，輸出一系列的脈沖，將機械轉角轉變為電脈沖，其輸出信號如圖1、圖2 所示。A，B 兩相信號是相位相差90°的正交方波脈沖序列，每一個脈沖都代表被測對象旋轉了一定的角度，A，B 之間的相位關系則反映出被測對象的旋轉方向，即當A 相超前B 相，轉動方向為正轉;當B 相超前A 相，轉動方向則為反轉［4，5］。

在脈沖周期T 內A，B 兩相信號共產生了4 次變化，盡管T 不確定，但由于A，B 兩相方位信號之間相位關系確定，使這4 次變化在相位上平均分布。

當光柵正向移動時，光柵輸出的A 相信號的相位超前B 相90°，則在一個周期T 內，兩相信號共有4 次相對變化:a→b→c→d，對應二進制編碼為00→10→11→01→00。此時，運動方向為正轉，這樣，如果每發生一次變化，可逆計數器便實現一次加計數。

當光柵反向移動時，光柵輸出的A 相信號的相位滯后B 相90°，則在一個周期T 內，兩相信號共有4 次相對變化:a→b→c→d，對應二進制編碼為00→01→11→10→00。此時，運動方向為反轉，同理，如果每發生一次變化，可逆計數器便實現一次減計數。

根據編碼器的特點，對A，B 兩相的信號編碼為4 種狀態，從而完成對測距輪正、反轉的判別;FPGA 具體Verilog HDL 主要代碼如下［6］:

3 探地雷達中光電編碼器實驗結果

ChipScope 是Xilinx 推出的一種在線調試軟件，主要功能是通過JTAG 口、在線實時地讀出FPGA 的內部信號。基本原理是利用FPGA 中未使用的BlockRAM，根據用戶設定的觸發條件將信號實時地保存到BlockRAM 中，然后通過JTAG 口傳送到PC，顯示出時序波形。Chipscope 本身是一個邏輯分析儀，主要用于在板上測試過程中采集并觀察芯片內部信號，以便于調試。

圖3 ～圖6 截圖是采用ChipScope 軟件，實時對輸出管腳觀察的結果;其中，FLAGA_IBUF 和FLAGB_IBUF 分別是A 相和B 相編碼器經過采集后的信號，圖3 顯示A 相提前B 相90°，代表編碼器正轉;圖4 顯示A 相滯后B 相90°，代表編碼器反轉;o_clk_a 和o_clk_b 分別是對A，B 相原始采集的編碼器經過四分頻后的兩相信號，XLXI_188/flag_out是經過信號處理后辨向的標志位、當變化:0→1→0→1，即低位flag_out(0)有脈沖，表示正轉，當變化:0→2→0→2，即高位flag_out(1)有脈沖，表示反轉;當正轉時，按照遞增計數，如圖5 的ZFZ_COUNT_管腳顯示的結果:CA→CB→CC→CD(十六進制表示的數值)遞增;當反轉時，按照遞減計數，如圖6 的count_jian_管腳顯示的結果51→50→4F→4E(十六進制表示的數值)遞減;通過ChipScope 實時監測的結果，當測距輪正、反轉時，雷達能實時接收編碼器的距離信息，進行雷達的正常工作。

圖3 編碼器正轉實時檢測輸出結果圖Fig 3 Output result of encoder positive rotation real time detection

圖4 編碼器反轉實時檢測輸出結果圖Fig 4 Output result of encoder reverse rotation real time detection

圖7 、圖8 是通過USB 接口，把經過FPGA 采集處理后的光電編碼器的測距輪信號實時傳送給上位機，然后通過Matlab 對采集的信號畫圖顯示的結果。驗證了距離的正確性。圖7 是正轉時的測距輪正轉顯示結果，從10.5 m 行進到20.8 m;圖8 是反轉時的測距輪反轉顯示結果，從10 m后退到18.9 m。

4 結 論

圖5 編碼器正轉實時遞增輸出結果圖Fig 5 Real time incremental output result of encoder positive rotation

圖6 編碼器正轉實時遞減輸出結果圖Fig 6 Real time decreasing output result of encoder positive rotation

圖8 測距輪反轉顯示結果Fig 8 Display results of inverse rotation

本文提出了探地雷達增量式光電編碼器使用的一種解決方案，并同時給出了基于FPGA 的高精度光電編碼器實現方法;將待測量雙路信號轉換成測量光電編碼器旋轉的轉數和對應的位移，經過四分頻和鎖存電路實時應用于探地雷達中，實測試驗結果證明:該方案能夠實現準確的脈沖計數、顯示距離;實現了小型、高集成的高頻率數據傳輸，并通過USB 接口與上位機通信;而且FPGA 可以根據探地雷達不同工作需要，任意的改變參數，維護方便、可靠性高。

［1］ 姜何 勇，范永坤，王 濤，等.基于FPGA 的增量式光電編碼器計數電路設計［J］.儀器儀表用戶，2008，15(3):90－92.

［2］ 馬永杰，董秀娟，王 軻.基于FPGA 的高精度光電編碼器接口電路的設計［J］.西北師范大學學報，2011，47(4):43－47.

［3］ 張寶宜，邱宏安，蘇文濤，等.基于CPLD 的高精度位移測量電路的設計與實現［J］.儀表技術與傳感器，2006(7):41－43.

［4］ 孫敬先，李長星，鄭 敏，等.基于FPGA 的光電編碼器信號的處理方法［J］.計量與測試技術，2011，38(1):62－64.

［5］ 張九才，王文祥，楊顯志，等.增量式編碼器抗抖動性研究［J］.自動化儀表，2005，26(10):38－39.

［6］ 薛小剛，葛毅敏.Xinlix ISE 9.X FPGA/CPLD 設計指南［M］.北京:人民郵電出版社，2007.