基于FPGA光柵位移測量系統的設計

湯攀++張厚武++付惠茹

摘 要介紹一種基于FPGA光柵位移測量系統。說明光柵信號細分和測量原理，運用最小二乘法，設計一個具有測量點、線、圓等功能的光柵測量系統，解決目前光柵測量系統速度慢、實時性差、功能單一、界面不友好等問題。通過Verilog實現該系統的辨向電路、計數電路等，并運用EDA綜合仿真軟件進行仿真試驗。試驗表明：此系統簡化儀器電路，降低儀器的成本，提高儀器可靠性。

【關鍵詞】FPGA 光柵信號 Verilog 辨向電路 計數電路

1 概述

光柵位移傳感器是基于光柵莫爾條紋信息變換原理的模–數傳感器[1]，光柵信號由于不受時間影響、抗干擾力強等優點，光柵傳感器位置測量技術在醫療設備、精密現代化加工設備等方面得到了廣泛的應用。目前光柵位移測量系統方案主要包括：光柵位移信號處理電路（濾波、降噪等）、控制單元、LCD顯示電路及功能鍵。這些方案實現的方法各不相同，也各有不足[2，3]。例如：劉翠玲，趙權等人[2]提出運用單片機作為處理芯片，存在控制速度慢，精度低等不足；謝敏[3]提出使用一片FPGA芯片完成細分、辨向計數等功能，提高了數據處理的實時性，但存在人機界面不友好等不足。

針對目前光柵測量方案的不足，本文以FPGA為主芯片，采集光柵信號并對光柵進行細分，運用Verilog HDL語言對FPGA進行硬件編程，使FPGA實現細分、辨向、計數等功能，大大減輕單片機的負擔，并運用單片機讀取計數器的值并進行數學處理，使系統實現點、線、圓的測量等功能，最后用液晶顯示屏顯示結果或通過USB口將所測的元素上傳到上位機后在屏幕上描繪出來，形成一個高速、人機界面友好、低成本、高精度的多功能測量系統，滿足機床測量的需求。

2 系統總體設計

該測量系統選用低成本的新天光電50線/mm的光柵傳感器，當它正常工作的時候，輸出相差為900的TTL方波信號A+、B+和它的反信號A-、B-，以及R+和其反信號R-即參考點信號三組信號。

X軸、Y軸、Z軸分別連接3路光柵傳感器，光柵傳感器輸出的三路信號經過FPGA里的四細分及辨向后，輸出正向或反向脈沖信號并對其進行計數，然后單片機通過讀取FPGA中數字量，并通過運算，得出光柵移動的位置，最后用LCD顯示結果或通過USB口與PC機進行雙向通訊。系統總體設計框圖，如圖1所示。

3 硬件設計

本系統硬件電路主要由光柵傳感器、差分放大器MC3486、74HC14、LCD、單片機C8051F341和A3P030等組成。運用Flash架構FPGA的速度快、密度高、可在線修改等的特點，完成對光柵信號的處理，并實現對X軸、Y軸、Z軸光柵信號的細分、辨向、計數、位移測量的功能，其計數頻率高達到200MHz，分辨率達26位。

3.1 FPGA模塊設計

通過電子學細分提高光柵的精度，則必須要實現細分、辨向、計數的功能。本系統的設計主要是運用FPGA來實現細分、辨向和計數的邏輯電路，核心芯片采用的是actel公司的 A3P030，此芯片系統門電路多、運行速度極快、功耗低、掉電不易失、價格不錯，克服了用DSP和單片機導致的運算速度慢的缺點。故常作為首選芯片。

3.1.1 四倍頻細分原理

FPGA里的四細分電路的設計思路是：FPGA接收來自經過差分放大器、整形器后的2路相差900的A、B相信號，然后如果對A、B相信號的上升沿和下降沿都進行計數，從而實現四細分計數，使測量精度提高4倍。本文選用觸發器D來獲取A、B相信號的邊沿脈沖，是因為D觸發器的輸出只有在時鐘上升沿的時候才能隨輸入端D變化的特點。

3.1.2 辨向計數原理

D觸發器能消除輸入信號的尖脈沖影響，所以為了提高系統的抗干擾性能，選用經過第一個D觸發器產生與時鐘同步的信號A1、B1，再經過第二個D觸發器產生與時鐘同步的信號A2、B2。A2、B2與A1、B1分別延時一個時鐘周期。

A1、B1是前一刻的狀態，A2、B2是當前狀態，分析A1、B1、A2、B2電平狀態的關系可知：一個周期內，光柵正向運動時，A1B1A2B2電平值有（0010）、（1011）、（1101）、（0100）四個值，每發生一次這樣的變化，可逆計數器進行加1；當光柵反向運動時，A1B1A2B2電平值有（0001）、（0111）、（1110）、（1000）四個值，每發生一次這樣的變化，可逆計數器進行減1（四個狀態前后相互關聯，若狀態不連續變化視為無效）。

將以上邏輯，運用Libero IDE軟件、Verilog語言，實現辨向計數的功能。

3.1.3 FPGA軟件程序設計

本系統設計的FPGA模塊主要采用Verilog語言實現光柵信號的細分、辨向、計數、響應單片機發出測量的功能。其程序流程圖，如圖2所示。

3.2 單片機C8051F341模塊設計

C8051F341單片機通過P0、P2口以讀寫控制線RD、WR與FPGA相連。通過訪問外部寄存器的方式讀寫A3P030內部的輔助功能寄存器，以及讀取計數寄存器的值并進行運算。（單片機按著坐標的順序先發送X軸方向測得的數據，等 X軸的數據停止發送后，再發送Y軸的數據，最后發送Z軸的數據）。

3.3 通訊模塊設計

本系統通訊模塊設計采用SP3232E接收器能將單片機TXD腳傳來的TTL電平轉換成RS-232電平。T1IN腳接單片機的發送端即P1.1端口，PC機的RS-232的接收端口RD接T1OUT引腳。同時，R1OUT接單片機的接收端RXD1引腳即P1.0端口，PC機的RS-232的發送端TXD接R1IN引腳。

串口輸出數據的協議設計如下：

GX±*********Y±*********Z±*********

（其中：G—傳輸這組數據的標志字，X、Y、Z—三個坐標數據標志字，±—數據的符號位，*—傳輸的具體數據（9個數據中包含一個小數點））。

4 測量原理

系統要測量的平面幾何要素包括點、直線、圓的功能。本文綜合運算能力及存儲空間等因素考慮，曲線擬合算法采用經典的最小二乘法[4]。

4.1 線測量

線測量的功能是通過采集2-50個樣點來測量一個線元素。當采集的樣點多于2個時，系統會根據采集的樣點求出一條最合適的直線。

假設所求的直線模型為：y=b0+b1x，利用n對觀測值，求出回歸系數b0，b1。采用最小二乘法，記

我們尋找使Q（b0，b1）達到最小值b0和b1。

假設光柵傳感器在直線上采樣30個點（用戶可以設置采樣的點數），運用MATLAB將這些點擬合成一條直線：y=2.7843+1.238x。擬合直線圖，如圖3所示。

4.2 圓測量

測量圓可通過在圓周上采集3-50個樣點來測得。當采集的樣點數多于3個時，系統會根據采集的樣點數據求出一個最合適的圓。假設光柵傳感器在圓上采集的一些點。運用MATLAB擬合出這個圓的模型，如圖4所示。

4.3 實現方法

系統測量點、線、圓的功能主要運用keil軟件編程，按測量鍵選擇進入相應測量界面，單片機檢測按鍵功能，然后調用相應的子程序。

5 結束語

針對本文設計采用FPGA對光柵進行細分，使其精度提高了4倍進行驗證。利用仿真軟件Libero IDE進行邏輯綜合、布局布線、時序仿真測試，系統時鐘約束設置為50MHZ，數據的時間說明情況如圖10所示。以X[1]值為例，它的需求時間為20.764ns，到達時間為15.716ns，時間充裕量為5.048ns。說明該系統設計滿足需求。

選取標準值為35.375mm的圓規，運用本文設計的光柵位移測量系統對該圓規的直徑進行測量，得到所測的圓直徑結果為35.378mm，偏差為+0.003mm。說明此系統的設計滿足精度要求。

參考文獻

[1]王慶有.光電技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]劉翠玲，趙權，劉天亮.基于AT89C52的多路智能測控儀[J].儀表技術與傳感器，2006（01）：15-17.

[3]謝敏.基于FPGA的多路光柵數據采集系統[D].合肥：合肥工業大學，2013：9-22.

[4]Xu Guowang，Liao Mingchao.A variety of methods of fit circle[J].Journal of Wuhan Polytechnic University，2002（04）：104-105

作者簡介

湯攀（1990-），女，重慶市人。碩士學位?，F為貴州大學計算機科學與技術學院研究生在讀。主要研究方向為嵌入式應用技術。

作者單位

貴州大學計算機科學與技術學院 貴州省貴陽市 550025