光栅式传感器细分技术研究

刘薇

摘要：给出了一种基于插值芯片GC-IP2000和FPGA的光栅式传感器的细分方法，设计了其硬件电路，编写了相应的细分软件。结果表明：该方法细分倍数可达8192且可调，可方便地对各种光栅或编码器输出的模拟信号进行高倍率细分。

关键词：光栅；细分；GC-IP2000；FPGA

中图分类号： TG82 文献标识码： A 文章编号：1009-3044（2015）24-0156-02

Study on Interpolation Technology of the Raster

LIU Wei

（Jiangxi Vocational College of Finance and Econamics， Jiujiang 332000，China）

Abstract： Proposed a interpolation method of raster based on the GC-IP2000 and FPGA，designed its circuit and software. Results shows that the max interpolation can reach 8192 and adjustable and can widely used to interpolate the analog signal of raster or encoder.

Key words：raster； interpolation； GC-IP2000；FPGA

光栅作为精密测量的一种超精密工具，已在大型机床加工设备、中小型测量设备、各类便携式精密测量仪器、超精加工等方面得到了广泛的应用。随着数控技术和信息技术的发展，要求光栅传感器也向高精度、高速度、智能和集成化发展，这就要求光栅传感器提高其分辨率，主要有两种方法：提高光栅的刻线密度和提高莫尔条纹的细分倍数。若想进一步提高光栅的线密度，不仅在工艺上难以实现，成本也很高，同时栅距越小，对光学系统和机械机构的要求也就越严格，光栅的极限运动速度也会随之降低[1]。因此各厂家和用户都在寻求通过对提高光栅莫尔条纹的细分倍数来提高光栅的精度和降低成本。

目前，大部分光栅制造厂家均会配置相应的光栅细分盒，细分倍数可达数百或数千，这种细分盒使用方便，但价格昂贵，而且用户使用灵活性低。因而很多用户都是独立研发光栅的细分装置，其细分方法主要有电阻链细分，利用传统低倍细分芯片进行细分等，但这些方法细分倍数均较低，最高只能达到数百，很难满足现在日益精密的测量及制造要求。而本文给出的光栅细分方法其细分倍数最高可达8192且其细分倍数可方便进行调整，成本低，可方便地对光栅或编码器输出的正弦模拟信号进行高倍率细分。

1 概念和特征

光栅式传感器（optical grating transducer）指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。光栅式传感器特点有：①精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的；②大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器；③可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；④具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。这种传感器的最大优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。

2 总体方案

本文所述的光栅细分技术主要包括细分主电路，FPGA四倍细分电路及其细分软件和配置软件。

细分主电路包括细分主芯片GC-IP2000[2]、单片机、配置芯片EEPROM等，从光栅读数头输出的Sin+，Sin-，Cos+，Cos-，Ref+，Ref-六路模拟信号输入给细分主芯片GC-IP2000进行细分，细分的相关配置信息可以从配置芯片EEPROM中获取，也可以通过GC-IP2000自身的管脚进行配置，单片机主要完成对EEPROM的配置。六路模拟信号经过细分主芯片GC-IP2000的细分后输出A，B，Z三路方波信号，其中A和B正交高频信号，Z为零位信号。FPGA四倍细分电路主要完成对细分主芯片细分后的信号进一步进行四倍细分，由于细分主芯片GC-IP2000的细分倍数最高可达2048，因而整个系统的细分倍数可达8192。若细分主芯片和FPGA距离较远或其间存在信号干扰因素，则可利用差分信号转换芯片MC3487把单端的A，B，Z信号转换为A+，A-，B+，B-，Z+，Z- 差分信号，在信号输入FPGA前再利用差分信号转换芯片AM26LS32把差分信号转换为单端信号，在经过FPGA四倍频处理后可输出经过高倍细分后的光栅脉冲计数值。

3 细分主电路设计

细分主电路的核心是细分芯片GC-IP2000，GC-IP2000是德国GEMAC公司的一款插值芯片，可对光栅或编码器输出的始端模拟正、余弦信号进行插值细分，最高细分倍数可达2048，并且通过管脚或软件细分倍数还可配置成100，200，400，500，800，1000，1600，2000，128，256，512，1024，最后可输出细分后的A，B，Z方波信号，其中A，B正交。

细分局部电路中，六路模拟信号分别经过0欧姆后电阻后输入细分主芯片D6 （GC-IP2000），最终由52，53，54管脚经0欧姆后输出细分后的A，B，Z信号，增加0欧姆电阻是为了提高输入输出信号的质量。D5是配置芯片EEPROM，GC-IP2000的相关配置信息可由单片机写入到EEPROM，GC-IP2000每次启动时可从EEPROM中读取配置信息，如细分倍数、极限速度、脉冲上升和下降时间等，这些配置值需经过多次实验合理搭配选择，才能实现可靠的细分而不出现丢码现象。GC-IP2000也可通过自身管脚进行配置，如IR0，IR1，IR2组合可配置不同的细分倍数，但管脚配置信息没有软件配置全面，所以大部分情况下需进行软件配置，在一些简单应用场合可选择管脚配置。另外，由于GC-IP2000是一款模数混合芯片，因而在设计电路时需重点考虑模拟和数字信号的隔离，模拟电源和数字电源的隔离以及模拟地和数字地的隔离。

4 FPGA四倍细分电路设计

每个脉冲代表光栅或编码器转过了特定的角度，AB之间的相位关系反映了光栅的旋转方向，若A相超前B相90°，代表光栅正转，若B相超前A相90°，代表光栅反转[3]。若把A相和B相的周期T均分四等份并分别用0和1代表A相和B相的低高电平状态，在光栅正转时，AB相状态在一个周期T内变化依次为：10，11，01，00 ；在光栅反转时，AB相状态在一个周期T内变化依次为：11，10，00，01 。这样在一个周期T内，AB相的组合状态共发生了四次变化，因而可实现FPGA的四倍频细分。

FPGA细分电路可用硬件描述语言编写完成，本文采用Verilog语言编写了FPGA的四倍频电路，其倍频模块描述如下：

5 实验

利用本文所述光栅细分电路对MICROE M3000系列圆光栅进行实验。

MICROE M3000为美国MICROE公司微小圆光栅产品，该公司是全球著名的微小光栅生产制造厂家，MICROE M3000栅尺刻线数8192，实验中我们同时购买了该公司相配备的1024倍细分盒。

实验中，把圆光栅初始输出的六路模拟信号输入给本文所述的细分系统进行细分（细分倍数分别配置成256和1024），FPGA细分部分固定为四倍细分，这样实验中总系统细分倍数有1024和4096两种情况。MICROE 标准细分盒细分倍数固定为1024倍。另外我们同时把光栅初始输出的六路模拟信号输入给MICROE 标准细分盒进行细分，最后把两路细分下的光栅计数值送上位机显示，实验结果如表1和表2所示。

由表1数据可知，本文所述的光栅细分系统与MICROE标准细分盒细分后的光栅计数值最大相差1个脉冲；由表2数据可知，本文所述的光栅细分系统与MICROE标准细分盒细分后的光栅计数值在最后一栏中相差8个脉冲（折合成1024倍细分），其他数据正好是MICROE标准细分后的四倍关系。作者经过多次实验发现，产生丢码现象的原因是因为光栅转动速度过快，超过了细分主芯片对输入信号260K Hz 最高频率的限制，作者把光栅转动速度稍变小，丢码现象消失，因而本文所述光栅细分系统可普遍应用于中低速的光栅或编码器的细分场合。

6 结束语

由以上分析及实验结果可知，本文给出的光栅或编码器信号细分系统可方便地对各种中低速光栅或编码器输出的模拟信号进行高倍率细分，最高细分倍数可达4096且细分倍数可调，成本低，这对我国的光栅或编码器的细分技术及其生产制造均有一定的促进作用。

参考文献：

[1] 梁海锋，严一心.基于光栅传感器位移测量的软、硬件设计[J].现代电子技术，2003 （23）.

[2] GC-IP2000[Z].GEMAC，Inc.， 2010.

[3] 陆原，王娜，李新玲.一种基于VHDL的细分与辨向电路的设计[J].河北大学学报，2009（1）.