基于FPGA高速光栅测距系统的实现

夏鸿晔，王君艳

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

基于FPGA高速光栅测距系统的实现

夏鸿晔，王君艳

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

针对光栅高速测距过程中，因供电直流电平漂移而发生的丢数或多计数的问题，设计实现了一种基于可编程门阵列逻辑器件FPGA的高速光栅测距系统，系统通过滞回比较电路等信号处理电路将经光电传感器转换莫尔条纹信号所生成的弦波信号转换成正交的方波信号输入到FPGA中，FPGA对输入信号进行四倍频细分、计数辨向合成等方法来获得光栅移动的位移量。经实验结果表明，该系统可以实现高速位移采集，并有效避免高速采集过程中出现的丢数及多计数问题。

光栅；高速测距；FPGA；莫尔条纹；倍频细分

自上世纪60年代以来，光栅测距技术就已广泛应用于各个领域，据有关资料表明，目前市场上以光栅测距技术为基础的位移测量系统要占到80%以上，且当前准确度达到±0.5 μm,测量长度已达30 m,最大移动速度已达480 m/min，最大传输距离达150[1-4]。

光栅测距技术是以主光栅与指示光栅两者相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的。当光源通过透镜照射光栅尺，两光栅的刻线方向有一个小的夹角θ，由于挡光效应，在与光栅的栅线大致垂直的方向上，会产生出明暗相间的条纹，而这些条纹就是“莫尔条纹”。莫尔条纹通过光电传感器接收后转换为电信号，并在每个周期2π内呈现正弦规律，对此信号变化的周期进行计数，即可求得光栅的相对移动量[5]。如图1为光栅测距过程的示意图。

图1 光栅测量过程示意图

但是，当光栅在高精度和高速运动过程等复杂情况下，莫尔信号在光电转换过程中会引入高频噪声信号和随机干扰信号，光电转换器件的性能波动会产生直流电平漂移，就有可能发生丢数或多计数的现象。因此，希望在引入尽可能小的误差情况下，有必要研究对莫尔条纹进行细分，为此可以通过现场可编程门阵列逻辑器件(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片改变相应信号处理硬件电路来提高高速光栅测距系统的响应速度和精度[6-7]。

1 光栅电子化细分及信号处理

莫尔条纹电子化细分技术主要对交变电信号进行相应内插、补插的方法来提高计数脉冲的频率，故称为倍频，具有细分数高、读数快、易于实现动态测量和系统集成等优点[7]。

本文所研究的光栅信号电子化细分是在FPGA中进行处理，在信号输入之前先将两路带集性的正弦信号转方波信号处理，再将其转化为二进制的方波数字信号输入到FPGA中进行后续的处理。滞回比较电路，因为其引入了回差而提高了整个电路的抗干扰能力，减小误计数的可能，其比较特性及原理如图2所示，当输入信号电压V在一个周期T内超过上门限电压V+时，比较器输出的电压才跳到正电平，当输入信号电压小于下门限电压V-时，比较器输出的电压才跳到负电平，输入信号电压在回差范围内波动时，比较器的输出保持不变[8]。

图2 滞回比较电路比较特性及原理图

本设计中使用到的比较运算放大器是TI公司生产的低偏移电压、低功耗的双通道电压比较器LM396，由于有负电压信号输入，因此这里需采用双电源供电的方法。如图2所示，当比较器正向输入端信号电压VIN大于反相输入端参考电压VREF时，经限流保护电阻R1和R4，比较器的输出电压V0通过上拉电阻R3连接到了电源正极VCC，反之当正向输入信号电压小于反相输入参考电压时，运算放大器输出电压连接到了电源负极VEE，根据这两个输出电压数据就可以计算得到滞回比较器的上门限电压V+和下门限电压V-

(1)

在计算下门限电压时通常会忽略上拉电阻R3的影响，因为一般反馈电阻R2都比R3取值需大好几个数量级，因此根据上式可以计算出该滞回比较电路回差ΔV为

(2)

相比于过零比较电路，滞回比较电路可以改善其输出波形在跃变处的陡度。与比较器输出相连的电阻起的是限流作用，用以保护电路后面的光耦和比较器器件本身[9]。

2 FPGA的选型及四倍频

本文所介绍的信号处理电路模块是基于可编程逻辑器件FPGA来完成的。根据设计要求和估算整个电路可能所需要的管脚及宏单元的个数，选用Altera公司的EPF10K10。配置方式为主动型，在上电后由专门的可编程配置芯片自动对EPF10K10芯片进行相应地配置。芯片内有许多快速通道，互连方式灵活可靠。其主要完成对所输入的方波信号进行四倍频及合成计数[10-12]，如图3所示。

图3 FPGA内需要完成的工作

2.1 四倍频及辨向

设光栅信号分别为A1、A2、B1、B2四路差分信号，则可以得到正、反向运动所产生的脉冲P正、P反的逻辑表达式为

(3)

(4)

图4 四倍频波形图

在光栅尺读数头正向运动的时候，P正将会输出一路方波信号，P反始终保持高电平状态，当光栅尺读数头反向运动的时候，P反将会输出一路方波信号，同时P正始终保持高电平状态，与此同时可以得到计数器加减计数脉冲时的脉冲信号[13-14]。

2.2 计数算法

根据光栅扫描计数的输出原理可知位移满一个步距，才输出一个计数脉冲，不满则不输出。切换时刻是按照光栅计数脉冲上升沿为基准的，即切换时刻当刚好满足一个光栅步距的时候，设C为锁存计数值，N为编码解码值，正向切换时，输出合成值为C×N；而反向切换时，采用的也同样是光栅的脉冲上升沿，但是此刻的上升沿测量计数值不足一个测量步距，所以输出为(C-1)×N。在正、负行程过程中，算法又会有所区别，正行程的正向切换合成正好对应是负行程的反向切换合成，正行程的反向切换合成对应是负行程的正向切换合成。因此，在设计计数程序时需把正/负行程、正/反运动方向的组合因素作为合成算法的判断依据，否则合成值的逻辑会产生错误。为实现正、负行程的位移测量，设计了符号标识，即正行程的位移测量值标示为正，负行程的标示为负[15-16]。算法的简要流程如图5所示。

图5 计数算法

3 实验数据与分析

3.1 实验原理

通过测量光栅尺的速度来验证本文设计的FPGA测距系统的精度。为此，常用的最大测量速度12m/s，栅距为2 μm，四倍频栅距细分后为0.5 μm的超高速光栅尺；以及另外一款常见栅距经四倍频细分后可达0.1 μm，6 m/s的高速高精度光栅尺。由于光栅尺实际运动过程中并不能做到严格匀速，所以利用信号发生器安捷伦81150A产生特定频率的方波信号，通过本文所设计的采集系统来进行计数。

3.2 实验过程

超高速光栅尺：运动速度为12 m/s；四倍频栅距细分后为0.5 μm，由于一个周期包含高低两个电平，计数两次，所以模拟频率为12 MHz。在该带宽下对超高速光栅尺随机抽样5次，每次持续时间1 ms，来计算平均速度。81150A仪器设置波形照片如图6所示。

图6 超高速光栅尺模拟波形

高速高精度光栅尺：实验原理同超高速光栅尺，可得模拟频率为30 MHz。在该带宽下对高速高精度光栅尺随机抽样5次，每次持续时间1 ms，来计算平均速度，81150A仪器设置波形照片如图7所示。

图7 高速高精度光栅尺模拟波形

3.3 实验数据

经测得实验数据如表1所示。

表1 测量结果对照表

如表1所示，经本文设计所改进的测距系统能够实现对高速位移信号测量，并相比原始系统，误差率减小两个数量级。

4 结束语

本文介绍了一种基于可编程逻辑器件FPGA的高速光栅测距系统，采用了四倍频细分法、计数合成算法及相应电路解决了光栅在高速移动情况下莫尔条纹信号在光电转换过程中所产生的干扰及直流电平漂移等问题，系统具有精度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点。由于测距系统对莫尔条纹的质量要求高，需进一步对光栅测距系统误差进行检测、分离和修正等方法进行提高改进，以实现更高速的光栅位移测量。

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Realization of the High Speed Grating Measurement SystemBased on Programmable Logic Device FPGA

XIA Hongye,WANG Junyan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,
Shanghai 200240,China)

In view of the issue of count lost and over count due to the DC level drifting of power supply during the grating high-speed ranging,this paper proposes a high-speed grating ranging system based on the kind of Field-Programmable Gate Array device. The system use the signal process circuit such as hysteresis comparison circuit to convert the sine signal which is from the moire fringe signal via photoelectric sensor to the orthogonal square signal to FPGA device,and FPGA deal the input signal through the four frequency subdivision and the combination of counting and discerning to get the measurement of grating moving data,the experimental result shows that this system can realize the high-speed grating displacement acquisition and avoid the issue of lose count and over count effectively.

grating; high-speed ranging; FPGA; moire fringe; frequency subdivision

TN248;TP39

A

1007-7820(2017)11-027-04

2016- 12- 14

夏鸿晔(1987-)，男，硕士研究生。研究方向：电气工程。王君艳(1968-)，女，副教授。研究方向：电力电子和电力传动。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.008