国产FPGA增量式光栅尺信号采集系统的设计

张 晰,姜 元,姜润强,韩庆阳

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033)

0 引言

近年来,随着光电测控技术的不断发展,光学调焦平台作为高精度成像设备之一,在精密制造、医学影像、光电测控等领域得到了广泛应用。光学调焦平台的准确定位和稳定性对成像质量有重要影响,而精确定位需要高分辨率的测量技术[1-6]。因此,光栅尺作为高分辨率非接触式测量的专用传感器,成为光学调焦平台位置控制和测量的重要工具。

传统的增量式光栅尺信号的采集一般采用产品化的数据采集卡或进口的FPGA或DSP芯片开发数据采集和解码,数据采集卡尺寸较大,输出方式单一,不满足定制需要。进口器件的对外依存度较高且质量等级较低。因此,本文提出了一种基于国产化FPGA芯片AG10K的增量式光栅尺信号采集系统。该系统主要由时钟模块、信号处理模块、编码通信模块等组成,与传统的增量式采集板相比,具有一定的可定制性,能够大幅削减成本;同时能够满足硬件国产化的要求,保证了电路可移植性及广泛性。此外,该系统兼顾传统FPGA信号处理的高速性和稳定性,能够较好地适应工业等领域的控制需求。综上所述,基于国产化FPGA芯片AG10K的增量式光栅尺信号采集系统,能为国产化和定制系统提供了新的选择,具有较好的适应性。

1 系统结构和原理

增量式光栅尺是测量一定范围内位置、位移等物理量的常用光电传感器。常见的增量式光栅尺主要测量原理基于莫尔条纹的衍射现象。其主要结构由光源、光栅和光电接收管组成[7-10]。光栅尺工作时,光源通过透射或反射的方式经过直线光栅,转化为光透过的莫尔条纹:W=ω/θ,由于倾斜角θ非常小,因此莫尔条纹信号强度W远大于光栅栅距值ω,即将物理位移进行了放大。再由光电传感器将接收到的莫尔条纹光信号转换成相位差90°的模拟电信号cos和sin,模拟信号通过鉴相电路,将其转换为相位差90°的脉冲信号cos_p和sin_p。根据其脉冲的计数和相位关系通过采集算法得到位移和速度信息。直线式光栅尺通常提供的原始信号为了适应远距离传输特性和较好消除共模噪声的影响,通常采用差分信号的方式进行输出。信号采集系统的主要功能是通过cos_p和sin_p的实时逻辑关系判断光栅尺位移前进或后退方向并计数判断相对位置,通过零位信号Z_p确定绝对零位位置,结合计数确定测量值的绝对位置。相比绝对式光栅尺,增量式光栅具有体积小、成本低、前端处理电路简洁的优点。增量式光栅尺的工作原理如图1所示。

图1 增量式光栅尺的工作原理图

2 增量式光栅尺信号采集系统的设计

2.1 FPGA选择

增量式光栅尺信号采集系统的FPGA选型需要考虑以下4点:首先是能够兼顾多种电平标准的输入,保证差分输入信号能够正确进行采集;其次是具有灵活的时钟管理模块,能够兼顾满足较高频率的采集模块和稳定的输出通信模块;然后需要足够的逻辑和存储单元,满足采集系统的采集和存储功能逻辑的实现;最后,最好具有较高的集成度和通用的封装,以满足设计的集成化和便利化。

因此,选用了国产FPGA芯片AG10K。该芯片具备以下特点:高密度架构,拥有10K的逻辑单元(LE)。嵌入式内存块M9K,支持最大414 Kbit的RAM空间,能够满足设计的功能和存储逻辑要求。内部集成2个PLL模块,能够提供设计逻辑的复杂时钟。提供时钟乘法和多种类型相移高速差分I/O标准支持,包括LVDS、RSDS、mini-LVDS、LVPECL,以及单端I/O标准支持,包括3.3、2.5、1.8、1.5 V以及LVCMOS和LVTTL,满足输入和输出的信号要求。封装类型为LQFP-144,易于布局。支持灵活的设备配置,可以通过JTAG和SPI接口进行,不需要改变传统的烧写习惯。支持远程更新,通过“双重启动”等方式实现。综合以上特点,AG10K芯片是本系统设计的理想选择。

2.2 总体设计

增量式光栅尺信号采集系统总体设计框图如图2所示。

图2 增量式光栅尺信号采集系统总体设计框图

以国产化的FPGA芯片为平台,主要包括鉴向分频模块、双向脉冲计数模块、数据处理存储模块和串口数据传输模块。光栅尺平台采用ATOM4T0-020345Q67型直线光栅尺,输出信号采用差分形式输出,并具有自动报警功能。光栅尺信号采集系统采用外置差分芯片将差分信号转换成单端信号。利用专用差分芯片对信号进行转换,能够有效降低信号产生的噪声,提高噪声容限。然后将零位信号Z_p以及相差90°的原始脉冲信号送入FPGA内,经过鉴向模块处理后,再经双向脉冲计数模块对其进行计数存储,并进行数据处理,最后将数据锁存通过串口模块进行编译发送给主控系统以及上位机。

2.3 时钟管理DCM模块

直线式光栅尺数据采集系统时钟主要包括系统时钟和通信时钟2部分,国产化FPGA内部集成有锁相环为核心的DCM时钟管理单元,能够较准确地为整个系统提供满足系统要求频率和相位的时钟信号。通过锁相环产生系统所需的系统时钟和通信时钟,相比采用分频方式对外部时钟进行设置,具有时钟脉冲稳定性好、相位准确的优点。因此调用IP核能够较好节约片上资源和完成设计,本设计中外部输入时钟晶振为50 MHz,输出时钟为40 MHz和230 kHz,经过锁相环处理的时钟信号,其信号质量较好,稳定性强。其中40 MHz时钟作为采集逻辑的功能时钟,频率较高,能够保证对输入信号的上升下降沿的准确判断,具有较高的采样频率和较强的数字逻辑处理能力,满足采集和信号处理要求;230 kHz为串口通信提供分频时钟,较便捷地满足串口230 400波特率的指标要求。

2.4 鉴向分频模块

增量式光栅尺输入信号为经过整形处理后的差分信号cos_p、sin_p和Z_p,Z_p为零位信号,用来标记光栅尺测量的绝对零位。光栅尺前进时,信号sin_p滞后于信号cos_p相位90°,后退时,信号cos_p滞后于sin_p信号相位90°,以此特点来设计采样算法逻辑针对光栅尺位移方向进行判别。在判断位移方向的同时,对2路信号的上升下降沿需要分别采样,以此逻辑设计算法来完成四倍频的双向计数任务。

2.5 滤波模块

在实际的工程环境中,存在各种噪声和干扰,因此针对采集系统需要设计滤波算法保证采集信号的可靠性,滤波模块主要考虑2种情况:一种是尖刺脉冲会影响Z_p出现假零位的情况(如图3所示),影响对绝对位置的测量;另一种是高频毛刺或负载平台的振动会对cos_p和sin_p产生往复的脉冲(如图4所示),影响正反转方向的计数功能。

图3 尖刺脉冲影响的假零位信号

图4 计数信号正反方向干扰

针对零位信号的干扰信号特点,干扰信号通常为脉冲幅值高、持续时间短的尖刺脉冲,因此对其进行采样时,设置了一个保持时间阈值,滤除高电平持续时间较短的干扰信号,保证了真正的零位信号的判别。针对正反计数信号噪声干扰的滤波,首先通过D触发器对采集输入信号进行异步转同步处理,这样可以有效消除信号的亚稳态,滤除部分噪声毛刺干扰,然后针对采集状态进行正反双向计数,逻辑设计考虑到晃动时,对计数进行增减分别处理,这样可以避免晃动累计计数造成误差。

采集逻辑采用状态机对2路输入信号进行判别,并对其上升下降沿分别采样,并采用2个标志脉冲ppluse和npluse分别区分光栅尺前进和后退产生的信号沿,此种方式能够有效滤除信号发生抖动时所造成的假计数,从而避免影响采集数据的真实性。其具体逻辑功能由Moore型状态机完成,其状态结构如图5所示。

图5 分频计数模块状态机

通过该状态机实现对原始信号的辨向及四倍频和鉴向功能,可以准确判断光栅尺位移方向,并可以快速对信号的逻辑状态改变进行鉴别,逻辑完备具有较好的鲁棒性和抗噪性。

2.6 计数模块

根据调光系统对光栅尺长度输出的要求,需要采用24位的双向可逆脉冲计数器,对光栅尺输出信号的绝对位置锁存,当光栅尺正向移动时,ppluse计数加1,方向标志位DIR表示为1,计数器进行递增计数;当光栅尺反向移动时,npluse计数加1,方向标志位DIR表示为0,计数器进行递减计数。当光栅尺经过零位时,计数器会进行清零校正,清零后的下一个脉冲根据其移动的正反方向进行增减计数,负值用补码的形式进行计数锁存。

2.7 数据处理和通信模块

增量式光栅尺采集计数锁存为24位的补码数据,由最高位的符号位和23位的数据位构成。为了配合采集系统的RS485通信接口,在FPGA内设计串口模块用来实现适合系统的串口通信协议,串口通信模块采用8位字长,1位起始位,1位停止位,无奇偶校验位的数据格式。通过串口协议将24位数据分为3组,由高到低依次发送,并在每包数据加帧头和帧尾,保证数据传输的可靠性。

3 试验验证

3.1 仿真验证

功能仿真采用modelsim进行仿真验证,模拟输入零位信号Z_p以及相位差90°的输入信号cos_p和sin_p,并依次按照模拟零位、模拟正转和反转调整时序输入波形,仿真波形如图6所示。当系统采集到零位信号Z_p时,输出寄存器输出为0,当sin_p信号超前cos_p信号90°时,计数器正向计数;当cos_p信号超前sin_p信号90°时,计数器反向计数。通过功能仿真,可以验证增量式光栅尺数据采集系统功能正确。

图6 功能仿真波形

3.2 工程验证

工程验证包括板级调试和现场验证2部分:板级调试采用QuartusII的Signal Tap工具,利用直线式光栅尺平台作为输入,通过对采集逻辑内部各信号进行观测,其信号输出结果如图7所示,与仿真结果符合,能够准确完成采集功能。

现场测试采用平台,增量式光栅尺通过接口直接连接到增量式光栅尺采集系统板,通过增量式光栅尺采集系统板对光栅尺的位置信息进行采集、编码,采集板通过485串口将实时位置上传给调光调焦控制系统,并将实时位置转发给上位机主控软件,图8为实验室采集系统搭建实物,图9为上位机软件部分截图。

图7 采集逻辑信号正反测试波形

图8 增量式光栅尺采集系统硬件平台

图9 调焦系统上位机软件部分截图

针对采集的准确性,通过多次重复对采集测量的准确性进行验证,直线式光栅尺最大分辨率为1 μm,即光栅尺经过采集系统倍频细分后的每个码值所代表的长度。测量通过杠杆千分表和上位机读取的绝对位置进行重复测量,对比其位移测量是否准确,表1为测量结果。

表1 采集系统位移测量结果

4 结束语

本文设计了一种基于国产化FPGA的光学调焦平台增量式光栅尺信号采集系统,并对国产化选型进行了详细介绍,该系统可用于光学调焦平台的精确测量和控制。通过实验验证,该系统具有较高的精度和稳定性,可满足光学调焦平台的实际需求。该系统具有响应速度快、精度高、稳定可靠等优点,采用国产化芯片使该采集系统具有广泛适用性,能够满足后续其他工程项目的应用,具有较好的可移植性。