[導讀]分析了基于Altera公司CPLD（復雜可編程邏輯器件）芯片EPM7128SLC84-15進行光柵位移測量的基本原理,以及硬件電路的各個模塊--數(shù)字濾波、四倍頻細分、辨向、計數(shù)電路的設計原理和具體電路,給出了CPLD設計的仿真結(jié)果,實驗結(jié)果表明該設計行之有效,該測量儀已經(jīng)成功應用于某型號的光柵傳感器位移測量系統(tǒng)中.與其他設計相比較,該設計電路簡單、成本較低、易于升級,并能實現(xiàn)較高的位移測量精度.
1 光柵位移傳感器測量原理
將光源、兩塊長光柵（指示光柵和標尺光柵）、光電檢測器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這樣就可以實現(xiàn)位移信號到電信號的轉(zhuǎn)換。目前使用的光柵尺的輸出信號主要有2類：一類是相位角相差90°的2路方波信號，另一類是相位依次相差90°的4路正弦信號。
本文針對輸出正弦波的傳感器進行了討論，對于輸出為正弦信號的光柵尺，需要對輸出信號進行整形。光柵尺的輸出信號經(jīng)過整形后如圖1所示。
將光柵尺輸出的信號進行細分，然后辨向，再送入可逆計數(shù)器。由于2路信號周期同為T，相位相差90 °，光柵尺中的指示光柵每移動一個柵距，輸出電信號就變化一個周期，如果能夠把變化的周期數(shù)測量出來，就可以測出相對位移。
2 CPLD的選擇
本設計中選擇的CPLD（復雜可編程邏輯器件）是Altera公司的EPM 7128SLC84-15，它采用CMOS工藝，是一種基于EPROM的器件。該芯片有84個引腳，其中5個用于ISP（In System Programmable）下載，可以方便地對其進行在系統(tǒng)編程。此器件內(nèi)集成了6 000門，其中典型可用門為2 500個，有128個邏輯單元，60個可用I/O口，可以單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個全局時鐘及1個全局使能端和1個全局清除端。EPM 7128SLC284-15支持多電壓工作，其中15代表芯片的速度，該芯片傳輸延時為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz，并支持多種編程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1軟件可以方便地進行仿真、綜合和下載。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)中使用的光柵傳感器輸出的是4路相位差為90°的正弦信號，因此需要對傳感器的輸出信號進行整形處理。本設計中采用了由運放LM393構(gòu)成的差分放大器，將光柵傳感器輸出的4路信號分別送入2個差分放大器的輸入端，從差分放大器輸出的2路信號其相位差為90°，整個系統(tǒng)框圖如圖2所示。
將差分后的信號進行整形得到2路方波信號，得到的方波信號不能直接送入計數(shù)器中，在本設計中由EPM 7128SIC84-15完成4細分、辨向、計數(shù)的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理圖的輸入方式將上述模塊組合成一個軟件系統(tǒng)。
3.1 數(shù)字濾波電路
通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，光柵傳感器輸出的信號雖然經(jīng)過了前級電路的預處理，但光柵發(fā)生抖動或測頭被沖擊時，仍然會產(chǎn)生噪聲信號，從而影響計數(shù)的準確性，降低整個測試系統(tǒng)的精度。為了消除噪聲信號，在CPLD內(nèi)部設計了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動脈沖，防止計數(shù)器誤計數(shù)。圖3是數(shù)字濾波電路圖。
該電路的基本原理是用觸發(fā)器將輸入的方波信號通過時鐘clk的延遲來克服毛刺和噪聲信號，延遲的時鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號的脈沖寬度有關，需要通過多次實驗合理選取。
圖4是數(shù)字濾波電路的仿真波形圖，從圖中可以看出，當輸入信號ina或inb出現(xiàn)毛刺時，經(jīng)過數(shù)字濾波后，輸出波形a和b中已看不到毛刺。在仿真過程中需要注意的足輸入信號ina和inb與clk之間的頻率設置，如果設置不合適，仿真將會失敗。
[!--empirenews.page--]3．2 細分辨向電路
光柵尺信號的細分與辨向足提高光柵尺測量精度的關鍵性一步，沒計者需要綜合考慮辨向與細分的復雜性。在辨向時，是對細分后的信號進行辨向，而不是在細分前進行辨向，否則不能提高測量精度。本測量系統(tǒng)中是先細分、后辨向。電路仿真波形如圖5所示。
在波形圖中：a、b信號足輸入波形，clk是系統(tǒng)時鐘；clr是系統(tǒng)復位信號；direction是方向信號，通過該信號能夠判斷出光柵尺中指示光柵的移動方向，如果是高電平，則表示指示光柵作正向運動，反之則作反向運動；clkadd表示指示光柵正向運動時的細分信號；clksubb表示指示光柵反向運動時的細分信號；clkout信號是clkadd和clksubb相"與非"后的結(jié)果，該信號作為可逆計數(shù)器的時鐘信號；當direction為高電平時，叮逆計數(shù)器作加運算，當direction為低電平時，可逆計數(shù)器作減運算。
3．3 計數(shù)電路
本系統(tǒng)中的計數(shù)器采用VHDL進行設計，輸入信號定義為時鐘信號和方向信號，輸出信號定義為24位的計數(shù)結(jié)果。用VHDL實現(xiàn)的24位可逆計數(shù)器功能的原程序如下：
仿真波形如圖6所示。
在波形圖中：clk信號是上一級電路的clkout信號，作為可逆計數(shù)器的時鐘；up_down是辨向信號，計數(shù)器的加運算和減運算由該信號控制，當up_down為高電平時計數(shù)器作加法，否則作減法。
3.4 譯碼驅(qū)動和顯示電路
本系統(tǒng)中要正確顯示測量結(jié)果，需要譯碼驅(qū)動和顯示電路模塊，澤碼電路用于轉(zhuǎn)換24位的計數(shù)結(jié)果；顯示電路需要8個LED顯示數(shù)據(jù)，其中1個LED為符號位。當正向運動時，符號位不顯示符號，當反向運動時顯示"-"號。
4 結(jié)束語
基于EPM 7128SLC84-15構(gòu)成的位移測量系統(tǒng)具有分辨率高、誤差小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，完全能夠滿足實際測量的需要。由于采用的是CPLD設計，系統(tǒng)易于升級。目前，該設計已經(jīng)成功運用于某測量檢定系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠。
將光源、兩塊長光柵（指示光柵和標尺光柵）、光電檢測器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這樣就可以實現(xiàn)位移信號到電信號的轉(zhuǎn)換。目前使用的光柵尺的輸出信號主要有2類：一類是相位角相差90°的2路方波信號，另一類是相位依次相差90°的4路正弦信號。
本文針對輸出正弦波的傳感器進行了討論，對于輸出為正弦信號的光柵尺，需要對輸出信號進行整形。光柵尺的輸出信號經(jīng)過整形后如圖1所示。
將光柵尺輸出的信號進行細分，然后辨向，再送入可逆計數(shù)器。由于2路信號周期同為T，相位相差90 °，光柵尺中的指示光柵每移動一個柵距，輸出電信號就變化一個周期，如果能夠把變化的周期數(shù)測量出來，就可以測出相對位移。
2 CPLD的選擇
本設計中選擇的CPLD（復雜可編程邏輯器件）是Altera公司的EPM 7128SLC84-15，它采用CMOS工藝，是一種基于EPROM的器件。該芯片有84個引腳，其中5個用于ISP（In System Programmable）下載，可以方便地對其進行在系統(tǒng)編程。此器件內(nèi)集成了6 000門，其中典型可用門為2 500個，有128個邏輯單元，60個可用I/O口，可以單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個全局時鐘及1個全局使能端和1個全局清除端。EPM 7128SLC284-15支持多電壓工作，其中15代表芯片的速度，該芯片傳輸延時為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz，并支持多種編程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1軟件可以方便地進行仿真、綜合和下載。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)中使用的光柵傳感器輸出的是4路相位差為90°的正弦信號，因此需要對傳感器的輸出信號進行整形處理。本設計中采用了由運放LM393構(gòu)成的差分放大器，將光柵傳感器輸出的4路信號分別送入2個差分放大器的輸入端，從差分放大器輸出的2路信號其相位差為90°，整個系統(tǒng)框圖如圖2所示。
將差分后的信號進行整形得到2路方波信號，得到的方波信號不能直接送入計數(shù)器中，在本設計中由EPM 7128SIC84-15完成4細分、辨向、計數(shù)的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理圖的輸入方式將上述模塊組合成一個軟件系統(tǒng)。
3.1 數(shù)字濾波電路
通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，光柵傳感器輸出的信號雖然經(jīng)過了前級電路的預處理，但光柵發(fā)生抖動或測頭被沖擊時，仍然會產(chǎn)生噪聲信號，從而影響計數(shù)的準確性，降低整個測試系統(tǒng)的精度。為了消除噪聲信號，在CPLD內(nèi)部設計了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動脈沖，防止計數(shù)器誤計數(shù)。圖3是數(shù)字濾波電路圖。
該電路的基本原理是用觸發(fā)器將輸入的方波信號通過時鐘clk的延遲來克服毛刺和噪聲信號，延遲的時鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號的脈沖寬度有關，需要通過多次實驗合理選取。
圖4是數(shù)字濾波電路的仿真波形圖，從圖中可以看出，當輸入信號ina或inb出現(xiàn)毛刺時，經(jīng)過數(shù)字濾波后，輸出波形a和b中已看不到毛刺。在仿真過程中需要注意的足輸入信號ina和inb與clk之間的頻率設置，如果設置不合適，仿真將會失敗。
[!--empirenews.page--]3．2 細分辨向電路
光柵尺信號的細分與辨向足提高光柵尺測量精度的關鍵性一步，沒計者需要綜合考慮辨向與細分的復雜性。在辨向時，是對細分后的信號進行辨向，而不是在細分前進行辨向，否則不能提高測量精度。本測量系統(tǒng)中是先細分、后辨向。電路仿真波形如圖5所示。
在波形圖中：a、b信號足輸入波形，clk是系統(tǒng)時鐘；clr是系統(tǒng)復位信號；direction是方向信號，通過該信號能夠判斷出光柵尺中指示光柵的移動方向，如果是高電平，則表示指示光柵作正向運動，反之則作反向運動；clkadd表示指示光柵正向運動時的細分信號；clksubb表示指示光柵反向運動時的細分信號；clkout信號是clkadd和clksubb相"與非"后的結(jié)果，該信號作為可逆計數(shù)器的時鐘信號；當direction為高電平時，叮逆計數(shù)器作加運算，當direction為低電平時，可逆計數(shù)器作減運算。
3．3 計數(shù)電路
本系統(tǒng)中的計數(shù)器采用VHDL進行設計，輸入信號定義為時鐘信號和方向信號，輸出信號定義為24位的計數(shù)結(jié)果。用VHDL實現(xiàn)的24位可逆計數(shù)器功能的原程序如下：
仿真波形如圖6所示。
在波形圖中：clk信號是上一級電路的clkout信號，作為可逆計數(shù)器的時鐘；up_down是辨向信號，計數(shù)器的加運算和減運算由該信號控制，當up_down為高電平時計數(shù)器作加法，否則作減法。
3.4 譯碼驅(qū)動和顯示電路
本系統(tǒng)中要正確顯示測量結(jié)果，需要譯碼驅(qū)動和顯示電路模塊，澤碼電路用于轉(zhuǎn)換24位的計數(shù)結(jié)果；顯示電路需要8個LED顯示數(shù)據(jù)，其中1個LED為符號位。當正向運動時，符號位不顯示符號，當反向運動時顯示"-"號。
4 結(jié)束語
基于EPM 7128SLC84-15構(gòu)成的位移測量系統(tǒng)具有分辨率高、誤差小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，完全能夠滿足實際測量的需要。由于采用的是CPLD設計，系統(tǒng)易于升級。目前，該設計已經(jīng)成功運用于某測量檢定系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠。
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