基于FPGA的光栅尺信号智能接口模块

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摘要：介绍了一种基于ALTERA公司大规模可编程逻辑器件EPF10K10的多功能光栅尺处理品电路。叙述了该电路的主要电路——四倍频细分、辨向电路、计数电路、接口处理电路的设计原理，风时给出了详细的电路和仿真波形。

    关键词：光栅尺  四倍频细分  辨向  EDA  FPGA  EPF10K10

1 光栅尺信号及电路设计要求

将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90o的2路方波信号，二是相位依次相差90o的4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。本文针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。

输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。

图1给出了动尺移动时A、B信号的变化情况。在A信号的下降沿采集B信号，就可以判断出运动方向。图中前半部分为正向运动，A信号的上升沿及下降沿均比B信号超前1/4W，在A信号下降沿采集的B信号为“1”；后半部分为反向运动，A信号的上升沿及下降沿均比B信号滞后1/4W，在A信号下降沿采集到的B信号为“0”。根据采集到的运动信号方向和A信号变化的周期数用计数器进行曲计数（正向计数或逆向计数），就可以测算出总位移。

在上述信号处理、测量电路中，用到了触发器、计数器等多种数字集成电路，测量分辨率为光栅栅距W。目前，计量用光栅尺的刻线一般为每毫米50~250线，对应的栅距W为20~4μm ，在精密测量中往往不能满足要求，需要进行曲细分。如果同时考虑A、90o信号上升沿和下降沿的各种情况，就可以实现信号四细分，其主要电路有：细分辨向、计数和接口电路等。以上功能可以由通用数字集成电路来完成，但这种设计方法所用芯片多，结构复杂。当然也可以通过单片机以及一些外围芯片来完成，只是这种方法通用性差，编程复杂，而且增大了单片机的负担，使单片机响应其它事件的实时性变差。

随着大规模可编程逻辑器件（CPLD：复杂可编程逻辑器件；FPGA：现场可编程门阵列）的飞速发展，传统的电路设计方法已大为改观。许多传统的逻辑电路完全可以用可编程逻辑器件来代替，并且可提高系统的可靠性，减小PCB的面积，使产品小型化，还有利于保护知识产权。利用EDA（电子设计自动化）技术设计可编程逻辑器件已成为现代电子设计的一种必然趋势。本文所介绍电路的接口模块就是基于FPGA芯片完成的。

该电路设计有如下要求：利用FPGA芯片完成双路光栅尺信号处理（考虑到2维X-Y平台的应用场合）、四细分及辨向功能、24位可逆计数器、与微处理品器及各种单片机的并行接口电路（包括锁存、译码、清零电路等）。其对外接口信号如图2所示。

INA1、INB1、INA2、INB2分别为两路A、B信号。作为处理电路 输入信号，这2路信号经四细分、辨向后，可为两路24信可逆计数器提供计数脉冲和方向信号。接口电路包括锁存、译码、清零电路等，通过数据线D0~D7、地址线A0~A4、片选信号线CS来读写控制与外部微控制器接口。接口采用8位数据总线，计数值（48位，占6个读口）及清零命令等数据交换均通过不同口地址的读写完成。该模块的操作与其它智能接口器件（如8255、8253等）相类似。

2 FPGA器件的选择

根据设计要求和综合估算整个电路所需要的管脚和宏单元的个数，本设计选用EPF10K10。它是ALTERA公司FLEX10K系列产品之一，是一种嵌入式可编程逻辑器件。EPF10K10采用CMOS SRAM制靠工艺，使用权SRAM来存储编程数据，具有在系统可编程特性。具体的配置方式有被动型和主动型两种，其中被动型配置是在上电后由计算机通过编译后产生的后缀为SOF的文件利用专门的下载电缆配置芯片。而主动型配置是在上电后由专门的可编程配置芯片（如EPC1441）自动对EPF10K10芯片进行配置。EPF10K10具有高密度（可用逻辑门1万~25万；RAM；6114~4096位，512个宏单元）、高速度、低功耗等特点。芯片内含有专用进位链和级联链及快速通道，故其互连方式十分灵活。

3 电路设计

本电路采用Altera公司的Max -plus 开发平台进行设计。Max -plus 为Altera公司的专门开发平台，它包括设计输入、编译、仿真、器件编程等功能。该平台使用方便，允许用户用原理图、VHDL语言、波形图等多种输入方法进行设计。下面介绍系统主要电路的设计。

3．1 细分辨向电路

光栅尺信号的细分与辨向是提高光栅尺测量精度的关键性一步。在笔者所参考的关于光栅辨向和细分电路的资料中，很多设计者都没有综合考虑辨向和细分的复杂性，而是把辨向和细分电路分开，辨向电路只对光栅尺的输出信号进行辨向，而不是对细分后的脉冲信号进行辨向，这样实现测量误差仍是光栅尺的栅距。在考虑辨向功能时，应对细分后的信号进行辨向设计，否则不能提高测量精度。

细分辨向电路的原理图如图

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