基于FPGA與FSM的高精度測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 介紹了一種基于有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的高精度角度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Renishaw高精度增量式光電編碼器作為位置傳感器來測(cè)量角度，在FPGA上用VHDL語言描述與仿真有限狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波與去抖，從而保證了計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的正確性。在ARM9處理器上實(shí)現(xiàn)角度的實(shí)時(shí)計(jì)算，并控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。在激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的工程應(yīng)用中驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞： 有限狀態(tài)機(jī)； FPGA； 增量式光電編碼器； EP1C12Q240

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中常用的一種高精度的測(cè)量?jī)x器，是近十年發(fā)展起來的新型大尺寸空間測(cè)量?jī)x器，不僅對(duì)靜止目標(biāo)可以測(cè)量，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也可以進(jìn)行跟蹤測(cè)量。它集合了激光測(cè)距技術(shù)、光電技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有快速、動(dòng)態(tài)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測(cè)量。在航空航天、機(jī)械制造、核工業(yè)、現(xiàn)代軍事等測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)的跟蹤精度在很大程度上依賴于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量精度。
為了提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量的精度，本系統(tǒng)采用高分辨率的光電編碼器來測(cè)量角度。光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移數(shù)字變換的，光電編碼器作為一種高精度的測(cè)角傳感器已普遍應(yīng)用于伺服跟蹤系統(tǒng)中,它具有精度高、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。光電編碼器按編碼方式主要分為兩類：增量式與絕對(duì)式。由于增量式光電編碼器成本低、測(cè)角的精度高，因此本系統(tǒng)的增量式光電編碼器選用Renishaw公司的高精度圓光柵。
然而，由于機(jī)械振動(dòng)或抖動(dòng)等原因，增量式編碼器的輸出脈沖會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)毛刺的現(xiàn)象，因此需要在對(duì)編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的過程中采取有效的方法來去掉抖動(dòng)干擾。本文介紹的有限狀態(tài)機(jī)方法，在FPGA上可以有效消除抖動(dòng)引起的計(jì)數(shù)干擾，提高計(jì)數(shù)的精度[1]。
1 方案設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的核心處理模塊主要由ARM處理器，F(xiàn)PGA組成。為了充分利用ARM9微處理器的運(yùn)算能力和FPGA的高速邏輯處理能力，在設(shè)計(jì)中對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了劃分。ARM9 用于運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的控制并且與FPGA一起形成一個(gè)完整的應(yīng)用平臺(tái)。FPGA主要完成編碼器的精確計(jì)數(shù)功能、與ARM9處理器數(shù)據(jù)通信、與激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)通信功能。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。本文重點(diǎn)介紹在FPGA上實(shí)現(xiàn)編碼器的輸出脈沖計(jì)數(shù)與角度測(cè)量。

1.2 增量式編碼器原理
增量型編碼器通常有3路信號(hào)輸出：A、B和Z，每路都是差分信號(hào)，共6路信號(hào)，信號(hào)采用TTL電平，A脈沖在前，B脈沖在后，A、B脈沖相差90°，每旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè)基準(zhǔn)脈沖Z，作為參考機(jī)械零位。Z相的波形中心對(duì)準(zhǔn)A相輸出的波形中心。利用A相B相的相位差來進(jìn)行判相，A超前B 90°為正轉(zhuǎn)，反之B超前A 90°為反轉(zhuǎn)。
由于增量式編碼器不帶記憶功能，因此對(duì)外界因素引起的干擾非常敏感，在實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械振動(dòng)、工作環(huán)境，電機(jī)負(fù)載等都無可避免地會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，編碼器會(huì)在某一相的脈沖邊緣的地方出現(xiàn)抖動(dòng)的情況，因此有效濾掉脈沖的抖動(dòng)和毛刺，是提高計(jì)數(shù)精度的關(guān)鍵技術(shù)。編碼器輸出真實(shí)信號(hào)的波形如圖2所示[2-3]。