基于EPM7128的光柵位移測量儀設(shè)計(jì)

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(biāo)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(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，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(dòng)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行細(xì)分，然后辨向，再送入可逆計(jì)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(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號就變化一個(gè)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(shè)計(jì)中選擇的CPLD（復(fù)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(gè)引腳，其中5個(gè)用于ISP（In System Programmable）下載，可以方便地對其進(jìn)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(gè)，有128個(gè)邏輯單元，60個(gè)可用I/O口，可以單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個(gè)全局時(shí)鐘及1個(gè)全局使能端和1個(gè)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(shí)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(jìn)行仿真、綜合和下載。
3 系統(tǒng)實(shí)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(jìn)行整形處理。本設(shè)計(jì)中采用了由運(yùn)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(gè)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(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　將差分后的信號進(jìn)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(jì)數(shù)器中，在本設(shè)計(jì)中由EPM 7128SIC84-15完成4細(xì)分、辨向、計(jì)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(gè)軟件系統(tǒng)。
3.1 數(shù)字濾波電路
　　通過多次實(shí)驗(yàn)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(yù)處理，但光柵發(fā)生抖動(dòng)或測頭被沖擊時(shí)，仍然會產(chǎn)生噪聲信號，從而影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，降低整個(gè)測試系統(tǒng)的精度。為了消除噪聲信號，在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動(dòng)脈沖，防止計(jì)數(shù)器誤計(jì)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(shí)鐘clk的延遲來克服毛刺和噪聲信號，延遲的時(shí)鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號的脈沖寬度有關(guān)，需要通過多次實(shí)驗(yàn)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(dāng)輸入信號ina或inb出現(xiàn)毛刺時(shí)，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(shè)置，如果設(shè)置不合適，仿真將會失敗。

3．2 細(xì)分辨向電路
　　光柵尺信號的細(xì)分與辨向足提高光柵尺測量精度的關(guān)鍵性一步，沒計(jì)者需要綜合考慮辨向與細(xì)分的復(fù)雜性。在辨向時(shí)，是對細(xì)分后的信號進(jìn)行辨向，而不是在細(xì)分前進(jìn)行辨向，否則不能提高測量精度。本測量系統(tǒng)中是先細(xì)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(shí)鐘；clr是系統(tǒng)復(fù)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(dòng)方向，如果是高電平，則表示指示光柵作正向運(yùn)動(dòng)，反之則作反向運(yùn)動(dòng)；clkadd表示指示光柵正向運(yùn)動(dòng)時(shí)的細(xì)分信號；clksubb表示指示光柵反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的細(xì)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(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號；當(dāng)direction為高電平時(shí)，叮逆計(jì)數(shù)器作加運(yùn)算，當(dāng)direction為低電平時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器作減運(yùn)算。
3．3 計(jì)數(shù)電路
　　本系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)器采用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入信號定義為時(shí)鐘信號和方向信號，輸出信號定義為24位的計(jì)數(shù)結(jié)果。用VHDL實(shí)現(xiàn)的24位可逆計(jì)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(jì)數(shù)器的時(shí)鐘；up_down是辨向信號，計(jì)數(shù)器的加運(yùn)算和減運(yùn)算由該信號控制，當(dāng)up_down為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器作加法，否則作減法。
3.4 譯碼驅(qū)動(dòng)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(dòng)和顯示電路模塊，澤碼電路用于轉(zhuǎn)換24位的計(jì)數(shù)結(jié)果；顯示電路需要8個(gè)LED顯示數(shù)據(jù)，其中1個(gè)LED為符號位。當(dāng)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，符號位不顯示符號，當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)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(diǎn)，完全能夠滿足實(shí)際測量的需要。由于采用的是CPLD設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于升級。目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功運(yùn)用于某測量檢定系統(tǒng)中，性能穩(wěn)定可靠。