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給出一種新的光柵位移傳感器的四倍頻細分電路設計方法.采用可編程邏輯器件(CPLD)設計了一種全新的細分模塊，利用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)四倍頻細分、辨向及計數模塊程序,并進(jìn)行了仿真.仿真結果表明，與傳統方法相比，新型的設計方法開(kāi)發(fā)周期短，集成度高，模塊化，且修改簡(jiǎn)單容易． 光柵位移傳感器是基于莫爾條紋測量的一種傳感器，要提高其測量分辨率，對光柵輸出信號進(jìn)行細分處理是必要環(huán)節．在實(shí)際應用中，通常采用四倍頻的方法提高定位精度．四倍頻電路與判向電路設計為一個(gè)整體，稱(chēng)為四倍頻及判向電路.能夠實(shí)現四倍頻的電路結構很多，但在應用中發(fā)現，由于某些四倍頻電路的精度或穩定性不高,使傳感器整體性能下降．作者在分析幾種常見(jiàn)四倍頻電路的基礎上，針對不同的應用，設計了兩種不同的四倍頻電路實(shí)現方案，并對這兩種方案的結構和使用方法進(jìn)行了比較和仿真． 1 四倍頻電路設計原理 光柵傳感器輸出兩路相位相差為90的方波信號A和B.如圖l所示，用A，B兩相信號的脈沖數表示光柵走過(guò)的位移量，標志光柵分正向與反向移動(dòng)．四倍頻后的信號，經(jīng)計數器計數后轉化為相對位置.計數過(guò)程一般有兩種實(shí)現方法：一是由微處理器內部定時(shí)計數器實(shí)現計數；二是由可逆計數器實(shí)現對正反向脈沖的計數． 光柵信號A，B有以下關(guān)系． ①當光柵正向移動(dòng)時(shí)，光柵輸出的A相信號的相位超前B相90，則在一個(gè)周期內，兩相信號共有4次相對變化：00→10→11→01→00．這樣,如果每發(fā)生一次變化，可逆計數器便實(shí)現一次加計數,一個(gè)周期內共可實(shí)現4次加計數，從而實(shí)現正轉狀態(tài)的四倍頻計數． ②當光柵反向移動(dòng)時(shí)，光柵輸出的A相信號的相位滯后于B相信號90，則一個(gè)周期內兩相信號也有4次相對變化：00→01→11→10→00．同理，如果每發(fā)生一次變化，可逆計數器便實(shí)現一次減計數，在一個(gè)周期內，共可實(shí)現4次減計數，就實(shí)現了反轉 狀態(tài)的四倍頻計數． ③當線(xiàn)路受到干擾或出現故障時(shí),可能出現其他狀態(tài)轉換過(guò)程，此時(shí)計數器不進(jìn)行計數操作． 綜合上述分析，可以作出處理模塊狀態(tài)轉換圖(見(jiàn)圖2)，其中“+”、“-”分別表示計數器加／減1,“0”表示計數器不動(dòng)作． 2 傳統模擬細分電路 傳統的倍頻計數電路如圖3所示，它由光柵信號檢測電路，辨向細分電路，位置計數電路3部分組成．光柵信號檢測電路由光敏三極管和比較器LM339組成．來(lái)自光柵的莫爾條紋照射到光敏三極管Ta和Tb上，它們輸出的電信號加到LM339的2個(gè)比較器的正輸入端上，從LM339輸出電壓信號Ua,Ub整形后送到辨向電路中．芯片7495的數據輸入端Dl接收Ua，D0接收Ub，接收脈沖由單片機的ALE端提供．然后信號經(jīng)過(guò)與門(mén)Y1,Y2和或門(mén)E1，E2，E3組成的電路后，送到由2片74193串聯(lián)組成的8位計數器．單片機通過(guò)P1口接收74193輸出的8位數據，從而得到光柵的位置． 采用上述設計方案，往往需要增加較多的可編程計數器，電路元器件眾多、結構復雜、功耗增加、穩定性下降． 3 基于CPLD實(shí)現的光柵四細分、辨向電路及計數器的設計 采用CPLD實(shí)現光柵傳感器信號的處理示意圖如圖4所示，即將圖3中3個(gè)部分的模擬邏輯電路全部集成在一片CPLD芯片中，實(shí)現高集成化.由于工作現場(chǎng)的干擾信號使得光柵尺輸出波形失真，所以將脈沖信號通過(guò)40106施密特觸發(fā)器及RC濾波整形后再送入CPLD，由CPLD對脈沖信號計數和判向，并將數據送入內部寄存器． 3．1 CPLD芯片的選擇 CPLD芯片選用ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)品EPM7128S，該芯片具有高阻抗、電可擦、在系統編程等特點(diǎn)，可用門(mén)單元為2 500個(gè)，管腳間最大延遲為5μs工作電壓為+5 V.仿真平臺采用ALTERA公司的QUARTUSⅡ進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計． 3．2 四細分與辨向電路 四細分與辨向模塊邏輯電路如圖5所示，采用10MB晶振產(chǎn)生全局時(shí)鐘CLK，假設信號A超前于B時(shí)代表指示光柵朝某一方向移動(dòng)，A滯后于B時(shí)表示光柵的反方向移動(dòng)．A，B信號分別經(jīng)第一級D觸發(fā)器后變?yōu)锳＇，B＇信號，再經(jīng)過(guò)第二級D觸發(fā)器后變?yōu)锳″，B″信號．D觸發(fā)器對信號進(jìn)行整形，消除了輸入信號中的尖脈沖影響，在后續倍頻電路中不再使用原始信號A，B，因而提高了系統的抗干擾性能．在四倍頻辨向電路中，采用組合時(shí)序邏輯器件對A＇A″，B＇B″信號進(jìn)行邏輯組合得到兩路輸出脈沖：當A超前于B時(shí)，ADD為加計數脈沖，MIMUS保持高電平；反之，當A滯后于B時(shí)，ADD保持高電平,MINUS為減計數脈沖． 對比圖5和圖2可以看出，新型設計方法使用的器件數較傳統方法大大減少，所以模塊功耗顯著(zhù)降低.系統布線(xiàn)在芯片內部實(shí)現，抗干擾性強.由于采用的是可編程邏輯器件，對于系統的修改和升級只需要修改相關(guān)的程序語(yǔ)句即可，不用重新設計硬件電路和制作印刷電路板，使得系統的升級和維護的便捷性大大提高. 4 四倍頻細分電路模塊的仿真 根據圖2所示的狀態(tài)轉換圖，利用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL描述該電路功能，編程思想為將A，B某一時(shí)刻的信號值的狀態(tài)合并為狀態(tài)的判斷標志state，并放入寄存器prestate．當A，B任一狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，state值即發(fā)生改變，將此時(shí)的state值與上一時(shí)刻的prestate進(jìn)行比較，則能根據A，B兩個(gè)脈沖的狀態(tài)相對變化確定計數值db的加減，得出計數器輸出值的加減標志． 仿真結果如圖6所示．當信號A上跳沿超前于B時(shí)，計數值db進(jìn)行正向計數；當A上跳沿滯后于B時(shí)，計數值db進(jìn)行反向計數．即db將細分、辨向、計數集于一身，較好地實(shí)現了光柵細分功能． 比較圖3和圖5可以看出，用FPGA設計信號處理模塊，設計過(guò)程和電路結構更加簡(jiǎn)潔.另外,在應用中需注意FPGA時(shí)鐘周期應小于光柵信號脈沖的1／4. 5 結論 ①新型設計方法結構簡(jiǎn)單，集成度高，比傳統設計方法所用器件數大大減少． ②集成化設計使系統功耗降低，抗干擾性增強． ③用Verilog HDL設計電路，改變電路結構只需修改程序即可，且系統維護和升級的便捷性提高． |
