基于EPM7128的光栅位移测量仪

基于EPM7128的光栅位移测量仪设计2010-04-1919:51:27来源：与非网关键字：EPM7128光栅位移测量仪1光栅位移传感器测量原理将光源、两块长光栅（指示光栅和标尺光栅）、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。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可以实现位移信号到电信号的转换。目前使用的光栅尺的输出信号主要有2类：一类是相位角相差90°的2路方波信号，另一类是相位依次相差90°的4路正弦信号。本文针对输出正弦波的传感器进行了讨论，对于输出为正弦信号的光栅尺，需要对输出信号进行整形。光栅尺的输出信号经过整形后如图1所示。将光栅尺输出的信号进行细分，然后辨向，再送入可逆计数器。由于2路信号周期同为T，相位相差90°，光栅尺中的指示光栅每移动一个栅距，输出电信号就变化一个周期，如果能够把变化的周期数测量出来，就可以测出相对位移。2CPLD的选择本设计中选择的CPLD（复杂可编程逻辑器件）是Altera公司的EPM7128SLC84-15，它采用CMOS工艺，是一种基于EPROM的器件。该芯片有84个引脚，其中5个用于ISP（InSystemProgrammable）下载，可以方便地对其进行在系统编程。此器件内集成了6000门，其中典型可用门为2500个，有128个逻辑单元，60个可用I/O口，可以单独配置为输入、输出及双向工作方式，2个全局时钟及1个全局使能端和1个全局清除端。EPM7128SLC284-15支持多电压工作，其中15代表芯片的速度，该芯片传输延时为7.5ns，最高工作频率为125MHz，并支持多种编程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1软件可以方便地进行仿真、综合和下载。3系统实现本系统中使用的光栅传感器输出的是4路相位差为90°的正弦信号，因此需要对传感器的输出信号进行整形处理。本设计中采用了由运放LM393构成的差分放大器，将光栅传感器输出的4路信号分别送入2个差分放大器的输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为90°，整个系统框图如图2所示。将差分后的信号进行整形得到2路方波信号，得到的方波信号不能直接送入计数器中，在本设计中由EPM7128SIC84-15完成4细分、辨向、计数的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理图的输入方式将上述模块组合成一个软件系统。3.1数字滤波电路通过多次实验发现，光栅传感器输出的信号虽然经过了前级电路的预处理，但光栅发生抖动或测头被冲击时，仍然会产生噪声信号，从而影响计数的准确性，降低整个测试系统的精度。为了消除噪声信号，在CPLD内部设计了一数字滤波电路模块米滤除抖动脉冲，防止计数器误计数。图3是数字滤波电路图。该电路的基本原理是用触发器将输入的方波信号通过时钟clk的延迟来克服毛刺和噪声信号，延迟的时钟周期数与毛刺和噪声信号的脉冲宽度有关，需要通过多次实验合理选取。图4是数字滤波电路的仿真波形图，从图中可以看出，当输入信号ina或inb出现毛刺时，经过数字滤波后，输出波形a和b中已看不到毛刺。在仿真过程中需要注意的足输入信号ina和inb与clk之间的频率设置，如果设置不合适，仿真将会失败。3．2细分辨向电路光栅尺信号的细分与辨向足提高光栅尺测量精度的关键性一步，没计者需要综合考虑辨向与细分的复杂性。在辨向时，是对细分后的信号进行辨向，而不是在细分前进行辨向，否则不能提高测量精度。本测量系统中是先细分、后辨向。电路仿真波形如图5所示。在波形图中：a、b信号足输入波形，clk是系统时钟；clr是系统复位信号；direction是方向信号，通过该信号能够判断出光栅尺中指示光栅的移动方向，如果是高电平，则表示指示光栅作正向运动，反之则作反向运动；clkadd表示指示光栅正向运动时的细分信号；clksubb表示指示光栅反向运动时的细分信号；clkout信号是clkadd和clksubb相与非后的结果，该信号作为可逆计数器的时钟信号；当direction为高电平时，叮逆计数器作加运算，当direction为低电平时，可逆计数器作减运算。3．3计数电路本系统中的计数器采用VHDL进行设计，输入信号定义为时钟信号和方向信号，输出信号定义为24位的计数结果。用VHDL实现的24位可逆计数器功能的原程序如下：仿真波形如图6所示。在波形图中：clk信号是上一级电路的clkout信号，作为可逆计数器的时钟；up_down是辨向信号，计数器的加运算和减运算由该信号控制，当up_down为高电平时计数器作加法，否则作减法。3.4译码驱动和显示电路本系统中要正确显示测量结果，需要译码驱动和显示电路模块，泽码电路用于转换24位的计数结果；显示电路需要8个LED显示数据，其中1个LED为符号位。当正向运动时，符号位不显示符号，当反向运动时显示-号。4结束语基于EPM7128SLC84-15构成的位移测量系统具有分辨率高、误差小、电路结构简单、成本低等优点，完全能够满足实际测量的需要。由于采用的是CPLD设计，系统易于升级。目前，该设计已经成功运用于某测量检定系统中，性能稳定可靠。