CN101770539A - 基于fpga的光栅位移传感器测距装置 - Google Patents
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Abstract
基于FPGA的光栅位移传感器测距装置，是利用可编程逻辑门阵列技术，通过硬件描述语言的编程来实现传统信号四细分电路、辩向计数电路及微处理器组成的光栅位移传感器测距装置的功能，将所有电路及微处理器利用编程来实现并配置在一块FPGA的单芯片中。整个系统除少量的外围存储及配置芯片外，全部逻辑功能均在单芯片中得以实现。因此它的功耗就低、抗干扰能力强、精度高、电路简单可靠性好，对于电路的升级及修改较为方便，只需修改相应的HDL语言及微处理器的程序，不必重新设计制作电路板。所以可广泛的运用在环境复杂且需高精度测量及高精度机械加工的领域。
Description
技术领域
本发明是基于FPGA的光栅位移传感器测距装置，尤其是需要高精度测量位移和行程的场合，比如高精度的数控机械加工领域等。
背景技术
目前，通常的光栅位移传感器测距装置由前端光栅位移传感器、辩向四细分电路、位置计数电路3部分组成。由光栅位移传感器产生的A、B两相信号通过7414施密特触发器对信号进行整形后送入辩向电路，辩向电路将A、B两相信号通过单稳态触发器及一定的与逻辑对信号边沿提取进行四细分再送入或非门实现A、B两相信号的辩向，再将实现辩向后的信号送入由两片74193串联组成的8位可逆计数器，单片机通过通用I/O及外部中断来接受74193的数据和进/借位信号。采用上述电路往往需要增加较多的逻辑芯片，电路元器件较多，功耗增加，结构复杂，稳定性下降，很容易受到外界的干扰，不适于复杂环境恶劣的应用。
发明内容
本发明专利旨在提供一种无需大量外围器件，电路结构简单，高可靠性，高精度，强抗干扰能力的光栅位移传感器测距装置。通过Verilog HDL硬件描述语言将四细分电路及辩向计数电路编程并定制相应32位Nios II处理器，将整个电路布线到FPGA芯片中。以单芯片加少量外围电路的SOPC系统来代替以往的复杂程度较高的电路设计。
本发明专利的设计思路及工作流程如下：利用同步D触发器的延时特性及一定的与逻辑来对A、B信号的边沿进行提取，以实现信号的四细分，再将四细分信号通过逻辑判断得到计数器所需的加减计数信号，计数器对加减计数信号的可逆计数并将计数值送入处理器进行处理送出显示。用Verilog语言来实现对D触发器、与或逻辑电路及可逆计数器编程，并定制Altera公司推出的Nios II软内核处理器，将定制的处理器同编程的电路之间正确的连接及正确定义输入输出I/O口，将生成的硬件布线代码及编写的供处理器运行源代码写入FPGA芯片的配置芯片中。
本发明专利的有益效果是：电路简单可靠，高精度，抗干扰能力强，设计保密性强。因为元件较少，所以功耗也较低：系统的布线都是在芯片内部，抗干扰能力增强，由于采用的是可编程逻辑器件，整个系统的修改与升级只需对硬件语言或软件语言进行相应修改，不用重新设计和制作硬件电路。
附图说明
图1为传统光栅的四细分辩向电路原理图。
图2为光栅传感器A、B信号及四细分辩向波形图。
图3为基于FPGA的光栅四细分辩向电路原理图。
具体实施方式
如图3所示，在Altera公司提供的FPGA开发软件Quartus II上对原理图中所涉及到的D触发器、非门、与门、或非门及可逆计数器通过VerilogHDL语言进行编程并调试。
如图3所示，将编译并通过调试的各个模块按原理图正确连接，并通过FPGA开发软件Quartus II对其进行仿真，分析输出时序(如图2)。
根据需要定制Nios II处理器，将整个系统正确连接。
编写供处理器运行的源代码，将整个系统布线及源代码写入配置芯片，进行系统的联调。
器件的型号与参数：
FPGA芯片：Altera公司的Cyclone II EP2C5Q208C8，
参数：4608个逻辑单元、嵌入式18比特x18比特乘法器、专用外部存储器接口电路、4kbit嵌入式存储器块、锁相环(PLL)和高速差分I/O能力。
本发明选择这些器件及型号的原因有以下几点：
·选用Altera公司的Cyclone II EP2C5Q208C8芯片，其功耗低，成本低；
·性价比高，在低成本的同时集成了4608个逻辑单元及嵌入式18比特x18比特乘法器、专用外部存储器接口电路、4kbit嵌入式存储器块、锁相环(PLL)和高速差分I/O能力；
·开发工具功能强大，能通过其实时的抓取硬件电路上的各点波形及参数更有利于开发；
·本发明专利选用的设备数目少，成本低，维修量少。
Claims (3)
1.基于FPGA的光栅位移传感器测距装置，其特征是：基于Verilog HDL硬件描述语言对光栅信号的四细分电路和辩向计数电路的编程，并定制Altera公司推出的Nios II软内核处理器，将定制的Nios II处理器和四细分及辩向计数电路配置在Cyclone II EP2C5Q208C8芯片上组成整体的SOPC系统。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的光栅位移传感器测距装置，其特征是：整个系统除少量外围存储及配置芯片外，全部逻辑功能均在单芯片Cyclone II EP2C5Q208C8上实现，包括信号的四细分、辩向、计数及微处理器。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的光栅位移传感器测距装置，其特征是：整个系统需要进行升级及修改时之需对相应硬件的HDL语言进行修改及对供微处理器源代码进行修改即可，不用重新设计制作电路。
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