CN107084662A - 基于fpga的正交信号实时处理方法 - Google Patents

基于fpga的正交信号实时处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的正交信号实时高精度处理方法，包括基于FPGA构建的正交信号处理板和计算机测量软件两部分，两部分通过USB数据线实现上、下位机处理数据通信。其中正交信号处理板主要实现对正交信号的采集、差分预处理、均值滤波、误差补偿、实时相位计算和相位细分辨向；计算机测量软件对下位机传入的正交信号采样数据进行筛选后，通过矩阵运算计算信号误差补偿参数，控制下位机正交信号补偿程序运行，在测量软件显示界面实时显示修正效果和测量结果，并将相关数据进行存储。本发明对栅式传感器和激光干涉仪信号实现实时补偿信号的正交误差、幅值波动、直流漂移误差，为高精度光栅信号分析与误差实时补偿提供工程解决方案。

Description

基于FPGA的正交信号实时处理方法
技术领域
本发明涉及正交信号处理方法领域，具体是一种基于FPGA的正交信号实时处理方法。
背景技术
栅式传感器和激光干涉仪广泛应用于现代精密测量仪器、数控机床、光刻机、超精加工等领域，是现代精密测试典型的测量设备。栅式传感器和激光干涉仪输出信号为正交信号，在实际应用中，尽管此类传感器在传感结构设计中如光路、光电转换电路等方面进行优化以减少误差因素影响，实际输出正交信号不可避免存在信号的正交误差、幅值波动、直流漂移误差因素，最终影响传感器测量精度。随着微纳测量技术、超精加工技术、半导体光刻等领域的发展，对测量系统输出测量数据的精度、分辨率、实时性等指标要求不断提升，因此栅式传感器和激光干涉仪信号的高精度处理是精密测量领域的重要的工程问题和研究热点。
目前提升栅式传感器和激光干涉仪测量精度主要有两种方式：一是通过更高精度的测量设备对该类传感器误差进行分段标定，然后通过计算机技术进行插值补偿。该方法虽可有效提升测量系统精度，但可靠性差，一旦传感器位置变动或者振动等引起补偿起点位置发生变动，需重新进行标定；第二种方式是先对传感器输出正交信号误差采用海德曼椭圆补偿算法进行误差补偿，再通过细分辨向提升测量系统精度。由于算法复杂，数据量较大，因此通常情况只可以进行正交信号离线分析与补偿，难以实现正交信号实时补偿和高精度处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的正交信号实时处理方法，以解决现有技术正交信号在处理过程存在的处理速度慢，只可以进行离线分析与补偿的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：基于FPGA构建正交信号处理板采集并处理正交信号，并利用计算机中测量软件处理正交信号处理板输出的数据以获得补偿参数，补偿参数返回至正交处理板，由正交处理板根据补偿参数对正交信号进行误差补偿，其中：
正交信号处理板首先对四路相位相差90度的正交信号进行高速模数转换，模数转换后的正交信号数据经过差分预处理以减少正交信号的误差，获得一组正交信号数据；经差分预处理获得的一组正交信号数据再经均值滤波进一步优化后，上传给计算机测量软件；
计算机测量软件对均值滤波优化后的正交信号数据进行筛选以剔除异常点，然后计算机测量软件通过矩阵运算计算补偿参数，并将补偿参数传回正交信号处理板，正交信号处理板利用补偿参数对均值滤波优化后的正交信号数据依次进行误差补偿、实时相位计算和细分辨向获得误差补偿后且相位实时更新的正交信号数据，误差补偿前后的正交信号数据、实时更新的相位变化和经干涉原理计算的位移测量结果通过计算机测量软件的软件界面进行实时显示和存储。
所述的基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：计算机测量软件通过USB3.0通信协议实现计算机与FPGA的FIFO数据缓存器间数据交互，实现对上下位机处理数据同步，实现正交信号误差的实时计算与补偿，提高测量结果的精度和信号处理速度。
所述的基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：在计算机测量软件中进行补偿参数计算时，按误差源分步补偿正交信号误差，包括正交信号中存在的正交误差α、幅值波动R1，R2、直流漂移误差p，q，共计7项误差。
所述的基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：在正交信号处理板中进行的细分辨向包括计算整周期数、计算细分数，以及根据整周期数、细分数计算相位变化，细分辨向的原理如下：
细分辨向采用双输入反正切算法计算每个采样点对应的相位值，并通过区间转换得到细分数；当测量数据正向递增时，同周期内实时相位值递增，相邻两点相位差始终为正且接近为0，正向移动至新周期时刻实时相位值从-π变化至π，该时刻相邻两点相位差为负且接近为-2π；测量数据反向递减时，同周期内实时相位值递减，相邻两点相位差始终为负且接近为0，反向移动至新周期时刻实时相位值从π变化至-π，该时刻相邻两点相位差为正且接近为2π；因此，整周期数根据相邻两点相位差的大小判断信号移动方向并在进入新周期时刻对整周期数作相增、减运算。
本发明在结构上将FPGA技术与计算机技术相结合，充分利用各自信号处理能力，分工协作，实现正交信号误差实时在线补偿与高精度处理能力。上位机计算机软件能够实现快速矩阵计算，得到实时更新的误差补偿参数；下位机FPGA能够高速并行采集和处理正交误差信号的补偿与正交信号的解调，通过FIFO数据缓存器对上下位机数据进行实时同步，通过USB数据线实现上、下位机的数据通信，实现正交误差、幅值波动、直流漂移误差的实时计算与补偿。
本发明在算法上优化正交误差补偿模型，采取按误差源分步补偿方法，大幅减小误差补偿模块的计算量；结合FPGA高速信号采集以及信号实时处理能力，采用双输入反正切算法对测量过程进行跟踪，获取细分数和整周期数，由于FPGA的采样频率高，性能稳定，使信号处理系统的细分倍数大幅提高，从而使测量结果获得较高精度和分辨率。
本发明提供了一种成本低廉，结构简单，信号处理速度快、精度高的基于FPGA的正交信号实时高精度处理方法，能够克服光源功率漂移、光电接收器信号漂移，光学镜片如PBS等难以实现理想设计状态等因素制约，扩大了零差干涉仪等光学仪器的使用范围，为高精度光栅信号分析与误差实时补偿提供工程解决方案。
附图说明
图1是一种基于FPGA的正交信号实时高精度处理方法示意图。
图2是信号实时补偿模块流程图。
图3是细分辨向模块流程图。
具体实施方式
参见图1，本发明专利是一种基于FPGA的正交信号实时高精度处理方法，包括有基于FPGA构建的正交信号处理板1和计算机测量软件2两部分，两部分通过USB3.0实现上、下位机高速通信。首先在FPGA正交信号处理板1中对A、B、C、D四路相位相差90度的信号进行高速模数转换3，经过差分预处理4减少信号的误差，获得一组正交信号，经均值滤波5进一步优化正交信号后，通过USB3.0上传给计算机测量软件2。计算机测量软件2对信号采样数据进行筛选7剔除异常点，通过矩阵运算计算补偿参数8，并将补偿参数8传回正交信号处理板1。正交信号处理板1利用补偿参数8对正交信号进行误差补偿9、实时相位计算10和细分辨向11，细分辨向11包括计算整周期数12、细分数13和相位变化14。实时更新的相位变化、误差补偿前后的数据和位移测量结果相关数据都通过计算机测量软件2的软件界面15实时显示和存储。计算机测量软件2通过上、下位机通信控制正交信号处理板1程序运行，通过FIFO数据缓存器对上下位机处理数据同步。
参见图2，正交信号中存在正交误差α、幅值波动R1，R2、直流漂移误差p，q，共计7项误差，本发明通过计算机测量软件2快速矩阵运算计算各项误差的补偿参数8。补偿参数8传回正交信号处理板1后，采取按误差源分步补偿方法对正交信号进行误差补偿9。首先通过减法运算补偿直流漂移误差p，q，此时信号中只存在交流分量；通过乘法运算进行归一化幅值波动R1，R2；最后利用正交误差α的补偿参数对已补偿直流分量和归一化交流幅值的信号进行正交误差修正。具体补偿算法如下：
正交信号实际数学模型为：
其中，为实际输出的两路信号，R1、R2分别为两路信号的幅值，p、q分别为两路信号的直流分量，α为两路信号的正交误差。正交信号的峰值 和谷值则根据：
分别通过减法运算补偿直流分量，乘法运算补偿交流幅值，得到两路只存在正交误差的信号，即：此时建立椭圆方程：
上式可转化为：
因此，计算三阶矩阵即可得到系数C，F的值，即可得到正交误差：
参见图3，在正交信号处理板1中进行相位细分辨向11，原理如下：细分辨向11采用双输入反正切算法计算每个采样点对应的相位值10，并通过区间转换得到细分数12。具体反正切算法如下：
由于定点数的移位和加减对于硬件电路来说实现相对容易，并且可达到较高运算速度，本发明利用FPGA实现定点数的四象限反正切函数运算。如下表所示：反正切算法求得的相位值10值域为[-π，π]，通过加减和移位得到[0，1]范围的细分数13：
FPGA高速采样时：当测量数据正向递增时，同周期内实时相位值递增，相邻两点相位差始终为正且接近为0，正向移动至新周期时刻实时相位值从-π变化至π，该时刻相邻两点相位差为负且接近为-2π；测量数据反向递减时，同周期内实时相位值递减，相邻两点相位差始终为负且接近为0，反向移动至新周期时刻实时相位值从π变化至-π，该时刻相邻两点相位差为正且接近为2π。因此，整周期数12根据相邻两点相位差的大小判断信号移动方向并在进入新周期时刻对整周期数作相增、减运算。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：基于FPGA构建正交信号处理板采集并处理正交信号，并利用计算机中测量软件处理正交信号处理板输出的数据以获得补偿参数，补偿参数返回至正交处理板，由正交处理板根据补偿参数对正交信号进行误差补偿，其中：
正交信号处理板首先对四路相位相差90度的正交信号进行高速模数转换，模数转换后的正交信号数据经过差分预处理以减少正交信号的误差，获得一组正交信号数据；经差分预处理获得的一组正交信号数据再经均值滤波进一步优化后，上传给计算机测量软件；
计算机测量软件对均值滤波优化后的正交信号数据进行筛选以剔除异常点，然后计算机测量软件通过矩阵运算计算补偿参数，并将补偿参数传回正交信号处理板，正交信号处理板利用补偿参数对均值滤波优化后的正交信号数据依次进行误差补偿、实时相位计算和细分辨向获得误差补偿后且相位实时更新的正交信号数据，误差补偿前后的正交信号数据、实时更新的相位变化和经干涉原理计算的位移测量结果通过计算机测量软件的软件界面进行实时显示和存储。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：计算机测量软件通过USB3.0通信协议实现计算机与FPGA的FIFO数据缓存器间数据交互，实现对上下位机处理数据同步，实现正交信号误差的实时计算与补偿，提高测量结果的精度和信号处理速度。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：在计算机测量软件中进行补偿参数计算时，按误差源分步补偿正交信号误差，包括正交信号中存在的正交误差、幅值波动、直流漂移误差，共计7项误差。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的正交信号实时处理方法，其特征在于：在正交信号处理板中进行的细分辨向包括计算整周期数、计算细分数，以及根据整周期数、细分数计算相位变化，细分辨向的原理如下：
细分辨向采用双输入反正切算法计算每个采样点对应的相位值，并通过区间转换得到细分数；当测量数据正向递增时，同周期内实时相位值递增，相邻两点相位差始终为正且接近为0，正向移动至新周期时刻实时相位值从变化至，该时刻相邻两点相位差为负且接近为；测量数据反向递减时，同周期内实时相位值递减，相邻两点相位差始终为负且接近为0，反向移动至新周期时刻实时相位值从变化至，该时刻相邻两点相位差为正且接近为；因此，整周期数根据相邻两点相位差的大小判断信号移动方向并在进入新周期时刻对整周期数作相增、减运算。
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