CN109839064B

CN109839064B - 一种位移或角度测量的光栅数据采集系统

Info

Publication number: CN109839064B
Application number: CN201711210360.4A
Authority: CN
Inventors: 屈盼让; 李林; 於二军; 任晓琨; 张晓艳; 荆立雄
Original assignee: Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute of AVIC
Current assignee: Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute of AVIC
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2037-11-27
Also published as: CN109839064A

Abstract

本发明涉及位移与角度测量系统，特别涉及一种位移或角度测量的光栅数据采集系统。所述的系统包括CPU、FPGA和通道切换单元，具有采集和自测试两种模式，通过通道切换单元进行两种模式的切换；在采集模式下：待采集位移或角度信号通过通道切换单元输入至FPGA中的光栅信号采集控制器进行解析；在自测试模式下：FPGA中的光栅信号产生控制器依据CPU指令产生测试光栅信号，通过通道切换单元输入至FPGA中的光栅信号采集控制器进行解析，CPU根据解析结果和指令内容判断系统是否工作正常。提供了一种元器件数量少、可靠性高的具有自检测功能的位移或角度测量的光栅数据采集系统。

Description

一种位移或角度测量的光栅数据采集系统

技术领域

本发明涉及位移与角度测量系统，特别涉及一种位移或角度测量的光栅数据采集系统。

背景技术

位移和角度等参数的准确测量对于保证飞机安全性具有重要意义，在航空领域，光栅编码器是比较常用的位移和角度传感器。但是，复杂机载电磁环境往往会对系统造成影响，且光栅数据以电压信号通过线缆传输时，非常容易受到高频信号的干扰，导致采集结果错误。因此，机载位移和角度测量系统需要满足高测试覆盖率和强抗干扰能力的要求。

目前，常用的提高系统测试覆盖率的方法是设计专用测试设备，通过测试设备产生激励，测试系统是否工作正常，但是，制作专用测试设备往往费用昂贵，且只能在地面进行离线测试；常用的增强系统抗干扰能力的方法是增加模拟滤波电路，但是，增加模拟滤波电路需要增加一定数量的模拟元器件，而降低系统的可靠性，同时，模拟器件容易受到温度等环境因素的影响而发生参数漂移。因此，如何在不明显增加元器件数量的情况下，设计一种可以在线自测试，且具有高抗干扰能力的光栅数据采集系统具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供了一种结构简单，可靠性高，且具有在线自检测功能的用于位移和角度测量的光栅数据采集系统；且在不增加模拟滤波电路的情况下，提高光栅数据采集的抗干扰能力。

本发明的技术方案：一种位移或角度测量的光栅数据采集系统，其特征为：所述的系统包括CPU、FPGA和通道切换单元，具有采集和自测试两种模式，通过通道切换单元进行两种模式间的切换；

在采集模式下：待采集位移或角度信号通过通道切换单元输入至FPGA中的光栅信号采集控制器进行解析；

在自测试模式下：FPGA中的光栅信号产生控制器依据CPU指令产生测试光栅信号，通过通道切换单元输入至FPGA中的光栅信号采集控制器进行解析，CPU根据指令内容和解析结果判断系统是否工作正常。

优选地，在光栅信号采集控制器解析之前，设计了数字滤波电路。该设计可以在不明显增加元器件数量的情况下，增强系统抗干扰能力，并且其滤波参数可配置。

优选地，所述的光栅数据采集系统特别适用于航空领域。该设计能够满足机载系统高测试覆盖率和强抗干扰能力的要求，提高系统的可靠性。

优选地，FPGA中的光栅信号采集控制器和光栅信号产生控制器通过状态机实现。使用状态机实现对光栅信号的解析，可以有效解决光栅信号不正交等问题，提高系统的可靠性。

本发明的有益效果：利用机载设备已有的FPGA资源，通过数字电路设计了光栅信号产生控制器、数字滤波电路和光栅信号采集控制器，在不明显增加元器件数量的情况下，实现了系统的在线自测试，提高了系统的测试覆盖率和抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

附图说明

图1为一种位移或角度测量的光栅数据采集系统原理框图。

图2为光栅信号产生控制器状态转移图。

图3为光栅信号采集控制器状态转移图。

具体实施方式

一种位移或角度测量的光栅数据采集系统具有采集和自测试两种模式，FPGA通过控制通道切换单元K₁实现两种模式间的切换，K₁可以是电磁继电器。

根据信号流向，可以将采集和自测试过程分为以下四个步骤：

1.通道切换。在采集模式下，FPGA控制电磁继电器K₁切换到其常闭接点；在自测试模式下，FPGA控制电磁继电器K₁切换到其常开接点，并且FPGA中的光栅信号产生控制器依据CPU指令产生指定方向和步数的测试光栅信号，经过高压驱动芯片，将其转换成高电平为28V，低电平为0V的电压信号；

2.信号隔离。电磁继电器输出的输入光栅信号或测试光栅信号经过光耦N₁隔离，并且其转换成LVTTL电平的信号。

3.数字滤波。将LVTTL电平输入到FPGA中，经过数字滤波电路滤除高频毛刺；

4.数据解析。FPGA中的光栅信号采集控制器对滤波后的信号进行解析，并存储光栅移动的方向和步数等信息，供CPU读取。在采集模式下，由CPU解算相应的位移和角度；在自测试模式下，CPU通过判断测试光栅信号产生指令和采集结果的一致性，判断系统是否工作正常。

步骤1中所述的光栅信号产生模块的发生过程如图2所示。首先依据总线指令[DIR_SET STEP_SET]分别给方向寄存器DIR和步数寄存器STEP赋值，在时钟信号上升沿时刻状态机发生状态转移。光栅信号产生从状态I开始，有以下两种可能：

1.如果方向DIR等于0，表示要产生正转的光栅信号，状态按照状态I→状态II→状态III→状态IV→状态I的顺序在时钟上升沿时刻循环转移，状态每转移一次步数STEP减1，并按照图2所示输出光栅信号A相和B相的值，直到STEP为0为止；

2.如果方向DIR等于1，表示要产生反转的光栅信号，状态按照状态I→状态IV→状态III→状态II→状态I的顺序在时钟上升沿时刻循环转移，状态每转移一次步数STEP减1，并按照图2所示输出光栅信号A相和B相的值，直到STEP为0为止。

步骤4中的光栅信号采集模块对信号的解析过程如图3所示。在时钟上升沿时采集光栅信号A相和B相的值，对于初始状态有以下四种可能：

1.A＝0，且B＝0，进入状态I，此时计数值C＝0；

2.A＝1，且B＝0，进入状态II，此时计数值C＝0；

3.A＝1，且B＝1，进入状态III，此时计数值C＝0；

4.A＝0，且B＝1，进入状态IV，此时计数值C＝0。

初始状态之后，对以上每一个状态来讲均有两种可能。如果当前状态为状态I，采集信号A＝1，且B＝0，则状态将从状态I转移到状态II，同时计数器C++；如果当前状态为状态I，采集信号A＝0，且B＝1，则状态将从状态I转移到状态IV，同时计数器C--；如果当前状态为状态II，采集信号为A＝1，且B＝1，则状态从状态II转移到状态III，同时计数器C++；如果当前状态为状态II，采集信号为A＝0，且B＝0，则状态从状态II转移到状态I，同时计数器C--；如果当前状态为状态III，采集信号为A＝0，且B＝1，则状态从状态III转移到状态IV，同时计数器C++；如果当前状态为状态III，采集信号为A＝1，且B＝0，则状态从状态III转移到状态II，同时计数器C--；如果当前状态为IV，采集信号为A＝0，且B＝0，则状态从状态IV转移到状态I，同时计数器C++；如果当前状态为IV，采集信号为A＝1，且B＝1，则状态从状态IV转移到状态III，同时计数器C--。最终，计数器C的正负表示光栅移动的方向，其绝对值表示光栅移动的步数。

Claims

1.一种位移或角度测量的光栅数据采集系统，其特征为：所述的系统包括CPU、FPGA和通道切换单元，具有采集和自测试两种模式，通过通道切换单元进行两种模式的切换；

在自测试模式下：FPGA中的光栅信号产生控制器依据CPU指令产生测试光栅信号，通过通道切换单元输入至FPGA中的光栅信号采集控制器进行解析，CPU根据解析结果和指令内容判断系统是否工作正常；

FPGA中光栅信号采集控制器内设置有数字滤波电路；FPGA中的光栅信号采集控制器和光栅信号产生控制器通过状态机实现；

光栅信号采集控制器在时钟上升沿采集光栅信号A相和B相的值，对于状态机的初始状态有以下四种情况：

1)A＝0，且B＝0，进入状态I，此时计数值C＝0；

2)A＝1，且B＝0，进入状态II，此时计数值C＝0；

3)A＝1，且B＝1，进入状态III，此时计数值C＝0；

4)A＝0，且B＝1，进入状态IV，此时计数值C＝0；

光栅信号产生控制器基于CPU总线指令分别给方向寄存器和步数寄存器赋值，状态机在时钟上升沿时刻发送状态转移，从状态I开始，下一个状态有以下两种可能；若方向寄存器赋值为0，则状态按照状态态I→状态II→状态III→状态IV→状态I的顺序在时钟上升沿时刻循环转移，状态每转移一次步数STEP减1，直至STEP为0为止；若方向寄存器赋值为1，则，状态按照状态I→状态IV→状态III→状态II→状态I的顺序在时钟上升沿时刻循环转移，状态每转移一次步数STEP减1，直至STEP为0为止；

初始状态之后，对上述四种初始状态的下一个状态均有两种可能：如果当前状态为状态I，采集信号A＝1，且B＝0，则状态将从状态I转移到状态II，同时计数器C++；如果当前状态为状态I，采集信号A＝0，且B＝1，则状态将从状态I转移到状态IV，同时计数器C--；如果当前状态为状态II，采集信号为A＝1，且B＝1，则状态从状态II转移到状态III，同时计数器C++；如果当前状态为状态II，采集信号为A＝0，且B＝0，则状态从状态II转移到状态I，同时计数C--；如果当前状态为状态III，采集信号为A＝0，且B＝1，则状态从状态III转移到状态IV，同时计数器C++；如果当前状态为状态III，采集信号为A＝1，且B＝0，则状态从状态III转移到状态II，同时计数器C--；如果当前状态为IV，采集信号为A＝0，且B＝0，则状态从状态IV转移到状态I，同时计数器C++；如果当前状态为IV，采集信号为A＝1，且B＝1，则状态从状IV转移到状态III，同时计数器C--；最终，计数器C的正负表示光栅移动的方向，其绝对值表示光栅移动的步数。