CN202548568U - 一种通用光栅信号处理系统 - Google Patents

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陈洪芳
郑智伟
石照耀
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Abstract

一种通用光栅信号处理系统，属于于常用光栅传感器输出信号的通用性处理领域。用于接收三路光栅信号的光栅信号接口连接至光栅位移传感器的输出端，再与将输入信号做放大整形处理的放大整形电路连接，放大整形电路的输出端与做四倍频变相细分的处理的FPGA模块相连，FPGA模块再与可以做数据转换和处理的DSP模块的数据总线连接，DSP模块SCIA接口与串口模块相连，同时FPGA模块还与ISA接口相连。本实用新型具有响应速度快、读取数据方式灵活、对光栅输出信号依赖性小等优点。无论输入正弦还是方波的光栅信号，该系统均能实现辨向细分和可逆计数功能，并且可以ISA接口和串行通信两种方式向上位机发送光栅位移或角度数据。

Description

一种通用光栅信号处理系统
技术领域
本实用新型涉及一种通用光栅信号处理系统，适用于常用光栅传感器输出信号的通用性处理。
背景技术
光栅是现代精密测量中得到广泛应用的位移传感器，具有精度高、测量范围大等特点。现有的光栅传感器输出信号一般有两种形式，一种是相位相差90°的两路方波信号，另一种是相位依次相差90°的四路正弦信号。现有的光栅信号处理装置均只针对其中一种形式的信号进行处理，不具有通用性。
中国专利文献200620028130.7公开的一种属于伺服控制技术领域的光栅编码器反馈信号计数装置，包括数字信号处理器，可编程逻辑器件，微控制器。数字信号处理器内计数器对光栅编码器输出的脉冲进行计数，通过可编程逻辑器件内部电路的控制，数字信号处理器将计数值传输给微控制器。利用数字信号处理器对光栅编码器进行计数，主要用于伺服系统的高精度控制。这种方法采用DSP芯片作为计数单元，仅可处理方波形式的光栅信号，不具有通用性。而且系统对于光栅信号不具有细分和辨向功能，对光栅传感器本身分辨率依赖性过大，且仅有一路光栅输入通道。该光栅编码器反馈信号计数装置将脉冲计数结果传输给微控制器，进行伺服控制，不具备计数结果输出的功能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：克服现有的光栅信号处理装置不具通用性的缺点，将输入光栅信号进行四倍频细分辨向和可逆计数，提高光栅脉冲的分辨率，实现基于光栅传感器的位移或角度测量。
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：设计一种通用光栅信号处理系统，包括光栅信号接口、电源模块、放大整形电路、FPGA模块、DSP模块、ISA接口模块、串口模块构成；用于接收三路光栅信号的光栅信号接口连接至光栅位移传感器的输出端，再与将输入信号做放大整形处理的放大整形电路连接，放大整形电路的输出端与做四倍频变相细分的处理的FPGA模块相连，FPGA模块再与可以做数据转换和处理的DSP模块的数据总线连接，DSP模块SCIA接口与串口模块相连，同时FPGA模块还与ISA接口相连。
所述的放大整形电路一共有三路，每路采用两块OP467芯片；前一块芯片构成差分放大器，后一块芯片构成电压比较器；相位差为180°的光栅信号从差分放大器的同相端和反相端接入，从输出端输出之后与电压比较器的通向输入端连接，电压比较器的输出端直接与FPGA相连。所述的FPGA模块采用EP1C3T144芯片，实现四倍频辨向细分，FAGA与ISA接口模块以及DSP数据总线相连，实现数据传输。所述的DSP模块采用TMS320F2812芯片，其SCIA接口与使用MAX3232芯片构成的串口模块连接实现与计算机通信。
其中，光栅信号接口可以接入三路光栅信号进行处理，可以满足坐标测量的要求；放大整形电路采用基本运放和电压比较器实现功能，将正弦波和方波统一为方波，实现了初步的通用性处理；FPGA内部通过逻辑电路实现光栅信号的四倍频细分、辨向以及计数功能，使用锁存器锁存三路信号处理结果，并且设计有地址译码器；其中，DSP模块控制FPGA内部的锁存器选通和可逆计数器的清零，同时通过数据总线与FAGA相连读取处理结果；ISA接口模块通过FPGA内部地址译码器与锁存器输出连接，再连接到上位机；串口模块与DSP相连，可以将处理后的数据通过串口通信方式传输到上位机。
本实用新型专利接入的光栅传感器信号为相位差为90°的四路方波信号或者正弦波信号，经过差分放大以及比较器整形电路之后统一输出为方波变成相位差为90°的两路方波信号，直接输入FPGA内部的数字电路实现四倍频细分以及可逆计数、计数结果锁存。
本实用新型具有响应速度快、读取数据方式灵活、对光栅输出信号依赖性小等优点。无论输入正弦还是方波的光栅信号，该系统均能实现辨向细分和可逆计数功能，并且可以ISA接口和串行通信两种方式向上位机发送光栅位移或角度数据。经实测结果证明：本实用新型能适用于多种光栅，输出结果稳定可靠，在保证一定精度的同时实现了测量功能。
附图说明
图1为本系统的组成原理框图；
图2为本系统中放大整形电路原理图；
图3为本系统中辨向细分模块连接图；
图4为本系统中计数器与锁存器设计原理图；
图5为本系统中DSP和FPGA连接电路图；
图6为本系统中ISA接口电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细说明：
信号采集系统采用工业ISA插口与计算机连接，安装在计算机的主机箱内。配备有3个光栅信号接口，每路输入光栅的相位差为90°的四路信号和两路清零信号。采用放大整形模块将光栅输入信号进行初步处理，再通过FPGA以及DSP处理后通过串口与上位机进行数据传输。系统电源通过ISA接口5提供，通过电源转换模块7转换后给FPGA以及DSP供电。本系统内的FPGA可以将光栅信号进行四倍频细分。
整个系统的框图如图1所示。整个系统由放大整形电路、FPGA单元以及DSP芯片构成。放大整形电路由放大器和比较器构成。正弦或者方波的光栅信号经过放大器和比较器之后输出的是TTL电平的方波。再经过FPGA四倍频细分、辨向以及可逆计数，可得到光栅尺的位移。位移数据可以直接由ISA总线读入上位机，也可以通过数据总线将计数结果传输给DSP，由DSP处理之后通过串口把数据传入上位机。
放大整形电路：电路原理图如图2所示，光栅信号的四路相位差为90°的信号A、B、-A、-B经接口输入。A和-A经过放大器差分放大，输出信号为A2。A2再输入零位比较器的反相端，输出幅值为5V的方波信号A1。同理，B和-B最后输出方波信号B2。无论光栅输出何种信号，经过该部分电路之后信号均被转化为TTL电平，可以直接由FPGA模块进行处理。
辨向细分模块：在FPGA内部设计的辨向细分模块主要实现的功能为四倍频细分辨向输出，该部分边路如图3所示。输入信号为经过放大整形之后的一路光栅的A1、B1信号以及时钟信号CLK，输出信号为P和Q。P信号是输入光栅的四倍频，作为可逆计数器的时钟信号；Q信号是辨向信号，当A1超前于B1(即光栅正向移动)时Q＝1，当B1超前于A1(即光栅反向移动)时Q＝0，Q信号作为可逆计数器的UP/DOWN信号，来控制计数器加计数还是减计数。
计数锁存电路：计数器和锁存器设计连接如图4所示。三路光栅的A1、B1信号分别与辨向细分模块相连接，输出的Q信号与可逆计数器的UP/DOWN输入端相连，输出的P信号与可逆计数器的时钟输入相连。三路光栅信号的计数器结果由总线锁存器锁存，由DSP模块输出选通信号来选通输出。
DSP与FPGA的连接：处理器型号为TMS320F2812。CPU通过外加电源转换芯片、时钟芯片、SRAM存储器，以及复位电路组成DSP系统；通过其各端口的输入输出信号控制其它各电路工作。主要用于实现两个功能：FPGA内部的锁存器选通以及计数结果的转换和发送。如图5所示，DSP的IOA0到IOA3分别与总线锁存器的SEL0、SEL1和FPGA内部的计数器的清零端CLR相连，SEL0和SEL1用来控制总线锁存器的三路选通输出，CLR用来使可逆计数器清零。DSP的数据总线D0～D15与FPGA之间使用三态门连接，IOA4脚与三态门选通输入G相连，来控制三态门的选通，控制数据线挂起或者放下。数据线挂起时，通过SEL0和SEL1选择相应的光栅信号计数结果输出到数据线，DSP内部扫描数据总线得到计数结果之后经过数据转换，再通过串口把数据发送给上位机。
串行总线接口电路：由RS232C与TTL电平转换芯片与CPU连接组成。TTL电平转换芯片采用MAX232。芯片的发送数据引脚和接收数据引脚分别与CPU的串行数据发送引脚和串行数据接收引脚相连，CPU控制将数据从存储器中读出，送入电平转换芯片，电平转换芯片将数据转换为RS-232C信号，上传给PC机。
ISA接口电路：如图6所示，ISA接口的数据线DDO～DD7与FPGA内部的八位锁存器输出端相连；地址线A0～A9与FPGA内部的译码器相连，通过地址译码来选择各路光栅信号的计数结果的高八位和低八位依次输出。IOR和IOW信号用来控制ISA接口电路的读写。
电源模块：电源模块主要实现的是系统各模块的电平转换。采用的是AMS1117系列芯片，基本输入电平±5V均由ISA接口接入，输出为1.5V、1.8V以及3.3V，给FPGA以及DSP等芯片供电。

Claims (4)

1.一种通用光栅信号处理系统，其特征在于：其包括光栅信号接口、电源模块、放大整形电路、FPGA模块、DSP模块、ISA接口模块、串口模块；用于接收三路光栅信号的光栅信号接口连接至光栅位移传感器的输出端，再与将输入信号做放大整形处理的放大整形电路连接，放大整形电路的输出端与做四倍频变相细分的处理的FPGA模块相连，FPGA模块再与可以做数据转换和处理的DSP模块的数据总线连接，DSP模块SCIA接口与串口模块相连，同时FPGA模块还与ISA接口相连。
2.根据权利要求1所述的一种通用光栅信号处理系统，其特征在于：所述的放大整形电路一共有三路，每路采用两块OP467芯片；构成差分放大器前一块芯片与构成电压比较器的后一块芯片相连。
3.根据权利要求1所述的一种通用光栅信号处理系统，其特征在于：所述的实现四倍频辨向细分的FPGA模块采用EP1C3T144芯片。
4.根据权利要求1所述的一种通用光栅信号处理系统，其特征在于：所述的DSP模块采用TMS320F2812芯片，其SCIA接口与使用MAX3232芯片构成的串口模块连接实现与计算机通信。
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