EPM7128在光柵位移測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

1 光柵位移傳感器測(cè)量原理

　　將光源、兩塊長(zhǎng)光柵(指示光柵和標(biāo)尺光柵)、光電檢測(cè)器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動(dòng)的方向上放置光電探測(cè)器，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

　　本文針對(duì)輸出正弦波的傳感器進(jìn)行了討論，對(duì)于輸出為正弦信號(hào)的光柵尺，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形。光柵尺的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后如圖1所示。

　　將光柵尺輸出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，然后辨向，再送入可逆計(jì)數(shù)器。由于2路信號(hào)周期同為T，相位相差90 °，光柵尺中的指示光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號(hào)就變化一個(gè)周期，如果能夠把變化的周期數(shù)測(cè)量出來(lái)，就可以測(cè)出相對(duì)位移。

　　2 CPLD的選擇

　　本設(shè)計(jì)中選擇的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)是Altera公司的EPM 7128SLC84-15，它采用CMOS工藝，是一種基于EPROM的器件。該芯片有84個(gè)引腳，其中5個(gè)用于ISP(In System Programmable)下載，可以方便地對(duì)其進(jìn)行在系統(tǒng)編程。此器件內(nèi)集成了6 000門，其中典型可用門為2 500個(gè)，有128個(gè)邏輯單元，60個(gè)可用I/O口，可以單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個(gè)全局時(shí)鐘及1個(gè)全局使能端和1個(gè)全局清除端。EPM 7128SLC284-15支持多電壓工作，其中15代表芯片的速度，該芯片傳輸延時(shí)為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz，并支持多種編程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1軟件可以方便地進(jìn)行仿真、綜合和下載。

　　3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)中使用的光柵傳感器輸出的是4路相位差為90°的正弦信號(hào)，因此需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形處理。本設(shè)計(jì)中采用了由運(yùn)放LM393構(gòu)成的差分放大器，將光柵傳感器輸出的4路信號(hào)分別送入2個(gè)差分放大器的輸入端，從差分放大器輸出的2路信號(hào)其相位差為90°，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　將差分后的信號(hào)進(jìn)行整形得到2路方波信號(hào)，得到的方波信號(hào)不能直接送入計(jì)數(shù)器中，在本設(shè)計(jì)中由EPM 7128SIC84-15完成4細(xì)分、辨向、計(jì)數(shù)的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理圖的輸入方式將上述模塊組合成一個(gè)軟件系統(tǒng)。

　　3.1 數(shù)字濾波電路

　　通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光柵傳感器輸出的信號(hào)雖然經(jīng)過(guò)了前級(jí)電路的預(yù)處理，但光柵發(fā)生抖動(dòng)或測(cè)頭被沖擊時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，從而影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度。為了消除噪聲信號(hào)，在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動(dòng)脈沖，防止計(jì)數(shù)器誤計(jì)數(shù)。圖3是數(shù)字濾波電路圖。

　　該電路的基本原理是用觸發(fā)器將輸入的方波信號(hào)通過(guò)時(shí)鐘clk的延遲來(lái)克服毛刺和噪聲信號(hào)，延遲的時(shí)鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號(hào)的脈沖寬度有關(guān)，需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)合理選取。

　　圖4是數(shù)字濾波電路的仿真波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)ina或inb出現(xiàn)毛刺時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后，輸出波形a和b中已看不到毛刺。在仿真過(guò)程中需要注意的足輸入信號(hào)ina和inb與clk之間的頻率設(shè)置，如果設(shè)置不合適，仿真將會(huì)失敗。