基于FPGA的多路光柵信號(hào)采集方案

　　0 引言

　　光柵傳感器作為精密機(jī)械量測量的有效工具在線位移、角位移、速度、加速度等工程的測量上得到了廣泛應(yīng)用。在長度測量中，光柵微位移傳感器可以達(dá)到μm級(jí)的測量精度，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)采集長度的變化，從而可以精確地算出運(yùn)動(dòng)速度甚至加速度。在曲面測量中，相比于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)機(jī)、輪廓儀，光柵傳感器也具有可以動(dòng)態(tài)檢測面形變化，精度高，可以實(shí)時(shí)輸出面形數(shù)據(jù)等優(yōu)勢。

　　多路選擇技術(shù)的數(shù)據(jù)采集中得到了廣泛應(yīng)用，在一些分布式系統(tǒng)當(dāng)中，使用多路選擇技術(shù)可以減少I/O 口使用數(shù)量，提高系統(tǒng)集成度。具體來說，使用多路選擇開關(guān)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行選通處理，將多路選擇開關(guān)的輸出端連接采集芯片的I/O口，使采集芯片對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行輪番采樣，但輪番采樣使得原始波形的采集離散化，即在芯片對(duì)采得的離散信號(hào)進(jìn)行處理前，需要對(duì)采得的波形進(jìn)行處理。

　　1 系統(tǒng)整體方案

　　系統(tǒng)選用了60 支高精度光柵傳感器(精度為0.5 μm)，按環(huán)帶狀排布，以測量圓狀動(dòng)態(tài)面形變化。

　　實(shí)際測量時(shí)，60個(gè)光柵微位移傳感器安放在測量臺(tái)上，待測面形與各傳感器接觸，待測面形變化時(shí)，各路光柵傳感器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，將面形各采集點(diǎn)處的數(shù)據(jù)變化采集起來，通過一定的插值算法還原面形的動(dòng)態(tài)變化。

　　通常情況下，采集系統(tǒng)選用FPGA作為光柵信號(hào)的采集芯片。因系統(tǒng)涉及的信號(hào)路數(shù)較多，單片低端FPGA 很難滿足信號(hào)采集的要求，故需要多片FPGA 并行工作，最后用一片DSP芯片或單片機(jī)對(duì)多片F(xiàn)PGA進(jìn)行輪番尋址取值，再將各傳感器的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本也較高。

　　本文提出了一種基于多路選擇技術(shù)的多路信號(hào)采集方案，針對(duì)多路信號(hào)無法同時(shí)被單芯片采集的問題，采用串、并結(jié)合采樣的方法，可以在滿足采樣精度要求的情況下，實(shí)現(xiàn)單FPGA上的多路信號(hào)采集，如圖2所示。

　　每個(gè)傳感器輸出信號(hào)中，表示傳感器移動(dòng)距離的信號(hào)有兩路(A、B)。4 個(gè)傳感器分為一組，共有8 路信號(hào)(1A、…、4A，1B、…、4B)。將1A~4A 接雙4 位多路選擇開關(guān)(如74HC4052)的1Y0~1Y3，1B~4B 接多路選擇開關(guān)的2Y0~2Y3.FPGA發(fā)出2位控制信號(hào)同時(shí)控制該多選芯片MUX1.即FPGA控制信號(hào)為00時(shí)，MUX1的1Z輸出為1A，2Z輸出為1B，此時(shí)FPGA接收到的信號(hào)為傳感器1 的信號(hào)。FPGA 的控制信號(hào)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)01時(shí)，MUX1的1Z 輸出為2A，2Z 輸出為2B，此時(shí)傳感器2的信號(hào)被采集。依次類推，傳感器4的信號(hào)之后重新返回到傳感器1上。這樣就形成一個(gè)循環(huán)采樣的過程。

　　在對(duì)采樣頻率要求不高時(shí)，多路并行采樣可以節(jié)省很多IO資源，同時(shí)精度也可以得到保證。FPGA內(nèi)部用狀態(tài)機(jī)可以完成多路選擇的控制，如圖3所示。