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基于CPLD的光栅信号处理专用接口芯片设计

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仪器仪表用户
do:i 10 3969/ .j issn. 1671 1041. 2010. 02. 029 .

# 经验交流 #

基于 CPLD的光栅信号处理专用接口芯片设计
董丽梅, 陆
摘要: 针对光栅位移传感器输出 的莫尔条纹 信号, 采用 可编程 逻辑器 件 ( CPLD) EPM 7128 设计研制了由 4细分与辨向模块、 位可逆计数 24 模块以及总线接口模块构成的光栅信号处理专用接口芯片。简要介绍 了光栅位移传感器的工作原理, 详细介绍了细分与辩向、 计数和接口模 块的内部算法实现逻辑及编程方法。芯片的电路设计采用硬件描述语 言 VHDL, 开发环境应用 M AXPLU S 。 完成的光 栅位移传 感器信号 处理电路精度高、 测量 范围 大, 可实 现数 字量 输出, 方 便的 与计 算机 接口。 关键词: 光栅位移传感器; 信号处理; CPLD; EP 7128 M 中图分类号: TP212 12 . 文献标识码: B



(河北大学 电子信息工程学院, 河北保定 071002)

图 1 光栅常数 W、 夹角

与莫尔条纹宽度 B 的关系示意图

The design of interface chip for grating signal processing based on CPLD
DONG L i m e, LU Yun i
( Col leg e of E lectron ic and Inform ational Engineering , H ebei University B aoding 071002 China) , , Abstrac : In order to work w ith them oire fri ge signa,l the grat i g s ig t n n na l process ing circu it based on the techno l gy o f the comp l x pro o e grammable logic dev ice( CP LD). The chip i composed of subd ivi s s i n and d irec tion judgment modul , 24 bits reversible counter mod o e ule and bus interface module The pri ciple of gr ing disp l cement . n at a sensor i d i cussed bri fl , the rea lized l g ic and the pr amm i g s s e y o ogr n me thod o f the interna l algorithm are intrduced i detail in this paper n . The chip s c ircuit use V HDL language to pr ogram hardware the ex , ploitation condit i n i MAXP LUS . T he grat ing signal process ing c ir o s cuit have the features of high pr ision, great measur area, digital ec e quantity outpu.t The c ircuit can facilitate the computer interface con venient l . y K ey words grating d i placem ent : s CP LD; EPM7128 sensor ; s i nal pr g ocess i g n;

两块刻线相同的光 栅, 一 块长光 栅称为 标尺光 栅, 一 块短 光栅称为指示光栅。当两块光栅以微小角 度放置时, 将会产生 莫尔条纹。两块光栅作 相对位 移时, 莫尔条 * 续移动, 光 栅每移动一个栅距时, 莫尔条*贫桓雒靼抵芷凇5备谋 两块光栅放置的角度时, 莫尔条纹的明暗宽度将发生变化。莫 尔条纹的宽度 B与夹角 和栅距 W 之间的 关系如式 ( 1) 所示: W W ! ( 1) B = 2sin( /2) 如果用* 行光透射莫 尔条纹, 用光电 转换的方 法, 莫尔条 纹一个明暗周期的 透射 光照 在四 路 光电 池上, 则在 四路 光电 池上产生四路相差 /2的光电流。 用两路 电压比 较器, 将四 使 路 相差 /2的 低电压转换成两路相差 /2的 TTL 电*, 这就是 计量光栅的输出信号。 如果指 示光栅 左移, A 信号 超前 B 信号 /2; 如果指示光栅右移, 则 A 信号落后 B信号 /2。 检测时, 根 据 A 信号和 B 信号的相位关系判断机械位移的方向。 A 信号和 B信号与栅距的关系是: 实际直线位移一个栅距 时, 信号 A 和 B出现一个周期。 当光栅连续 运动时, 通过电路整 形处理, 这一正弦信号变成一 串连续 脉冲输出 。 脉冲数 和条纹 数与移过的光栅栅距是一一对应 的, 位移量如式 ( 2) 所示: d = NW ( 2) 式中, N 为移过的 莫 尔 条纹 的 数 量, 据 此 可以 知 道 机 械位 移 量 d。

0 引言
随着现代加 工和 计量 技术 的发 展, 对长 度和 位移 的 测量 不仅要求提高精 度, 而 且要 求能 迅速 而客 观地 将长 度和 位移 测量结果以数字 信号 形式 输 出, 以便 进行 数据 处理 和程 序控 制。光栅传感器信号处理电路 主要完成细分、 辨向、 计数、 接口 等功能。目前, 处 理光 栅传 感器 输出 信号 的硬 件电 路可 采用 专用集成电路, 也可以采用 可编程 逻辑器 件 ( CPLD ) 实现。目 前, 采用专用的电子细分、 辨向和 可逆计 数芯片 等分立 元件组 成的电路, 其扩展性 差, 稳定 性差。文 中介绍 的采 用 CPLD 器 件 EPM 7128设计研制的光栅 位移传 感器 信号 处理电 路, 提高 了系 统可 靠性, 压缩 了电 路结 构, 增 强了 编程 功能, 有利 于产 品的小型化。此外, 该电路具有测量数据精度高、 测量范围大、 数字 ( 脉冲 )量输出的优点, 可广泛用于 数控加工 设备、 光刻设 备以及其它需要对位 移做高精度检测的工业自动化控制场合。

2

光栅信号处理专用接口芯片的组成

图 2所示为光栅位移传感器信号处理电路原理框图。 电路 由细分模块、 计数模块和接口 模块组 成。 外部光 栅信号 首先通 过信号输入线 A、 输入 细分模 块, 信号 经细 分与辨 向后 输入 B 计数模块, 计 数模块完成 24位可 逆计数后 将光栅信号 对应的 二进制计数值通过 接口 模块 输出 。 总线 接口 的外 部信 号线 三 包括地址线译 码信号 A 0、 1, 读写控制 信号 R D 片 选信号 CS A , 以及数据线 D0 D 7 芯片内部信号线包括计数脉冲 P, 加减控制 。 信号 D 三态总线缓冲器的译码选通信号 G 1、 2、 3。 , G G

图 2

光栅信号处理专用接口芯片组成原理框图

1 光栅位移传感器的测量原理
光栅位移传 感器 也称 计量 光栅, 被 广泛 用于 直线 位 移检 测, 也可用于角 度位 移检 测。计 量光 栅位 置检 测系 统的 原理 是莫尔条纹效应, 如图 1 所示。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息

细分与辨向模块设计 对信号进行细分能在 不增加 光栅刻 线数的 情况下 提高光 栅的分辨力, 本设 计采用四 细分。 3所示 为指示光栅 移动时 图 A、 B信号的变化情况, 信号 A 和信号 B相位相差 90?, 在一个周 2. 1 E IC Vo.l 17 2010 No 2 . 55

# 经验交流 #
期内电*组 合状态有 4组。 正方向计数时 A 相超前 B相 90? 如 , 图 3a所示, A、 B两相信号的电*状态变化为 00 ? 10 ? 11 ? 01, 既 S1 ? S2 ? S3? S4, 此状态下方向控制信号 D 为 1; 反方 向计数时 A 相落后 B相 90? 如图 3b所示, 此状态下 方向控制 , 信号 D为 0。 B两电*的相对状态每发 生一次变化, 计数脉冲 A、 引脚 P 就有相应脉冲输出, 一个周期 内, 引脚 P输出 4个脉冲, 该脉冲输入计数模块 进行计数。

仪器仪表用户
缓冲器, 通过选通信号来依次传 输计数 值的高 位和低 位。 接口 模块包括地址译 码 电路 和三 个 8位 单向 总 线缓 冲器, 如 图 2 所示。 2. 4 主模块设计 应用 VHDL 语言的结构化设 计方式, 将细 分辨向 模块、 计 数模块和接口模块作为底层 设计模 块, 由主模 块调用。 模块 主 设计中应用 COM PON ENT语句调用底层模块, 应用 PORT M A P 语句映射底层模块的引脚, 按照图 2所示光栅位移传感器信号 处理电路的原理图进行连接, 即完成整个芯片的 VHD L语言设 计。 最后在 MA X PLU S 开发环境 下, 选择器件 EP 7128 84, M 进行引脚分配、 锁定、 下载。

( a) A 信号相位超前 B 信号 90?

( b) A 信号相位落后 B 信号 90

3

结论

图 3

信号相差不同时状态变化的顺序

细分 与辨向 模块在 M AXPLU S 下 的仿真 波形如图 4所 示。ab0、 ab1为两路光栅 原始信号输入, c lk为时钟信号 , p为细 分脉冲输出, d为方向输出。

研制的光 栅 信号 处 理芯 片 与 传统 设 计方 案 相 比结 构 简 单、 性能可靠、 精度高、 体积小、 程序易 修改, 在 一片 CPLD 芯片 上集成 了细分与辨 向、 数、 存和接口 功能。电路直 接输出 计 锁 数字量, 可方便的与计算机或 单片机 接口, 具备较 强的通 用性 和实用性。笔者开发的基 于计算 机并口 的光栅信 号采集 系统 采用了这种方式, 它 可以 将光 栅的 测量 数据 通过 并 口上 传到 PC 机进行显示和处理, 满足了 设计要求。 #
参考文献 [ 1 ] 侯伯 亨, 顾新. VHDL 硬 件 描述 语言 与 数字 逻 辑电 路 设计 [ M ]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1999 224 - 263 : . [ 2 ] 宋万杰, 罗丰, 等. CPLD 技术 及其应用 [ M ] . 西 安: 西安 电子 科技大学出版社, 2000: 123 150. [ 3 ] 王诚, 吴继华, 等. A ltera FPGA /CPLD 设计 ( 基础 篇 ) [ M ] . 北 京: 人民邮电出版社, 2005: 52 59. [ 4 ] 王祝炯. 基于 CPLD 芯片的数字 控制器实现 [ J] . 仪 器仪表用 户, 2007 14 ( 5) : 65 67 , . [ 5 ] 彭建亮, 朱凡. 基于单片机和 CPLD 的数字式移相信号发生器 的设计 [ J] . 仪器仪表用户, 2005 12 ( 3) : 19 21 , . [ 6 ] 但永*, 杨雷. 基于 FPGA 的光栅 尺信号 智能接 口模 块 [ J] . 国外电子元器件, 2004, 12 ( 1) : 4 6 . [ 7 ] 陈明霞, 郭岩. 基于 CPLD 的光栅 数据采 集卡的 设计 [ J] . 北 华航天工业学院学报, 2008, 38( 4) : 11 12 . 作者简介: 董丽梅 ( 1976 ), 女, 讲师, 工程 硕士在读, 主要研究 方向: 计 算机控制技术; 陆原 ( 1957 ), 男, 高级工程 师, 硕士, 主要研究 方向: 计 算机接口技术。 收稿日期: 2009 10 24

图 4

4细分与辨向模块在 MAXPLU S 下的仿真波形

可逆计数器模块设计 电路的 可逆计数模块为 24位, Q 0 Q23, 并行三字节三态输 出。 被选通字 节由三 态接 口模 块输出, 如图 2所示。 正向 计数 时, 计数脉冲引脚 P输出一个脉冲, 计数器执行一次计 数值加 1 操作, 一个周 期内 实现 四次加 计数; 反向计 数时, 一个周 期内 实现四次减计数。 当线路受到 干扰或 出现故 障时, 计数 器不进 行计数操作。 24位可逆计数器模块在 M AX PLU S 下的仿真波形如图 5 所示。p为计数脉冲, d为加减控制信 号, q为计 数器 24 位并行 输出。 2. 2

图 5

24位可逆计数器模块在 MAXPLU S 下的仿真波形

接口模块设计 要将 计数值 输出 给单片 机, 就 需要 考虑电 路与 单片 机的 接口问题。 单片机 P0口是 8位数据接口, 而计数值是 24位 , 因 此需要将计数值分 别进 行 传输, 这样 就设 计了 一个 单向 总线 2. 3 do:i 10 3969/ .j issn. 1671 1041. 2010. 02. 030 .

港服中心企业网规划与设计
黄 飞, 李春青
(天津工业大学 计算机科学与软件学院, 天津 300160)
摘要: 介绍了港服中心由于扩大规模, 将原有的企业网 进行改造升级, 以适应更高的网络需求。新网络规划核心采用模块化交换机和模块化 路由器, 他们拥有更多插槽, 可更多地扩 充新功能, 专门的软 硬件集成 防火墙解决方案, 支持各种加密算法, 为 VPN提供有效保护, 运用专业 的大型网管软件系统 C isco W orks 2000 提高的操作和维护的易用性、 , 稳定性、 安全性。 关键词: 企业网; 千兆以太网; VPN 中图分类号: TP393 1 . 文献标识码: B

planning and design
H UANG Fe,i L I Chun q in g
( T ianjin Po ly technic U nivers ity Co puter Science and , m So ftware Institution, T ianjin 300160 China) , Abstrac : Introduce about port serv ice center refor and update cur t m rent network for hi her requ irement because o f the expanding scal . g e The new network architec ture s core is m odular s itches and modu w a l r routers they have more s l ts can expand m ore new func ti nal , o , o ity Spec i l Integrated hardware and software firewall so l t i n sup ; a u o

Port service center en terprise network
56 EI C Vo.l 17 2010 No 2 .

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