1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動化測試與控制系 2．哈爾濱師范大學(xué)物理系 [摘 要]：介紹了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的多路光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括其功能、原理、軟件編程和硬件實現(xiàn)電路。描述了該電路的4個主要功能：四倍頻細(xì)分、辨向、計數(shù)及串行通訊。根據(jù)波形的跳沿實現(xiàn)四倍頻細(xì)分；通過對波形相位的分析，采用基于相位變化的設(shè)計原理實現(xiàn)辨向。整個系統(tǒng)在QuartusⅡ軟件環(huán)境下實現(xiàn)編程，應(yīng)用Altera公司的EPFl0K20TCl44-3型芯片作為硬件載體，角度分辨力可達廣1。最后，給出了詳細(xì)的編程和仿真波形。 0 引 言 現(xiàn)今，光電編碼器被越來越多地用于角度的測量，由于它在測量角度方面的優(yōu)越性，已成為一種重要的角度傳感器，本設(shè)計中的角度傳感器是采用光電編碼器來實現(xiàn)的。以往對單路角度傳感器(光電編碼器)數(shù)據(jù)信號進行四倍頻以及辨向處理時，多采用門級電路搭建的電路板，單片機和FPGA編程來實現(xiàn)。其中，使用電路板或單片機的方法通用性差、編譯復(fù)雜、電路板龐大、而且，響應(yīng)其他事件的實時性變差，不適合用于運算速度快，且多路輸入的數(shù)據(jù)采集計算任務(wù)。隨著電子設(shè)計技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的復(fù)雜程度越來越高，其所具備的功能也越來越多，芯片也向小型化發(fā)展，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計的理想首選。FPGA／CPLD既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點、又克服了普通ASIC設(shè)計周期長、投資大、靈活性差的缺點。FPGA的集成度很高，可完成極其復(fù)雜的時序和組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域。 1 方案設(shè)計 本系統(tǒng)是基于FPGA的數(shù)據(jù)采集電路，其多路輸入信號來自6個高精度角度傳感器——光電編碼器。每個角度傳感器均分別輸出兩路周期相同、相位差為90°的方波信號以及一個零位信號，設(shè)其中一個角度傳感器輸出的方波信號為A和B，零位信號為Z。當(dāng)需要對計數(shù)器進行正計數(shù)時，A信號的上升沿及下降沿均超前B信號1／4周期；反之，當(dāng)需要對計數(shù)器進行逆計數(shù)時，A信號的上升沿及下降沿均滯后B信號1／4周期。根據(jù)A信號相對于B信號的超前與滯后，計數(shù)器即可相應(yīng)地做出加計數(shù)或減計數(shù)的判斷。 圖1給出了角度傳感器有信號輸入時A，B信號的變化情況。圖中，前半部分為正計數(shù)，后半部分為反計數(shù)。根據(jù)接收到的輸入信號相位差和A，B信號變化的周期數(shù)來使用計數(shù)器進行計數(shù)，就可以測算出角度傳感器傳來的數(shù)據(jù)的具體信息。 本文中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)為：利用PP-GA芯片完成六路角度傳感器信號處理、四倍頻及判向功能，設(shè)計24位計數(shù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存、清零以及數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)功能框圖如圖2所示 圖2 系統(tǒng)功能框圖 圖中，A1～A6，Bl～B6為六路角度傳感器輸出的相位差為90°的方波信號、Z1～Z6為零位信號、數(shù)據(jù)為串行輸出、OE為使能信號，控制鎖存器存儲數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。 本設(shè)計中，角度傳感器提供輸入信號，其精度要求高，若對角度的測量要求分辯力到1″甚至0．1″，則信號頻率相對較高。根據(jù)設(shè)計要求，估算整個電路所需要的管腳和宏單元的個數(shù)，以及以后系統(tǒng)的可升級空間，本設(shè)計選用芯片EPFIOK20TCl44-3。它是Altera公司FLEX1OK系列產(chǎn)品之一，是一種嵌入式可編程邏輯器件，采用CMOSSRAM制造工藝，使用SRAM來存儲編程數(shù)據(jù)，具有在系統(tǒng)中可編程特性。EPFl0K20TCl44—3具有高密度、高速度、低功耗等特點。芯片內(nèi)含有專用進位鏈，級聯(lián)鏈以及快速通道，故其互連方式十分靈活。 2具體電路設(shè)計 本系統(tǒng)的主要功能通過Altera公司Quartus II軟件系統(tǒng)提供的集成化文本編輯程序?qū)崿F(xiàn)，即硬件描述語言輸入方式。該方式適合于輸入和編輯諸如VHDL，Verilog HDL，Altera公司的AHDL等硬件描述語言的設(shè)計輸入文件。硬件描述語言輸入方式的特點是效率較高、結(jié)果也較容易仿真、信號觀察也比較方便，而且，在不同的設(shè)計輸入庫之間轉(zhuǎn)換非常方便，下面介紹系統(tǒng)主要電路的設(shè)計。 2．1 實現(xiàn)四倍頻、辨向和計數(shù) 以一路角度傳感器所發(fā)出的方波信號為例，如圖1所示，通過對A和B信號的上升沿和下降沿進行計數(shù)實現(xiàn)四頻；并通過在每個跳變沿判斷A與B的電平高低來實現(xiàn)辨向，真值表如表1，表2所示。 表1 A信號跳變真值表 表2 B信號跳變真值表 由表1、表2可知，當(dāng)信號A和B發(fā)生跳變時，對A和B進行異或邏輯運算，即可判斷對計數(shù)器進行加操作還是減操作。流程圖如圖3所示。 圖3 辨向與計數(shù)流程圖 2．2 數(shù)據(jù)鎖存 方波信號經(jīng)過四倍頻并計數(shù)后所得到的6組數(shù)據(jù)，當(dāng)需要向上位機傳輸時，因為內(nèi)部各計數(shù)單元工作屬于動態(tài)過程，因此，在向外部傳輸數(shù)據(jù)時，需先將6組數(shù)據(jù)分別存人6個鎖存器中再讀取數(shù)據(jù)，以保證讀出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。在本設(shè)計中，鎖存器是由VHDL語言描述的同步鎖存器。所謂同步鎖存器指的是復(fù)位和加載功能全部與時鐘同步，復(fù)位端的優(yōu)先級較高。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計時，采用完全同步的鎖存器，可以避免時序錯誤。 2．3 數(shù)據(jù)傳輸 串行輸出口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS—232協(xié)議，6個鎖存器輸出的數(shù)據(jù)將先存人FIFO(先進先出寄存器)，然后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC。 數(shù)據(jù)串行輸出如圖4所示。 串行輸出的主要參數(shù)的選擇：波特率為9600bit／s，8位有效位、無奇偶校驗位、1位停止位。串行通信中，必須有時鐘脈沖信號對所傳送的數(shù)據(jù)進行定位和同步控制，設(shè)計中，采用的時鐘頻率時波特率的2倍(19200bit／s)。發(fā)送過程：串口模塊初始狀態(tài)是等待狀態(tài)，接收到觸發(fā)信號fifo－rd則進入發(fā)送過程，先發(fā)送起始位，再發(fā)送8位比特數(shù)，每位寬度為2個周期，當(dāng)一個字節(jié)發(fā)送完畢后，發(fā)送一個停止位，回到等待狀態(tài)。 3 調(diào)試與仿真 如圖5所示，countl～count6為六路角度傳感器輸入信號經(jīng)過四倍頻、辨向、計數(shù)后的仿真波形。Zl～Z6為角度傳感器輸入的零位信號，OE為輸出使能信號。其中，第二路仿真角度傳感器反向旋轉(zhuǎn)的過程，所以，A2信號滯后B2信號1／4周期，count2計數(shù)器為負(fù)值。本系統(tǒng)仿真中使用的方波頻率為19．1MHz，而所使用的角度傳感器每旋轉(zhuǎn)一周輸出的方波個數(shù)為1 296000個，按照每秒旋轉(zhuǎn)一周計算，方波信號頻率為1．2MHz，仿真信號足要求。 圖5 輸出仿真波形圖 4 結(jié) 論 本設(shè)計經(jīng)過仿真、編譯實現(xiàn)后，將代碼下載至EPC1441可編程配置芯片，屬于主動配置模式。在接口模塊上電后，EPC1441自動對EPFl0K20TCl44-3芯片進行配置。該芯片成功地完成了對六自由度坐標(biāo)測量系統(tǒng)輸出信號的處理，性能穩(wěn)定可靠。如果在此設(shè)計的基礎(chǔ)上載譯碼驅(qū)動等外圍電路，即可直接與PC機連接,或者加上顯示電路單獨使用。