孫振寧，馬樹元

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

大行程納米定位平臺的位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

孫振寧，馬樹元

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

針對磁懸浮結(jié)構(gòu)的大行程納米定位平臺的位移數(shù)據(jù)采集問題進行了研究。高精度的位置傳感器對實現(xiàn)反饋控制起著決定性的作用，能否實現(xiàn)精確的位置數(shù)據(jù)傳輸，決定了是否能夠準確地控制納米磁懸浮平臺。為了實現(xiàn)磁懸浮平臺準確的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了基于USB傳輸芯片以及FPGA的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。采用QEP計數(shù)方法，實現(xiàn)了對正交差分信號上升沿的計數(shù)工作，通過試驗及仿真，驗證了電路各模塊之間的可行性及有效性，實現(xiàn)了納米定位平臺位移的精確獲取。

激光干涉儀；QEP計數(shù)；FT245RL；FPGA

磁懸浮結(jié)構(gòu)的運動平臺不存在機械摩擦，適用于高速和精密的機械運動機構(gòu)。磁懸浮系統(tǒng)非接觸的特點，決定了其在精密定位和運動中具有獨特的優(yōu)勢[1]。近年來， 基于磁懸浮技術(shù)的納米定位平臺成為了研究的熱點，更高精度和更大行程成為了納米定位平臺的主要研究方向[2-3]。精密定位平臺的控制需要高精度的反饋傳感信息，能否實現(xiàn)高精度的平臺位移信息反饋，是實現(xiàn)位移平臺精確控制的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的精密位移測量元件[4](如光柵尺和電容測微器等)都無法同時滿足本精密定位平臺非接觸、大行程以及二維測量的精密位移檢測要求。

為滿足新型平臺位移測量要求，采用雙軸激光干涉儀作為位移測量元件，并基于數(shù)字化控制原理，選用I/O口豐富的FPGA構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用QEP編碼盤原理，高速處理激光干涉儀輸出精密位移測量信號。應(yīng)用USB傳輸芯片，使系統(tǒng)通過USB接口完成與PC機的實時通信，大大提高了系統(tǒng)的通用性[5-6]，滿足了新型大行程納米定位平臺對于精密位移測量的要求。

1 納米定位平臺及位移測量系統(tǒng)

本文所研究的大行程磁懸浮式納米二維定位平臺(見圖1)，是由Halbach 永磁陣列以及定子線圈組成的4個直線電動機[7]同時提供豎直的懸浮力和水平驅(qū)動力。由于永磁陣列磁場的非線性，磁懸浮平臺中的電磁力是一種典型的非線性力，而且在豎直方向與水平方向上的電磁力互相耦合，因此精確位移測量信號在控制策略中起著非常重要的作用。

圖1 納米定位平臺結(jié)構(gòu)示意圖

光柵測量雖然可以實現(xiàn)納米級精度，但普通光柵尺無法實現(xiàn)二維測量，現(xiàn)有的二維測量光柵尺也無法滿足高精度測量的要求，此外，電容傳感器也只能在微米級量程范圍內(nèi)保證納米級精度，無法滿足大行程運動平臺的要求；因此，為了實現(xiàn)非接觸式的大行程納米級精度的位移測量及快速的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)采用納米級精度的激光干涉儀作為平臺位移的測量元件。

2 定位平臺位移數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)

精確位移測量信號在控制策略中起著決定性的作用，能否完成位移測量信號的傳輸，是定位平臺能否進行精確控制和監(jiān)視的決定性因素。實時、精確地采集和處理激光干涉儀的數(shù)據(jù)是實現(xiàn)平臺二維納米運動精度的重要前提。激光干涉儀的分辨率為10 nm，即每經(jīng)歷10 nm的位移，輸出1個差分信號脈沖。采用QEP計數(shù)方式對脈沖進行計數(shù)，為滿足平臺50 mm的位移需求，計數(shù)脈沖的最大值為50 mm/10 nm，約為222，因此脈沖計數(shù)寄存器至少為22位，為滿足大行程測量要求，配置了24位寄存器。FPGA可以通過編程語言的開發(fā)配置為用戶所需要的多種功能，為滿足本系統(tǒng)中大行程位移傳輸系統(tǒng)的QEP計數(shù)位數(shù)要求，選擇了I/O口豐富的CycloneⅣ EPC4CE15 FPGA芯片，其最大I/O口為343，主頻300 MHz，可以滿足位移數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的QEP計數(shù)位數(shù)以及實時傳輸?shù)囊?。FPGA模塊通過QEP計數(shù)方法實現(xiàn)對激光干涉儀正交差分信號的處理，并通過FIFO轉(zhuǎn)USB通信芯片通過USB接口實時上傳數(shù)據(jù)至上位機中，進行數(shù)據(jù)的處理和觀察。系統(tǒng)框圖如圖2虛線框中所示。

圖2 系統(tǒng)整體方案框圖

3 基于FPGA的激光干涉儀數(shù)據(jù)采集原理

激光干涉儀是精確的位移傳感器，用來檢測磁懸浮平臺的XY方向位移。當磁懸浮平臺發(fā)生位移時，激光干涉儀將輸出A、B兩相正交差分信號，即位移發(fā)生時，2個信號在相位上相差90°，通過這種有相位差信號的個數(shù)來記錄被測量對象的位移。差分信號如圖3所示。

圖3 激光干涉儀輸出信號示意圖

差分信號經(jīng)過MAX3096ESE芯片轉(zhuǎn)換成TTL邏輯電平，輸入到FPGA模塊中進行處理。FPGA采用編碼盤(QEP)方式進行計數(shù)[8]。計數(shù)值和激光干涉儀分辨率的乘積即為位移。A、B 兩相信號的超前(滯后)關(guān)系決定了計數(shù)的增減，同時也確定了位移的方向。當正向移動時，A、B兩相信號電平變化順序為00、10、11、01、00循環(huán)；當反向移動時，電平變化順序為00、01、11、10、00，通過檢測差分信號的電平變化實現(xiàn)計數(shù)工作。QEP計數(shù)示意圖如圖4所示。

圖4 QEP計數(shù)示意圖

FPGA內(nèi)部QEP計數(shù)模塊的仿真結(jié)果如圖5所示，其中A、B為模擬的激光干涉儀輸入到FPGA中的差分信號，QEP_OUT為輸出計數(shù)結(jié)果。本文規(guī)定，A相差分信號領(lǐng)先90°時計數(shù)值增加，B相信號領(lǐng)先90°時計數(shù)值減小。仿真結(jié)果中數(shù)字按照A、B差分信號的相位先后的增減變化，驗證了FPGA中的QEP計數(shù)模塊的正確性。

4 USB傳輸電路設(shè)計

如前所述，激光干涉儀所測得的位移信號經(jīng)由正交差分信號輸出，F(xiàn)PGA接收后經(jīng)QEP模塊計數(shù)，而為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的進一步處理，計數(shù)值還需上傳至上位機(PC機)，以便于觀察平臺的位移變化。PC機的USB接口傳輸目前應(yīng)用非常廣泛，因此FPGA輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)USB串行數(shù)據(jù)傳輸芯片是該模塊的核心[9]。選用FTDI公司生產(chǎn)的FT245RL USB通信芯片，它無需編寫片內(nèi)固件程序，PC機端可使用其驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可達1 MB/s。該芯片可以實現(xiàn)USB串行數(shù)據(jù)格式與并行數(shù)據(jù)格式雙向數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PGA可以通過并行方式與其進行通信，同時PC機可直接通過USB接口與FT245RL進行通訊，采用USB總線供電的方式，即可實現(xiàn)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信；同時因為使用USB接口直接進行數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了系統(tǒng)的適用性[10]。其讀寫模塊原理如圖6所示。

圖5 FPGA中QEP模塊計數(shù)Moeldsim仿真結(jié)果

圖6 FPGA與FT245RL讀寫模塊原理示意圖

FT245RL通過8位并行數(shù)據(jù)口和4個讀寫狀態(tài)控制RXF#，RXF#為FT245RL內(nèi)部FIFO的滿、空標志信號線，RD#和WR分別為FT245RL的讀和寫標志信號線[11]。為避免在傳輸過程中可能產(chǎn)生的電流沖擊導(dǎo)致FT245RL復(fù)位，系統(tǒng)使用了USB6B1芯片作為上位機USB接口與FT245RL芯片之間的數(shù)據(jù)保護芯片。PC機軟件端的結(jié)構(gòu)圖和流程圖如圖7所示。FPGA向FT245RL芯片傳輸數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果如圖9所示，可以看到測試數(shù)據(jù)TX_data_to_usb被準確傳輸至USB_DATA的數(shù)據(jù)總線中，驗證了FPGA與FT245RL芯片通信的正確性。

圖7 上位機軟件的結(jié)構(gòu)圖和流程圖

圖8 USB讀寫模塊Modelsim仿真結(jié)果

5 激光干涉儀差分信號采集試驗驗證

激光干涉儀輸出的位移信號經(jīng)過MAX3096ESE電平轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換為TTL電平信號后由FPGA進行采集。由于激光傳感器精度極高，微小位移變化即可得到輸出的差分信號。通過給予反射鏡微小位移變化，得到轉(zhuǎn)換的A、B相差分信號在示波器上的波形圖如圖9所示，可以看到在發(fā)生微小移動時激光干涉儀輸出的差分信號。

圖9 激光干涉儀輸出的A、B正交差分信號

通過調(diào)用FT245RL驅(qū)動程序內(nèi)的動態(tài)鏈接庫，編寫USB傳輸芯片PC端接收程序，得到在給予反射鏡微小位移時PC端接收軟件顯示為一個不斷變化的數(shù)字(QEP計數(shù)值)，試驗驗證了本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的正確性。

6 結(jié)語

針對高精度大行程磁懸浮納米二維定位平臺精確位移反饋的問題，選擇滿足平臺非接觸大量程二維測量的雙路激光干涉儀作為位移檢測元件，進行了相關(guān)QEP計數(shù)值及其通過USB進行傳輸?shù)难芯?，?gòu)建了基于USB傳輸芯片以及FPGA的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)通過QEP編碼盤原理對激光干涉儀輸出的位移差分方波進行快速準確的計數(shù)，并選用FIFO轉(zhuǎn)USB的FT245RL通信芯片將系統(tǒng)檢測結(jié)果傳至上位機中，大大提高了本系統(tǒng)的通用性，滿足了激光干涉儀的正交差分信號處理和傳輸功能，實現(xiàn)了大行程納米定位平臺位移信號的精確測量及傳輸。

[1] Kim W J, Maheshwari H. High-precision control of a maglev linear actuator with nanopositioning capability[C]. Alaska : Proc. of 2002 American Control Conference, 2002.

[2] 王偉明.磁懸浮式二維納米定位平臺控制系統(tǒng)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2011.

[3] Kim W J, Trumper D L, Lang J H. Modeling and vector control of planar magnetic levitator[J]. IEEE Trans. On Industry Applications, 1998, 34(6): 1254-1262.

[4] 孫麟治，李鳴鳴，程維明.精密定位技術(shù)研究[J].光學(xué)精密工程，2005,11(13)：69-75.

[5] Jiang H, Zhou G, Huang X L, et al. Field-oriented vector control and simulation of linear motors with halbach permanent magnets[C]. Wuhan: Power Electronics and Motion Control Conference, 2009.

[6] 黨浩淮，趙冬娥.基于FT245RL和FPGA的USB接口設(shè)計[J].山西電子技術(shù)，2013(4)：34-36.

[7] 仉毅，馬樹元，張磊. 納米精密磁懸浮二維定位平臺的研究[J].微計算機信息，2010(1):1-3.

[8] 歐陽航空，陸林海，侯彥麗.基于DSP的光柵莫爾條紋信號辨向與細分電路研究[J].制造業(yè)自動化，2005(5)：5-7.

[9] 張嵩，王劍.簡易的USB接口開發(fā).[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006,21(3)：222-224.

[10] 王留全，焦海戀，安都勛.基于FT245RL的USB接口設(shè)計[J].國外電子器件，2008,10(1)：10-11.

[11] 蔡江洪，史小軍，朱為，等.利用FT245BM實現(xiàn)FPGA與PC機的USB通訊[J].電子器件，2005,28(1)：132-134,137.*國家自然科學(xué)基金資助項目(60674052)

責(zé)任編輯馬彤

DesignofDisplacementAquisitionSystemforLongStrokeNano-positioningStage

SUN Zhenning，MA Shuyuan

(School of Machinery and Vehicles, Beijing Institute of Technology, Beijing100081, China)

The key point for a long stroke nano-positioning stage is the accurate positioning, and an accurate displacement aquisition system is very important for feedback control of the long stroke nano-positioning stage. For achieving a high precision data transmission, this paper design a displacement aquisition system based on FPGA and USB transfer chip. By using the theory of QEP counter, the counting of the quadrature signal is done, and by experiment we confirm that this system is viable and valid, so we realize the goal of the achievement of the accurate displacement of long stroke nano-positioning stage.

laser interferometer，QEP，F(xiàn)T245RL，F(xiàn)PGA

TM 935.1

：A

孫振寧(1989-)，男，碩士研究生，主要從事大行程精密定位及控制等方面的研究。

2014-10-21