劉薇

摘要：給出了一種基于插值芯片GC-IP2000和FPGA的光柵式傳感器的細分方法，設計了其硬件電路，編寫了相應的細分軟件。結果表明：該方法細分倍數(shù)可達8192且可調(diào)，可方便地對各種光柵或編碼器輸出的模擬信號進行高倍率細分。

關鍵詞：光柵；細分；GC-IP2000；FPGA

中圖分類號： TG82 文獻標識碼： A 文章編號：1009-3044（2015）24-0156-02

Study on Interpolation Technology of the Raster

LIU Wei

（Jiangxi Vocational College of Finance and Econamics， Jiujiang 332000，China）

Abstract： Proposed a interpolation method of raster based on the GC-IP2000 and FPGA，designed its circuit and software. Results shows that the max interpolation can reach 8192 and adjustable and can widely used to interpolate the analog signal of raster or encoder.

Key words：raster； interpolation； GC-IP2000；FPGA

光柵作為精密測量的一種超精密工具，已在大型機床加工設備、中小型測量設備、各類便攜式精密測量儀器、超精加工等方面得到了廣泛的應用。隨著數(shù)控技術和信息技術的發(fā)展，要求光柵傳感器也向高精度、高速度、智能和集成化發(fā)展，這就要求光柵傳感器提高其分辨率，主要有兩種方法：提高光柵的刻線密度和提高莫爾條紋的細分倍數(shù)。若想進一步提高光柵的線密度，不僅在工藝上難以實現(xiàn)，成本也很高，同時柵距越小，對光學系統(tǒng)和機械機構的要求也就越嚴格，光柵的極限運動速度也會隨之降低[1]。因此各廠家和用戶都在尋求通過對提高光柵莫爾條紋的細分倍數(shù)來提高光柵的精度和降低成本。

目前，大部分光柵制造廠家均會配置相應的光柵細分盒，細分倍數(shù)可達數(shù)百或數(shù)千，這種細分盒使用方便，但價格昂貴，而且用戶使用靈活性低。因而很多用戶都是獨立研發(fā)光柵的細分裝置，其細分方法主要有電阻鏈細分，利用傳統(tǒng)低倍細分芯片進行細分等，但這些方法細分倍數(shù)均較低，最高只能達到數(shù)百，很難滿足現(xiàn)在日益精密的測量及制造要求。而本文給出的光柵細分方法其細分倍數(shù)最高可達8192且其細分倍數(shù)可方便進行調(diào)整，成本低，可方便地對光柵或編碼器輸出的正弦模擬信號進行高倍率細分。

1 概念和特征

光柵式傳感器（optical grating transducer）指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。光柵式傳感器特點有：①精度高。光柵式傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?。在圓分度和角位移連續(xù)測量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的；②大量程測量兼有高分辨力。感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點，但分辨力和精度都不如光柵式傳感器；③可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化；④具有較強的抗干擾能力，對環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃栏?，但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強，油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環(huán)境較好的車間使用。這種傳感器的最大優(yōu)點是量程大和精度高。光柵式傳感器應用在程控、數(shù)控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。

2 總體方案

本文所述的光柵細分技術主要包括細分主電路，F(xiàn)PGA四倍細分電路及其細分軟件和配置軟件。

細分主電路包括細分主芯片GC-IP2000[2]、單片機、配置芯片EEPROM等，從光柵讀數(shù)頭輸出的Sin+，Sin-，Cos+，Cos-，Ref+，Ref-六路模擬信號輸入給細分主芯片GC-IP2000進行細分，細分的相關配置信息可以從配置芯片EEPROM中獲取，也可以通過GC-IP2000自身的管腳進行配置，單片機主要完成對EEPROM的配置。六路模擬信號經(jīng)過細分主芯片GC-IP2000的細分后輸出A，B，Z三路方波信號，其中A和B正交高頻信號，Z為零位信號。FPGA四倍細分電路主要完成對細分主芯片細分后的信號進一步進行四倍細分，由于細分主芯片GC-IP2000的細分倍數(shù)最高可達2048，因而整個系統(tǒng)的細分倍數(shù)可達8192。若細分主芯片和FPGA距離較遠或其間存在信號干擾因素，則可利用差分信號轉(zhuǎn)換芯片MC3487把單端的A，B，Z信號轉(zhuǎn)換為A+，A-，B+，B-，Z+，Z- 差分信號，在信號輸入FPGA前再利用差分信號轉(zhuǎn)換芯片AM26LS32把差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，在經(jīng)過FPGA四倍頻處理后可輸出經(jīng)過高倍細分后的光柵脈沖計數(shù)值。

3 細分主電路設計

細分主電路的核心是細分芯片GC-IP2000，GC-IP2000是德國GEMAC公司的一款插值芯片，可對光柵或編碼器輸出的始端模擬正、余弦信號進行插值細分，最高細分倍數(shù)可達2048，并且通過管腳或軟件細分倍數(shù)還可配置成100，200，400，500，800，1000，1600，2000，128，256，512，1024，最后可輸出細分后的A，B，Z方波信號，其中A，B正交。

細分局部電路中，六路模擬信號分別經(jīng)過0歐姆后電阻后輸入細分主芯片D6 （GC-IP2000），最終由52，53，54管腳經(jīng)0歐姆后輸出細分后的A，B，Z信號，增加0歐姆電阻是為了提高輸入輸出信號的質(zhì)量。D5是配置芯片EEPROM，GC-IP2000的相關配置信息可由單片機寫入到EEPROM，GC-IP2000每次啟動時可從EEPROM中讀取配置信息，如細分倍數(shù)、極限速度、脈沖上升和下降時間等，這些配置值需經(jīng)過多次實驗合理搭配選擇，才能實現(xiàn)可靠的細分而不出現(xiàn)丟碼現(xiàn)象。GC-IP2000也可通過自身管腳進行配置，如IR0，IR1，IR2組合可配置不同的細分倍數(shù)，但管腳配置信息沒有軟件配置全面，所以大部分情況下需進行軟件配置，在一些簡單應用場合可選擇管腳配置。另外，由于GC-IP2000是一款模數(shù)混合芯片，因而在設計電路時需重點考慮模擬和數(shù)字信號的隔離，模擬電源和數(shù)字電源的隔離以及模擬地和數(shù)字地的隔離。

4 FPGA四倍細分電路設計

每個脈沖代表光柵或編碼器轉(zhuǎn)過了特定的角度，AB之間的相位關系反映了光柵的旋轉(zhuǎn)方向，若A相超前B相90°，代表光柵正轉(zhuǎn)，若B相超前A相90°，代表光柵反轉(zhuǎn)[3]。若把A相和B相的周期T均分四等份并分別用0和1代表A相和B相的低高電平狀態(tài)，在光柵正轉(zhuǎn)時，AB相狀態(tài)在一個周期T內(nèi)變化依次為：10，11，01，00 ；在光柵反轉(zhuǎn)時，AB相狀態(tài)在一個周期T內(nèi)變化依次為：11，10，00，01 。這樣在一個周期T內(nèi)，AB相的組合狀態(tài)共發(fā)生了四次變化，因而可實現(xiàn)FPGA的四倍頻細分。

FPGA細分電路可用硬件描述語言編寫完成，本文采用Verilog語言編寫了FPGA的四倍頻電路，其倍頻模塊描述如下：

5 實驗

利用本文所述光柵細分電路對MICROE M3000系列圓光柵進行實驗。

MICROE M3000為美國MICROE公司微小圓光柵產(chǎn)品，該公司是全球著名的微小光柵生產(chǎn)制造廠家，MICROE M3000柵尺刻線數(shù)8192，實驗中我們同時購買了該公司相配備的1024倍細分盒。

實驗中，把圓光柵初始輸出的六路模擬信號輸入給本文所述的細分系統(tǒng)進行細分（細分倍數(shù)分別配置成256和1024），F(xiàn)PGA細分部分固定為四倍細分，這樣實驗中總系統(tǒng)細分倍數(shù)有1024和4096兩種情況。MICROE 標準細分盒細分倍數(shù)固定為1024倍。另外我們同時把光柵初始輸出的六路模擬信號輸入給MICROE 標準細分盒進行細分，最后把兩路細分下的光柵計數(shù)值送上位機顯示，實驗結果如表1和表2所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，本文所述的光柵細分系統(tǒng)與MICROE標準細分盒細分后的光柵計數(shù)值最大相差1個脈沖；由表2數(shù)據(jù)可知，本文所述的光柵細分系統(tǒng)與MICROE標準細分盒細分后的光柵計數(shù)值在最后一欄中相差8個脈沖（折合成1024倍細分），其他數(shù)據(jù)正好是MICROE標準細分后的四倍關系。作者經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生丟碼現(xiàn)象的原因是因為光柵轉(zhuǎn)動速度過快，超過了細分主芯片對輸入信號260K Hz 最高頻率的限制，作者把光柵轉(zhuǎn)動速度稍變小，丟碼現(xiàn)象消失，因而本文所述光柵細分系統(tǒng)可普遍應用于中低速的光柵或編碼器的細分場合。

6 結束語

由以上分析及實驗結果可知，本文給出的光柵或編碼器信號細分系統(tǒng)可方便地對各種中低速光柵或編碼器輸出的模擬信號進行高倍率細分，最高細分倍數(shù)可達4096且細分倍數(shù)可調(diào)，成本低，這對我國的光柵或編碼器的細分技術及其生產(chǎn)制造均有一定的促進作用。

參考文獻：

[1] 梁海鋒，嚴一心.基于光柵傳感器位移測量的軟、硬件設計[J].現(xiàn)代電子技術，2003 （23）.

[2] GC-IP2000[Z].GEMAC，Inc.， 2010.

[3] 陸原，王娜，李新玲.一種基于VHDL的細分與辨向電路的設計[J].河北大學學報，2009（1）.