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1、 编号 南京航空航天大学毕业论文题 目光栅尺信号处理电路的设计与仿真学生姓名王玉峰学 号050410132学 院机电学院专 业机械工程及自动化班 级0504101指导教师王宏涛 副教授二八年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：光栅尺信号处理电路的设计与仿真）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）：光栅尺信号处理电路的设计与仿真摘 要300字左右关键词： The of A
2、bstractKey Words： 目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 引言1.2 光栅尺测量原理1.3 现场可编程门阵列FPGA简介1.4 本文的主要工作第二章 光栅尺信号处理系统硬件设计2.1 系统硬件总体设计2.2 系统核心芯片选用及相关介绍 2.2.1 FPGA芯片EP1C3T144C8 2.2.2 STC89LE52RC型单片机2.3 系统配置电路介绍第三章 光栅尺信号处理系统软件设计 3.1 光栅尺信号处理逻辑电路 3.1.1 逻辑电路实现方案介绍及原理分析 3.1.2 逻辑电路仿真结果 3.2 通讯程序设计第四章 总结与展望参考文献致谢第一章 绪 论1.1 引言在今
3、天，信息产业包括了对信息的采集、传输和处理三部分，对应的技术有传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。根据测量内容的不同，传感器有不同的形式。传感器输出信号也有不同的形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，传感器是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且已取得较大的突破。位移是和物体的位置在运动过程中的
4、移动有关的量，其测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器正逐步向智能化方向转化。1.2 光栅传感器测量原理光栅是在基体（玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。计量光栅分为透射式及反射式两种。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，
5、后者反射光线并使之产生明暗条纹。测量直线位移的光栅为直光栅（长光栅），测量角位移的光栅为圆光栅，它们的工作原理相似，实际中直光栅应用较多，下面将着重对其工作原理进行说明。在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则wa+b称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常ab，或a：b1.1：0.9。将光源、两块直光栅、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。两块直光栅中的一块作测量基准用，叫做标尺光栅或称主光栅，另一块直光栅称为指示光栅。在计量仪器中，指示光栅一般固定不动，标尺光栅随测量工作台或主轴一起移动或转动。指示光栅和标尺光栅的栅距W相同,标尺光栅的有效长度即为测量范围,必要时,标尺
6、光栅还可接长，光栅刻线的密度决定了测量精度（10、25、50、100、125线/mm）。当两块光栅以微小倾角重叠时(两者之间有微小的空隙d,取/，为有效光波长)，由于挡光效应（当线纹密度50条/mm时）或光的衍射作用（当线纹密度100条/mm）时，在与光栅线纹大致垂直的方向上（两线纹夹角的等分线上）产生出亮、暗相间的条纹“莫尔条纹”。两条亮纹（或两条暗纹）间的距离就称为莫尔条纹宽度B，或称莫尔条纹间距。图1.1 光栅的结构与莫尔条纹的形成莫尔条纹的重要特征有:（1）莫尔条纹的间距B随光栅刻线夹角变化,具有位移放大作用光栅栅距W,倾角,莫尔条纹间距B三者满足关系:B=wK,K=1/,这样,利用光
7、的干涉现象，通过调整倾角,将可以使莫尔条纹具有任意的宽度，起到让光栅栅距移动放大的作用；（2）实现平均误差作用莫尔条纹由大量的刻线共同作用产生，这对光栅刻线的误差起到了平均作用。从而可以得到比光栅刻线精度更高的测量精度；（3）莫尔条纹的移动与光栅的移动对应成比例当两块光栅相对移动一个栅距w时，莫尔条纹也将同步移动一个间距B；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。这样，检测光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹移动的变化来代替；（4）莫尔条纹移动方向具有规律若标尺光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着指示光栅的栅线向上移动;反之，当标尺光栅向左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的
8、栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对标尺光栅的运动进行辨向。因此，当使指示光栅固定，当标尺光栅沿着垂直于刻线的方向移动时，莫尔条纹将跟随其移动，且光强度近似呈正（余）弦曲线变化，若在两光栅的背面设置一光闸，并用光电元件接收透过两光栅的光能量，这时光电元件的输出信号将随着两光栅处于不同相对位置而有强弱变化，而且，光电元件输出信号的周期数必将与两光栅相对移动的栅距数同步。即两块光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹移动一个间距，光电元件输出一个信号周期。所以，可以通过测量莫尔条纹的运动，即对莫尔条纹计数来测量光栅的位移量。目前使用的光栅尺的输出信号主要有2类：一类是相位角相差90的2路方波信号，
9、另一类是相位依次相差90的4路正弦信号。同其他测量工具相比，光栅传感器具有如下一些优点:（1）测量精度高。在较大长度或直线位移的测量方面仅次于激光干涉传感器。在圆分度和角位移测量方面，光栅传感器精度最高；（2）可实现大量程，高分辨率的测量；（3）可用于动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；（4）具有较强的抗干扰能力，可靠性高。特别适合在实验室和环境较好的车间使用。当光栅尺工作时，如果光栅反向移动，莫尔条纹移动的方向也将随之反向，但固定点同样发生光强度的变化，因此无法判定移动的方向。判定方向，必须依靠辨向电路来实现。同时，由于莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，因此，要提高其测量分辨率
10、，对光栅输出信号进行细分处理是必要环节在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精度四倍频电路与辨向电路设计为一个整体，称为四倍频及辨向电路。光栅位移传感器鉴向、倍频等处理电路可以采用通用数字集成电路来完成，但这种设计方法所用芯片多，结构复杂。当然也可以通过单片机以及一些外围芯片来完成，只是这种方法通用性差，编程复杂，而且增大了单片机的负担，使单片机响应其它事件的实时性变差。如果借助于FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）芯片，则能够较好地完成对光栅尺电路接口模块的设计。下一节将对它作相关的介绍。1.3 现场可编程门阵列FPGA简介随着大规模可
11、编程逻辑器件的飞速发展，电路设计方法已大为改观。许多传统的逻辑电路完全可以用可编程逻辑器件来代替，并且可提高系统的可靠性，减小PCB的面积，使产品小型化，还有利于保护知识产权。利用EDA（电子设计自动化）技术设计可编程逻辑器件已成为现代电子设计的一种必然趋势。FPGA是当今应用最广泛的可编程专用集成电路之一，它既继承了ASIC（专用集成电路）的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。它的集成度较高，用户可对其内部的逻辑模块和I/O模块重新配置以实现各种逻辑。特别适合于产品的样品开发与小批量生产，从而大大缩
12、短了产品上市时间，降低了开发成本。此外，FPGA还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。当代FPGA具有以下特点:（1）规模越来越大。随着VLSI （Very Large Scale IC超大规模集成电路）工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA芯片的规模也越来越大。单片逻辑门数已愈百万。芯片的规模越大所能实现的功能就越强，同时也更适于实现片上系统；（2）开发过程投资小。FPGA芯片在出厂之前都做过测试，而且设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费
13、；（3）FPGA一般可以反复地编程、擦除。在不改变外围电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能，故FPGA非常适合用于完成系统的研制与开发；（4） FPGA开发工具智能化，功能强大。现在，FPGA开发工具种类繁多、智能化程度高、功能强大，应用这些工具可以完成以输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、在线调试等功能，这些工具易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场；（5）新型FPGA内嵌CPU或DSP内核，支持软硬件协同设计，可以作为片上可编程系统SOPC的硬件平台。一般来说，完整的FPGA设计流程包括电路设计
14、与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证和下板调试等主要步骤。随着FPGA容量、功能以及可靠性的提高，其在现代数字通信系统中的应用日渐广泛，采用FPGA设计数字电路已经成为数字电路系统领域的主要设计方式之一。在信号的处理和整个系统的控制中，FPGA不但能大大缩减电路的体积，提高电路的稳定性，而且其先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。QuartusII是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。所提供的完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，是单芯片可编程系统（SOP
15、C）设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具。Quartus II设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器，可以利用第三方的综合工具，具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具。Quartus II自动设计的主要处理环节和设计流程，包括了设计输入编辑、设计分析与综合、适配、编程文件汇编（装配）、时序参数提取以及编程下载几个步骤。如下图所示,在光栅尺信号处理过程中，可以将其3个部分的模拟逻辑电路全部集成在一片FPGA芯片中，实现高集成化。由于工作现场的干扰信号将使得光栅尺输出波形失真，所以需要将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波
16、整形，得到输出信号后再送入FPGA，由FPGA对脉冲信号细分判向和计数。图1.2 基于FPGA的光栅尺信号处理过程1.4 本文的主要工作现代精密仪器和精密加工设备的主要标志是高精度，高速度，高稳定性，以及较好的系统移植能力。相应地，需要光栅测量系统具备良好的稳定性和升级能力，对普遍应用的光栅技术提出了快速高精度数据采集的要求。因而，将现代数字系统的一些设计方法及可定制微控制器引用到光栅测量领域，无疑是最终实现这一目标的一条技术途径。本文主要研究了基于FPGA的光栅尺信号处理电路的设计与仿真，主要内容有:（1）对基于FPGA的光栅尺信号处理系统总体方案进行设计，整个系统的模块化处理；（2）以Qu
17、artus II作为平台，利用原理图法对光栅测量系统的细分辨向，可逆计数，与单片机的连接等功能模块进行设计，完善，并最终对设计结果进行仿真分析处理；（3）利用Protel 99 SE平台，设计硬件电路，实现片上系统I/O口的编辑和各个模块的连接，完成对系统原理图的绘制；（4）借助于Keilc软件，完成FPGA和单片机之间通讯程序的设计与调试。通过本文的工作，希望有助于将现代数字系统设计方法及高速可编程逻辑器件融入到传统的光栅技术中，为最终实现高精高速高稳定性的光栅检测系统作一些有价值的探索。第二章 光栅尺信号处理系统硬件设计2.1 系统硬件整体设计在课题的实际研究阶段，我们采用输出5V方波信号
18、的光栅尺提供待处理的传感器信号，以FPGA芯片作为系统的核心芯片，遵循硬件设计软件化的思想，采用至上而下的开发方法，这种开发方式可以大大地缩短设计的可发周期。系统的硬件设计主要包括两部分工作:系统芯片的设计和处理电路的设计。在光栅尺信号处理系统中，通过一块FPGA芯片，可以对光栅尺输出信号进行四细分，辨向和计数操作，实现高集成化。由于工作现场的干扰信号将使得光栅尺输出波形失真，所以需要让所输出的脉冲信号先通过40106施密特触发器及RC滤波整形，再送入FPGA芯片进行处理。为了便于控制数据的返回。需要将FPGA芯片与单片机相连。单片机将按照上位PC机输入的程序，向FPGA芯片发送指令，接收所传
19、送回的数据，并能够在需要的时候将该数据返回给上位PC机，从而完成使用光栅尺测量位移的整个工作过程。图2.1 光栅尺信号处理系统各部分关系上图表示了光栅尺信号处理系统中各部分之间的关系：PC机一方面将逻辑配置代码烧录到FPGA芯片中，另一方面将相应的控制指令编写为程序后写入单片机，通过单片机向FPGA芯片发送要求读数的指令； 光栅尺输出的信号被送入FPGA芯片后，首先将进入细分模块，对信号进行细分辨向处理，之后将信号作为脉冲送入可逆计数器中，得到光栅尺运行的单位个数以及光栅尺运动的方向，然后再向单片机输出相应的计数数据结果。 以Protel 99 SE作为平台，对硬件电路进行设计，实现片上系统I
20、/O口的编辑和各个模块的连接，绘制完成系统原理图如下所示：图2.2 光栅尺信号处理系统原理图2.2 系统核心芯片选用及相关介绍上节已经描述了系统中各个部分之间的关系，在具体的工作过程中，单片机和FPGA芯片作为系统的控制核心和信号处理核心部分，发挥着各自不可替代的作用。综合考虑各方面的要求，权衡利弊，选择满足功能需要且性价比合适的芯片，充分发挥单片机的灵活性和FPGA的高速性，将直接决定整个工作过程的顺利进行。下面将对本次设计中所最终确定使用的两种芯片分别进行介绍。2.2.1 FPGA芯片EP1C3T144C8作为整个系统的信号处理核心，FPGA芯片的重要性不言而喻。从性价比和将来功能扩展方面
21、考虑，本系统设计选用了Altera公司Cyclone系列的FPGA芯片EPIC3T144C8（如下图所示）。图2.3 FPGA芯片EPIC3T144C8ALTERA Cyclone系列的FPGA器件采用了成本优化的全铜、1.5V, SRAM工艺，具有高效的结构和优异的性能，且价格较便宜，已经成为ASIC最灵活和最划算的替代方案。该系列产品中的EPIC3T144C8拥有144个管脚，104个有效I/O口（约8万逻辑门），2910个逻辑单元(LE)，13块M4KRAM(4Kbits+奇偶校验)、总共59904比特RAM，采用40MHz频率的有源晶振作为FPGA的全局时钟，内部可例化一个PLL模块，
22、支持最高端口速率640Mb/s(使用LVDS信号接口)，可扩展其他外部接口，例如LVDS信号接口和I2C总线通信接口。另外，选用ALTERA公司配套的AS模式的配置存储器EPCS1，成本比较低，并且很容易配置，综合起来考虑是比较合适的一款芯片。2.2.2 STC89LE52RC型单片机对单片机进行选择时，需要考虑系统对速度和精度的具体要求情况，以及要求实现的功能和工作环境等因素。本次毕业设计，我所选择的是宏晶科技STC系列的89LE52RC型单片机（如下图所示），它与8051单片机相兼容，同时又有许多改进之处，是一款增强型51单片机。图2.4 STC89LE52RC型单片机与原51单片机相比，
23、这款单片机具有以下优点：1、单片机写入程序无法读出，产品的保密性好；2、宽电压，不怕电源抖动,稳定性好；3、工作温度范围宽，在40C到85C之间；4、I/O口经过特殊处理，抗干扰能力强；5、单片机内部的电源供电系统和复位电路经过特殊处理，不需要外部复拉电路；6、单片机内部采用了经过特殊处理的“看门狗”电路，不怕程序乱飞；7、可选6时钟/机器周期工作模式，提高工作速度；8、可降低振荡增益至原1/2；9、在系统运行时编程，不再需要昂贵的仿真器和编程器；10、具有P4口，增加了IO的数量，安排了实时时钟和红外接收接口；11、速度快，晶振频率可以达到80M，如果再使用6倍速，频率相当于普通8051的1
24、60M，使用起来将更加方便；12、价格便宜，功耗低，抗静电性能好，可远程升级。2.3 系统配置电路介绍 （1）电源转换电路电路板由外部提供5V电源，使用圆头插座封装，可以直接利用5V的电源适配器，不需要直流稳压电源。FPGA芯片IO口的工作电压是3.3V，内核的工作电压为1.5V，所以需要使用两个由低压差线性稳压器（LDO）组成的电路，如下图所示，一个将5V的原电源电压转化为3.3V，另一个将3.3V转化为1.5V。在电路中设有起滤波作用的电容，此外有3.3V的电源指示灯，以表示电源是否正常。由于电路板上的其他外设的电源均是3.3V，故在原理图中直接使用VCC表示。在电源转换电路中，所选用的L
25、DO芯片型号为AMS1117， 具有电流限制和热保护功能，品质较好，两电路中的芯片输出电压大小分别为3.3V和1.5V。图2.5 电源转换电路（2）下载配置电路配置，又称加载或下载，是用既定的时序将规定格式的数据流写入目标芯片，从而改造芯片内部的可编程资源的逻辑状态及其互连关系，目的是让设计最终在目标芯片上实现。每次上电后需要进行配置是基于SRAM工艺的FPGA芯片的一个特点，也可以说是一个缺点。FPGA芯片可以通过JTAG接口将代码直接下载到芯片里面运行，但这些代码是存放在RAM里的，所以一旦断电，代码将马上消失。因此，FPGA芯片需要使用非易失性存储器来存放代码，每次上电后，先从配置芯片中
26、读入代码后再运行。ALTERA公司配套的AS模式的配置存储器EPCS1，成本比较低，并且很容易配置，是不错的选择。FPGA的开发流程为：编写代码，对设计进行修改，分配引脚，编译，然后通过JTAG接口将代码下载到FPGA芯片中进行调试，发现错误则重新修改代码，编译直到设置成功，最后才把代码固化到配置存储器中。因此需要分别通过JTAG和EPCS1下载。图2.6 下载配置电路在本次设计中，设置了两部分配置电路，如上图所示，其中单一的JTAG接口电路可以用来调试FPGA，下载速度比较快，而且支持SignalTAP，电缆可以采用ByteBlaster（MV）也可以用ByteBlaster II；而由JT
27、AG接口和EPCS1芯片共同组成的配置电路将把已经调试好的代码固化在EPCS1中，以通过EPCS1配置FPGA，运行程序，注意其在工作中必须采用ByteBlasterII电缆。（3）按键复位电路图2.7 按键复位电路在电路板上设计有两个复位按键，一个叫做硬件复位，该键与FPGA的nCONFIG引脚相接，当此引脚为低电平时器件复位，当发生由低到高的电位跳变时会启动配置。按下此键时，FPGA芯片将从EPCS1中读入代码，程序将重新开始运行，另一个复位按键叫做软件复位，连接到FPGA芯片的一个全局时钟引脚CLK3上，用来表示在设计过程中的复位引脚，只按照代码进行复位处理。（4）外部时钟电路在电路板上
28、设计有一个外部晶振电路，如图2.8所示，电路中所使用的晶振的频率大小为20MHZ，用来作为全局时钟。FPGA芯片的93号引脚CLK2与其输出端相连，由外部晶振提供时钟信号。在电路中一共有4个全局时钟信号，分别是FPGA芯片的16、17、92、93引脚，其中除了93号引脚外，16号引脚CLK0和单片机晶振输入端X2相连，让单片机的振荡时钟作为FPGA的一个全局时钟；17号引脚CLK1和单片机的ALE信号输入端相连，可以用来执行锁存地址等一些操作；92号引脚CLK3用来做软件复位，即在编写代码的过程中的复位引脚。图2.8 外部时钟电路（5）单片机外部晶振电路对单片机，有内部和外部两种时钟电路设计方
29、式。在单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端为单片机芯片引脚X1，输出端为X2，在内部时钟方式下，这两个引脚跨接晶振和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHZ到12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就越高，对印刷电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减
30、少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度性能好的电容。图2.9 单片机外部晶振电路如上图所示，在这次设计中，最终确定使用频率为11.0592MHZ（在串口通信中易设置波特率）的晶振和大小为30PF的外接电容。（6）FPGA主要配置引脚处理FPGA配置方式主要分为两大类：主动配置和被动配置。主动配置方式由PLD器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程；而被动配置方式则由外部计算机或控制器控制配置过程。根据数据线的多少又可以将PLD器件配置方式分为并行配置和串行配置两大类。在本次设计中，由于对FPGA采用了被动串行配置方式，需要对一些主要的相关引脚进
31、行相应的配置，因而FPGA的MSEL0、MSEL1、TCK、nCE引脚均需通过下拉电阻接地；同时nSTATUS、CONF、nCONFIG、TMS、TDI引脚均需通过上拉电阻接电源。图2.10 FPGA主要配置引脚处理 （7）MAX232通讯电路在系统工作过程中，为了实现PC机对单片机的控制，以及将单片机的数据传输给PC机，需要建立单片机与PC机之间的上位通讯。由于PC机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路。MAX232芯片是美信公司专门为PC机RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电，内部结构基本可分为提供给RS-232串口电平
32、需要的电荷泵电路、数据转换通道和供电这三个部分。由其为基础所构成的通讯电路如下图所示：图2.11 MAX232通讯电路（8）单片机复位电路对于单片机，只需给其复位引脚RESET加上大于两个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平即可使其复位。复位时，单片机的PC初始化为0000H，将从0000H单元开始执行程序，此外，一些寄存器也将受到影响。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本次设计采用上电自动复位，它是通过外部复位电路的电容充电来实现的。如下图所示，当电源接通时只要VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。图2.12 单片机复
33、位电路（9）电源滤波电容电路在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的滤波电容（超过1uF的电容大多为电解电容），滤除交流成分，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。滤波电容的工作原理是利用其两端的电压不会突变的充放电特性，把电压的变动转化为电流的变化，缓冲了电压。可以说，滤波就是充电，放电的过程。电容器的容抗Xc=1/2fc，理论上（即假设电容为纯电容），对同一个电容器，信号频率越高，容抗越小，越容易通过。但实际上大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大（也叫等效串联电感，英文简称E
34、SL），而电感对高频信号的阻抗是很大的，再加上其他一些特性，导致了在高频情况下，电容容量急剧降低、电容损耗急剧增大等不利情况的出现，使得较高频率及脉冲干扰的信号不能有效地被滤除。所以，大电容的高频性能并不好。而一些小容量电容则恰恰相反，由于容量小，因此体积可以做得很小（缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可以看成是一个电感），而且常使用平板电容的结构，这使得小容量电容的ESL较小，从而具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，小容量电容对低频信号的阻抗较大。因此在滤波电路中，可以给电容量较大的电解电容并联一个小电容，让大电容滤除低频信号，小电容滤除高频信号及脉冲干扰。注意电解电容的极性一
35、定要接正确，电解电容的正极接电源输出端，负极接地，输出负电压时则负极接输出端，正极接地，否则将使电容因过热而炸裂损坏。图2.13 电源滤波电容电路（10）施密特整形与RC滤波电路在光栅尺信号处理过程中，由于工作现场的干扰信号将使得光栅尺输出波形失真，所以需要将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波整形后再送入FPGA。光栅尺在三个坐标轴X,Y,Z上各自输出一组信号，包括了A相、B相和RI三个电信号。其中，A相信号为主信号，B相为副信号，两信号周期相同，相位相差90；RI可作为消除累积误差的校准信号。分别将这三路信号输入施密特整形与RC滤波电路，如下图所示，将向FPGA芯片输出两路方波信号
36、，便于下一步信号处理的进行。图2.14 施密特整形与RC滤波电路施密特触发器是一种特殊的门电路，其电压传输特性是一条具有滞回特性的曲线，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中，使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，同理，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中，使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压的大小是不相同的，它们之间的差值称为回差电压。施密特触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲信号，除此之外，还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力
37、，并能够有效消除叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声。第三章 光栅尺信号处理系统软件设计3.1 光栅尺信号处理逻辑电路 光栅尺输出两路相位相差为90的方波信号A和B，两信号周期相同，均为T。如图3.1所示，用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，可以指示光栅的正向移动与反向移动。图3.1中前半部分为正向运动，A信号的上升沿及下降沿均比B信号超前14T，在A信号下降沿采集到的B信号为“1”；后半部分为反向运动，A信号的上升沿及下降沿均比B信号滞后14T，在A信号下降沿采集到的B信号为“0”。图3.1 光栅尺的输出信号光栅尺测量系统的分辨率取决于光栅栅距W和鉴向倍频的倍数n，即分辨率=W/n。若
38、直接对光栅信号进行计数，其分辨率就等于一个信号周期所对应的位移量,即一个光栅栅距。为了提高测量系统的分辨率，需要对光栅信号进行细分。对方波信号，常采用四倍频处理以提高分辨精度。此外，当光栅尺工作时，如果光栅反向移动，莫尔条纹移动的方向也将随之反向，但固定点同样发生光强度的变化，因此无法判定移动的方向。判定方向，必须依靠辨向电路来实现。通常将四倍频电路与辨向电路设计为一个整体，称为四倍频及辨向电路。3.2.1 逻辑电路实现方案介绍及原理分析在如何实现计数脉冲信号的四细分这一问题上，存在着几种不同的思路，主要有机械的、光学的和电子学的三大类。电子学细分具有读数迅速、易于实现自动化、可进行动态测量等
39、优点，因此它是应用最广的一种倍频方法。由于细分是在信号的一个周期内插入许多个计数脉冲，所以也把细分（倍频）叫做内插或插补，把完成细分的电路装置叫做插补器。从现有的电子技术来看，电子学细分法已广泛地应用于各类计量产品中，采用电子学细分法，不但可以达到较高的细分数，而且容易实现测量数据处理的自动化、智能化，也能用于完成动态测量和数字化处理。电子学细分法包括了分立件组成的电路、专用集成电路与处理器组成的电路、基于可定制微控制器的集成化设计三种方案。由分立器件组成的处理电路，一般来讲主要分成两大部分：以细分电路为主体的前处理电路和微处理器控制的后端功能电路；由专用集成电路与处理器组成的电路，是采用专用
40、的细分电路与处理器组成的，处理器多采用单片机，而细分电路则由专用的集成电路来构建。采用这两种设计方案，则电路元器件众多、成本较高、结构复杂、功耗增加、稳定性较差，且不利于系统的功能扩展。.基于可定制微控制器的集成化设计，是指通过自上而下的开发方法及硬件设计软件化的先进的设计方式，借助于一定的软件平台，将设计好的具有四细分辨向及高速计数功能的逻辑电路编译为代码，写入可编程逻辑器件中，在一片可定制微控制器中实现光栅信号处理系统的全部功能。由于在该方案中集成了处理器，这样仅仅是在一个坐标方向上就节省了至少四片IC。对于三坐标系统，这种方法的优点更加明显，它将三个坐标轴的四细分部分、辨向部分、正反向计
41、数部分及电路控制、通讯等功能电路集成实现在一片可定制微控制器中，不但减少了连线数，大大降低了印制版制作的复杂度，使系统的稳定性大大提高，而且大量减少了所用元器件，降低了成本。加之实现了硬件设计软件化，因而易于功能扩展及增强系统的可移植能力，提高了系统的升级能力和可移植性。所以基于可定制微控制器的设计为最佳的设计方案，本次设计所采用的就是这种方式。下面将对逻辑电路的设计过程作详细说明。对于光栅尺输出信号A ,B，存在着以下关系：（1）当光栅尺正向移动时，输出的A相信号的相位超前B相信号90，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：0010110100。这样，如果每发生一次变化，可逆计数器实现一
42、次加计数，则一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正向的四倍频计数。.（2）当光栅尺反向移动时,输出的A相信号的相位滞后于B相信号90，则在一个周期内两相信号也有4次相对变化：0001111000。同理，如果每发生一次变化，可逆计数器实现一次减计数，则在一个周期内共可实现4次减计数，就实现了反向的四倍频计数。（3）当线路受到干扰或出现故障时，可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作。综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图（见图3.2），其中“ + ”、“ - ”分别表示计数器加/减1，“0”表示计数器不动作。 图3.2 信号处理状态转换图考虑到光栅尺输出信号的这些特性，选择采用如下
43、图所示的四细分与辨向逻辑电路。图3.3 四细分与辨向电路使光栅尺输出信号A、B先后通过两级D触发器，可以对其进行整形，从而消除信号中尖脉冲带来的影响。原信号经第一级D触发器后变为、信号，再经过第二级D触发器变为、信号。这样在后续倍频电路中可以不再使用原始信号A、B，进而提高系统的抗干扰性能。两级D触发器之间锁存的信号，相差一个时钟周期，当前后两个周期的状态不发生变化时，（）和（）的逻辑状态相同。对于D触发器，每当其时钟控制信号上升沿到来时，输出端Q从输入端D读入逻辑信号，并保持到下一个时钟上升沿到来。由于D触发器的时钟控制信号是由外部有源晶振提供的，所以当其频率远高于A、B波形变化的频率时，可
44、以认为，D触发器的输出端能够跟踪输入端的变化。如图3.3所示，对、信号取反处理后得到四路信号，与取反前的四路信号共同组成八路信号。选取这八路信号中的三路进行逻辑与处理，分别进行八次，得到新的八路信号。如果用S1、S2、S3、S8来表示图中自上而下的这八路信号，则它们与原来的八路信号之间的对应关系为： S1=，S2=，S3=，S4=，S5=，S6=， S7=，S8=。 将S1、S2、S3、S4信号输入或非门得到信号ADD，将S5、S6、S7、S8信号输入或非门得到信号SUBB。或非门的特点是只有当输入信号逻辑全为0时才会输出1。从信号S1到S8的表达式可以看出，当前后两个时钟周期的信号状态不发生
45、变化时，由于（）和（）的逻辑状态相同，所以这8路信号的输出全为0，即信号ADD,SUBB将保持输出1。当光栅尺正向运动时，在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：0010110100。每次相对变化发生时，由于两级D触发器之间锁存的信号，相差一个时钟周期，即当（）变化时，（）还未来得及作出相应的变化，需要经过一个时钟周期后，才能和（）保持一致。这将导致ADD,SUBB信号输出的变化，解析如下：（1）0010=1，=0，=0则八路信号除了S1=1外均为0，故ADD输出0，SUBB输出1；（2）1011=1，=1，=0则八路信号除了S2=1外均为0，故ADD输出0，SUBB输出1；（3）1101=0
46、，=1，=1则八路信号除了S3=1外均为0，故ADD输出0，SUBB输出1；（4）0100=0，=0，=1则八路信号除了S4=1外均为0，故ADD输出0，SUBB输出由上可见，在光栅尺正向运动的一个周期内，从ADD信号端输出四次计数脉冲，而SUBB端无信号输出。同理，当光栅尺反向运动时，将从SUBB信号端输出四次计数脉冲，而ADD端无信号输出，从而实现对光栅信号的四细分。由ADD和SUBB信号组成的基本RS触发器电路可产生信号DIRA，DIRB，用来指示光栅尺移动的方向。因为对于下图所示的基本RS触发器，具有这样的性质，DIRA与DIRB输出相位相反，当ADD信号为1，SUBB信号为0时，DI
47、RA输出为0，DIRB输出为1，此时对应于光栅尺在正向移动时计数脉冲到来的情况；当ADD信号为0，SUBB信号为1时，DIRA输出为1，DIRB输出为0，此时对应于光栅尺在反向移动时计数脉冲到来的情况；当ADD、SUBB信号均为1时，DIRA输出将保持原有状态不变，此时对应于光栅尺在做任意方向的移动时没有计数脉冲到来的情况；当ADD、SUBB信号均为0时，输出不稳定，这种情况不允许出现，而光栅尺在实际工作中是不会发生这种情况的。从上述内容可以看出，基本RS触发器电路的作用是当光栅尺计数脉冲到来的时候，对其移动方向进行判定后输出，并将输出值一直保持到下一次计数脉冲到来的时刻，如果移动方向不发生变化，则输出值也将一直保持下去。图3.4 RS触发器电路四细分后的信号，经计数器计数后转化为相对位移量。计数过程一般有两种实现方法：一种是由微处理器内部定时计数器实现计数，另一种是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。本次设计选择第二种方式。将ADD和SUBB信号相与后作为可逆计数器
