基于FPGA和CH375接口的光栅传感器数据采集系统的设计【精品毕业论文】 .pdf

第2 8 卷第4 期增刊 2 0 0 7 年4 月 仪器仪表学报 c h i n e s ej o u 删lo fs c i e n t i f i ci n s t n 曲t v o i 2 8 4 a p l2 0 0 7 基于f p g a 和c h 3 7 5 接口的光栅传感器数据采集 系统的设计 李英志，赵建，阚卓娜 ( 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长光数显公司长春1 3 0 0 3 3 ) 摘要：针对通用光栅传感器数据果集系统存在的问题，介绍了一种新型的基于u s b 接口的光栅传感器数据采集系统的设 计方法。该系统采用现场可编程1 阵列f p g a 作为主控制器，通过基于c h 3 7 5 的u s b 接口实现数据传辅。给出了整个系统 的硬件电路设计，包括光栅传感器信号的f p g a 处理、u s b 接口电路设计，并详细介绍了实现u s b 数据传输的上、下位机的 程序设计。该系统已经成功应用于某型号的光栅传感器位移测量系统中。 美键词：摩尔光栅；f p g a f 信号处理；u s b 接口 d e s i g no fg r a t i n gs 蚰s o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t 哪b a s e d 蚰f p g aa n d c h 3 7 5u s bi n t e r f a c e l iy i n g z h i ，z h a oj i a n ，k a nz h u o m ( 增血“n j h m z “e 0 ，唧，f i “ f 慨c 删暗d 蒯m 埘f s ，吼l 糨p a d 踟yo ，s c i 洲e i ，( n g g 嘲n gd f g i 衄z 肼s 声a 了n 曲加f o g ，岛，l 旺c 鲫g c m n1 3 0 0 3 3 ，c h i 船) a b s t 憎c t ：t os o l v et h ep r o b l e mo ft h eg e n e r a lg r a t i n gs e n s o rd a t aa c q u l s j t i o ns y s t e m ，an e ws c h e m et od e 一 8 i g n 诗i eg r a t i n gs e n s o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s bi n t e r f a c e 诰i n t m d u c e d 。t h es y s t e ma d o p t e d f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a ya sh o s tc o n t r o l l e r ，a n dt r a n s l a t e dd a t at h r o u g hu s bi n t e r f a c eb a s e do n c h 3 7 5 t h ed e s i g no ft h ew h 0 1 eh a r d w a r ec i r c u i ti sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ef p g ap r o c e s s i n go ft h es e n s o rs i g n a l ，t h eu s bi n t e r f a c ec i r c u i ti si n t r o d u c e d ，d e s i g no ft h eh o s ta n ds l a v ec o m p u t e rp r o c e d u r ew h i c h c a r r yo u tu s bd a t at m n s m i s s o ni sa l s op r e s e n t e di nd e t a i l _t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o s o m et y p eo fg r a t i n gs e n s o rd i s p l a c e n 把mm e a s u r 锄e n ts y s t 舢 k 吖w o r d s ：g r a t i n gs e n s o r ；f p g a s i g n a lp r o c e s s i n g u s bi n t e r f a c e 1 引言 在现代测控技术领域中，光栅传感器在线位移、角 位移测量中得到了广泛应用。目前通朋的光栅位移检 测系统，一般是采用单片机以及一些定时计数器件作 为信号处理主件，系统集成度低，易受到外界干扰，采 用h a ( 现场可编程门阵列) 代替标准的i c ( 集成电 路) 器件，来设计光栅位移检测系统，大大提高了系统 的可靠性，节约了设计成本。 u s b 接口以其双向、同步、廉价、高传输速率、稳 定可靠的传输性能，并支持热捕拔功能、节省系统资源 等优点在相关领域已得到了广泛的应用。本设计采用 u s b 接口作为采集系统与计算机的接口。采用专用 接口芯片( 如南京沁恒的c h 3 7 5 ) 来设计接口电路，可 以大大减少设计者的工作量，缩短设计周期，并能提供 给设计者良好的接口。 2 系统设计方案 图1 是光栅传感器数据采集系统原理框图。该测 量系统主要由四部分组成。其基本工作原理是光栅传 感器将位移信息转换为电信号，再由信号处理电路处 理，最后以计算机为终端设备来完成测量任务。 第d 期增刊李奠志：慕于f p g a 和( ：h 3 7 5 接口的光栅传感器数据j 乏集系统的设计 2 1 5 计数信号 零位标志 控制信号 图1 光栅传感器数据采集处理器原理框图 3 光栅位移传感器测量原理 计量光栅位置测量系统是基于对两块光栅叠合时 形成的奠尔条纹进行计数来工作的，所以奠尔条纹是 一切计量光栅位置检测系统的基础。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。在光栅移动中可以将两光栅条纹的明暗变化成两 路相位差9 0 。的方波信号输出，通过记录此两路方渡信 号的上下沿的个数来测量实际的位移变化，并由此两 路信号的瞬时相位变化测出位移的方向。图2 是光栅 传感器的输出信号示意图。系统只要检测出图中所示 的4 个状态的变化，可实现间接的对莫尔条纹进行计 数，即可确定其位置变化。 。l _ i 广 厂 厂 。叫呻厂 厂 厂 。 iii ：几 r j 二l 3 i j l - - - - 一 f a l ( a ) 指示光栅正向运动 ：辑爵宅总 。ii ! ! 几 r - - - - - - _ 一l 。- 一 ( a ) 指示光栅反向运动 基于麟器件，利用硬件描述语言v e r i l o g h d l 设计光栅传感器信号处理电路以及f p g a 通过 u s b 接口芯片c h 3 7 5 与计算机的通讯电路 如图4 ) 。 其中光栅传感器信号处理电路分为阿个部分，其一是 对相位差为9 0 。的两路方波信号的处理，主要是实现对 其进行数字滤波、细分与辨向、可逆计数处理，其原理 框图如图3 所示： 倌 一信 图3 光栅传感器信号a 、b 处理电路框图 计算机 本地端 一c s 、a o 、r d 、w r 叫 卜_ n 一 控制器 图4h ，g a 通过c h 3 7 5 控制u s b 设备的原理 4 1 数字滤波器 为了消除噪声信号，在f p g a 器件内音i ；设计了数 字滤波器，其基本工作原理是将输入的方波信号通过 时钟周期的延迟来克服毛刺和噪声信号，延迟的时钟 周期数取决于毛刺和噪声信号的脉宽。图5 是数字滤 波器的仿真波形图。 图5 数字滤波器仿真波形图 4 2 细分辨向与可逆计数电路 为了提高测量系统的分辨力，需要对光栅信号进 行细分。同时，需对信号进行辨向处理。利用硬件描 述语言v e r i l o gh d l 来描述该电路的功能。图6 是该 电路的仿真波形图。 j f ( u p ) b e g i n i f ( ! n a g - u p ) b e g i n t i l l p ；衄p + 1 f b l ； n a g - u p 一l e n d 2 1 6 仪器仪表学报第2 8 卷 e n d e l s e f l a g - u p 一0 ； i f ( d n ) b e g i n i f ( ! n a g - d n ) b e g i n m l p = t m p 一1 b 1 ； f l a 数d 1 1 一1 ； e r l d e n d e l s e n a g _ d n 一o ； ( a ) 指示光栅正向运动时仿真波形图 ( b ) 指示光栅反向运动时仿真波形图 图6 仿真渡形图 4 3u s b 总线接口电路 利用南京沁恒公一j 的u s b 总线接门芯片c h 3 7 5 来实现u s b 接口设计。图7 是接口电路的设计原 理图。 团7u s b 接口电路原理圉 接口电路的基本功能是完成读写操作。并口信号 线包括8 位双向数据线d 7 一d 0 、读选通输入r d 、写选 通输入w r 、片选输入c s ，中断输出i n t 及地址输入 线a o 。本设计中c h 3 7 5 的工作方式采用从机方式， 即将它作为从机挂接到f p g a 的数据总线上与上位机 进行通信。当系统上电并初始化完毕之后，若h ) g a 接到上位机请求上传数据的命令，立即将采集到的数 据通过u s b 接口电路传输给上位机；f p g a 接到上位 机端发送数据的命令，立即分析中断状态并进行相应 处理。下面是该程序的一部分： 第4 期增刊李英忐：基于f p g a 和c h 3 7 5 接口的光栅传感器数据采集系统的设计 2 1 7 上位机接i 恢数据： c a s e ( d a t a u p c o u n t ) 2 ： b e g i l l c s = 0 ； o u t d a t a 一8 h z b ： e n d 5 b e g i “ c s = o ； o u t d a t a = 8 ，h 0 a e n d 8 ： b e g i n c s 一0 ； o u t d a t a = w r i t e d a t a ) 【o e i l d 3 8 ： b 略i n c s 一0 ； 0 u t d a t a = 料1 2 3 ： e n d 5 0 ；结束操作 b e g i n c s ；1 l c h 3 7 5 s t a t e 一0 ： e n d e r l d c a s e 上位机发送数据： c a s e ( i n t c o u n t ) 2 ： b e g i n o u t d a t a = 8 1 _ 1 2 z “ 5 4 ： b e g i n i n t s t a t e = = i n d a t a ； r e a 曲珥f l a g 一1 ； e r l d 6 0 ：结束操作 b e 画n 璐一1 ： c h 3 7 5 s t a t e = o ； 髓d 皿d c a s e 5 u 蛐接口软件设计 在本地端，采用从机方式的c h 3 7 5 在系统中采用 内置固件模式。端点o 作为默认端口，c h 3 7 5 自动处 理默认端口o 的所有事件，端点2 的上传端点作为批 量数据发送端点，端点2 的下传端点作为批量数据接 收端点。f p g a 对c h 3 7 5 的操作是采用命令加数据 的i o 操作方式，任何操作都是先发命令给c h 3 7 5 ， 然后执行数据输入输出。 在计算机端，利用c h 3 7 5 动态链接库d l l 提供 的a p i 函数对其进行操作。该动态链接库提供的可供 利用的a p i 包括：设备管理a p i 、数据传输a p i 、中断 处理a p i 。 c h 3 7 5 在计算机应用层与本地端h ) g a 之间提 供了端对端的连接，该系统采用数据加应答方式进行 通讯，该方式具有数据自动同步、程序设计简易、可控 性等优点。请求加应答方式使用一个下传的主动请求 和一个上传的被动应答进行交互式的双向数据通汛， 下传与上传一一对应，相互关联。主动请求是指由计 算机应用层下传给h ) g a 的数据请求，被动应答是指 在h ) g a 收到数据请求后，上传给计算机应用层的应 答数据。所有的通讯都由计算机应用层发起，然后以 接收到n 】g a 的应答结束，完整的过程包括： ( 1 ) 计算机应用层按事先约定的格式将数据请求 发送给c h 3 7 s ； ( 2 ) c h 3 7 5 以中断方式通知丌】g a ，n b a 进人中 断服务程序，获取c h 3 7 5 的中断状态并分析l ( 3 ) 如果是上传，则释放当前u s b 缓冲区，h b a 将应答数据写入批量端点的上传缓冲区中，然后退出 中断程序l ( 4 ) 如果是下传，则从数据下传缓冲区中读取数据 2 1 8 仪器仪表学报第2 8 卷 块，分析接收到的数据块，将应答数据返回给计算机， 然后退出中断程序； ( 5 ) 计算机应用层接收到应答数据。 以下是计算机端采用此传输方式实现u s b 数据 传输所编写程序的一部分： # i n c l u d e“c h 3 7 5 d l lh ” h a n d l eh d e “c e d i v a l i dh a n d l ev a l u e ： 打开u s b 设备 1 d e v i c e c h 3 7 5 0 p e i l d e v i c e ( i i r l d e ) ； r e t u m ( 1 1 d e v i c e ! = i n v a l i d l h a n d u l _ v a i ，u e ) ， u c h a r m b u f m c h 3 7 5 一p a c k f r - l e n ( 汀h * 8 ； c h a rb u f f e r r m c h 3 7 5p a c k e tl e n g t h * 8 * 2 + 1 l u l o n gd l e n d a t a l 叽： i 数据上傣 d a t a l e n = s i z e o f ( m b u f ) ； d l e n = d a t a l e n ： c h 3 7 5 r e a d d a t a ( ( u i d n g ) i i n d e x ，m b u f o ， & d l e n ) ： r n e m c p y ( b u f f e r ，m b u f ，d l e n ) 数据下传 d a t a l e n s t r l e n ( d o v h 血t a ) m 肿c p y ( m b u f ，d o w n d a t a ，d a t a l e n ) ； i n s t r t o v a l ( m b u f o ，d a t a l e n ) d l e n d a t a l e n 2 ； c h 3 7 5 w r i t e d a t a ( ( u l o n g )