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基于f p g a 的多路光栅数据采集系统 摘要 随着现代测控技术的发展，在精密测量领域，光栅传感器在位移和角度测 量中的使用越来越广泛。由于受到光栅刻线工艺的限制，为了提高光栅传感器 的测量精度，往往需要使用电子方法对光栅信号进行细分辨向和计数。 而在实际测量应用中，多光栅的应用场合也越来越多，对于系统的稳定性、 可靠性和小型化的要求也越来越高，所以把多路光栅信号的采集和传输集成在 一块可编程芯片上是当今技术发展的趋势。 本课题基于关节臂式坐标测量机的研制需要，研究了光栅传感器输出信号 的特点和f p g a 开发技术，以f p g a 为载体，设计了一个基于f p g a 的多路光栅 数据采集系统。 本文主要介绍了光栅传感器的原理和输出信号的特点，基于f p g a 设计了一 个光栅信号的整形、细分辨向和计数电路；设计了一个基于有限状态机的1 2 c 总线接口，用来实现系统与微控制器的数据通信；使用带有硬件1 2 c 接口的微控 制器s t m 3 2 f 1 0 3 v b 成功实现系统数据的传输。 本设计具有体积小、速度快、可修改的特点，已经通过光栅传感器的实验 验证，可以稳定、可靠地运行，完成光栅传感器数据的采集与传输任务。 关键词：光栅传感器 f p g a细分辨向有限状态机 1 2 c 接口 d a t ac o l l e c t i o ns y s t e mf o rm u l t i p l eg r a t i n g sb a s e do nf p g a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h e g r a t i n gs e n s o ri sw i d e l yu s e di nt h em e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n ta n da n g l ei n p r e c i s em e t e r a g ed o m a i n l i m i t e db yt h eg r a t i n gs c r a t c h i n gt e c h n o l o g y ，t h ew a y t o i m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fg r a t i n gs e n s o ri su s i n ge l e c t r o n i ct e c h n i q u e t os u b d i v i s i o nt h eg r a t i n gs i g n a l i ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n ，m u l t i p l eg r a t i n g sa r ew i d e l yu s e di nm a n yc a s e s ，a n d t h es y s t e mn e e d sm o r e s t a b i l i t y ，s o l i d i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o n ，s ot h et r e n d i n d e v e l o p m e n ti st oi n t e g r a t et h eg r a t i n gs i g n a la c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o no no n e p r o g r a m m a b l ec h i p w i t ht h en e e do fm a n u f a c t u r i n ga r mc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，t h et a s k s t u d i e dt h ep r i n c i p l eo fg r a t i n gs e n s o ra n dt h ef p g ad e s i g nt e c h n o l o g y ，d e s i g n e da m u l t i p l eg r a t i n g ss i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a 。 t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fg r a t i n ga n dt h ef a c t o ro fg r a t i n gs e n s o r s i g n a l ，d e s i g n e dar e s h a p i n g ，s u b d i v i s i o n ，d i f f e r e n t i a t i o n d i r e c t i o na n dc o u n t e r c i r c u i tf o rg r a t i n gs i g n a lb a s e do nf p g a ；d e s i g n e da1 2 ci n t e r f a c et oc o m m u n i c a t e s w i t hm c ub a s e do nf s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) ；u s i n gs t m 3 2 f10 3 v bm c uw i t h h a r d w a r e1 2 ci n t e r f a c ec o m m u n i c a t e sw i t ht h ef p g as y s t e m t h i sd e s i g nh a ss o m es t r o n g p o i n t ，s u c ha sm i n i a t u r i z a t i o n ，v e l o c i t y a n d p r o g r a m m a b l eo n l i n e t h i sd e s i g nh a dv a l i d a t e db yg r a t i n gs e n s o rd a t aa c q u i s i t i o n e x p e r i m e n t ，c a nw o r k e ds t a b i l i t ya n ds o l i d i t y k e y w o r d s ：g r a t i n gs e n s o r f p g as u b d i v i s i o nf s m 1 2 ci n t e r f ：a c e 插图清单 图1 1f a r o 公司的坐标测量臂1 图2 1 光栅示意图4 图2 2 莫尔条纹示意图4 图2 3 光栅位移与光强、输出电压的关系6 图2 4e p 2 c 2 0 结构图一9 图3 1 系统总体结构框图1 0 图3 2 细分辨向与计数、锁存模块结构1l 图3 - 3 接口模块结构l2 图4 - 1 整形电路部分电路图1 4 图4 2 整形电路时序仿真结果1 4 图4 3 光栅输出信号示意图1 5 图4 4 细分辨向电路的电路图l7 图4 5 细分辨向电路的时序仿真结果1 7 图4 - 6 计数器的时序仿真结果2 0 图5 11 2 c 总线上数据有效性的示意图2 4 图5 21 2 c 总线起始条件和停止条件示意图2 4 图5 3 主机从从机接收数据的基本格式2 5 图5 4 带有重复起始条件的多字节数据传输示意图2 5 图5 5 带有重复起始条件的主机接收多个字节的时序图2 6 图5 6m o o r e 状态机结构2 6 图5 7m e a l y 状态机结构2 6 图5 8 接口的状态转移图2 8 图5 - 9 主状态机状态转移图3 0 图5 1 0 接收子地址的状态转移图。3 3 图5 1 1 接口部分的时序仿真结果3 6 图6 1f p g a 系统时序报告3 8 图6 2f p g a 系统资源使用率3 9 图6 3s i g n a l t a p l i 逻辑分析器采集到的计数器输出波形4 0 图6 - 4 程序流程图4 4 图6 5 总线连接示意图4 6 图6 - 6f p g a 与m c u 通信实验电路4 7 图6 7 第一次发送起始条件及从机地址、子地址和重复起始条件4 8 图6 8 重复起始条件及m c u 接收数据及产生非应答和停止信号4 8 图6 - 9 实验数据的显示一4 9 表格清单 表6 11 2 c 寄存器及其功能4 1 表6 21 2 c 库函数及其功能4 2 表6 3 实验数据和标准数据5 0 表6 4 光栅正反转时采集到的数据5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒目巴工业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工柞的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储躲l 呶 签字日秽lo 年牛月2 名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金8 巴王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：协瓤 签字日口月z 毛 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 隅：薹； 铲 年 ! 轹 两瓤 签师 字 导 签 致谢 在论文完成，即将毕业之际，首先感谢我的导师叶兵教授两年多来对我的 关心和指导。叶老师治学严谨，学识渊博，不仅传授给我知识，同时也教给我 学习研究的方法和态度，使我受益匪浅。叶老师不仅在学习上给了我耐心的指 导，还提供给我良好的学习环境和研究条件，使我的学习生活充实而有意义。 同时感谢胡毅老师和电子科学与应用物理学院的其他老师对我的帮助。 还要感谢陈峰峰、朱浩、杨秋平和马明俊同学对我的支持和帮助。 最后，要特别感谢我的父母，父母辛勤工作，支持我的学业，给了我无微 不至的关爱，也给了我很大的鼓励，使我顺利完成学业。 作者：谢敏 2 0 1 0 年4 月1 6 日 第一章绪论 光栅传感器是利用莫尔条纹原理，通过光电转换，来测量线性位移量或角 位移的高精度传感器。光栅位移测量技术的基础有光栅制造与检测技术、莫尔 条纹技术、光栅读数头技术，光电信号采集处理及传输技术。 光栅传感器有很多优良特性： ( i ) 较强的抗干扰能力。 ( 2 ) 较高的分辨率，测量精度高。 ( 3 ) 可实现动态测量实现测量及数据处理的自动化口】。 由于光栅传感器拥有以上诸多优点，所以其在测量控制领域的使用越来越 广泛。目前，多光栅传感器的应用场合也越来越多，比如在关节臂式坐标测量 系统中，需要多个光栅角度传感器同时工作，此时，需要进行多路光栅信号的 处理与传输。 1 1 国内外研究现状 关节臂式坐标测量机是一种新型非正交式坐标测量机【3j 【4 1 ，它是多路光栅 传感器信号采集系统应用最多的领域。 关节臂式坐标测量机将几个连接杆和一个测量头通过旋转关节串联连接， 一端固定，另一端( 测量头) 可以在空间中自由运动，构成一个球形测量空间。 光栅传感器安装在关节处，用来测量杆件旋转的角度。其以角度基准代替长度 基准进行测量，具有结构简单、量程太、便于携带等优点，主要应用于三维模 型表面数字化检测和现场大型零部件尺寸检测等领域 j 。 当前知名的有美国c i m c o r e 公司与f a r o 公司生产的关节式坐标测臂，以 及法国的r o m e r 公司生产的测量臂。图l - 1 为f a r o 公司的一种坐标测量臂【6 i 。 图1 - 1f a r o 公司的坐标测量臂 目前，国外生产的测量机存在价格高，精度低的缺点【6 1 。因此，进行关节 臂式坐标测量机关键技术的研究，提高测量精度，已成为该领域的一个研究热 点【5 】。在关节臂式坐标测量领域，对多路光栅传感器输出信号进行处理和传输 的研究是很重要的一个方面。 现在，市场上的专用的细分计数芯片功能单一，比如l s 7 0 8 4 、l s 7 1 6 6 、 l s 7 2 6 6 r 1 1 7j 和h c t l 一2 0 2 0 1 8 1 等，一般只能对一或两对正交信号进行处理，并且 接口受限，价格高，供货渠道不畅【9 】。 例如h c t l - 2 0 2 0 、h c t l - 2 0 0 0 、h c t l - 2 0 16 系列芯片，其时钟为1 4 兆赫兹， 带有数字滤波功能，但只能实现一对正交信号的处理，计数器的最高位数仅为 1 6 位，在许多场合不能满足计数需求。比如在计数位数大于1 6 位时，就需要和 其他标准计数芯片串联起来使用，来实现位数大于l6 位的计数器功能【引。此外， h c t l 2 0 2 0 系列芯片仅有8 位三态输出接口。 l s 7 2 6 6 r 1 是2 4 位双轴可编程正交信号鉴相芯片，是l s 系列细分计数芯片中 功能比较齐全的一种。它也带有数字滤波功能，可以同时对两对正交信号进行 处理，在四倍频鉴相模式下，计数频率可以达到1 7 兆赫兹【7 1 。 l s 7 2 6 6 r 1 是一种比较理想的正交信号处理芯片，但是也仅仅可以同时对两 对正交信号做出处理。l s 7 2 6 6 r 1 芯片的输出和输出都是八位的三态输出输出 接口，不能和当前一些流行的总线接口相匹配。所以，当系统要进行一些总线 通信时，还需要配合其他的芯片才能实现。 而且，如果在多光栅系统中使用分立的逻辑电路和芯片，即把每路信号分 别放在一片专用芯片中处理，再加上通信接口芯片等电路元件，就会造成系统 结构复杂，可靠性和通用性差，不利于调试，处理速度也会受到限制。 比如，合肥工业大学、中国船舶工业集团公司第六三五四研究所及加拿大 一公司联合研究开发的一种“智能关节坐标测量机采用的方案就是使用三片 l s 7 2 6 6 r 1 芯片实现六路光栅信号的处理，并使用微控制器和接口转换芯片 c p 2 1 0 2 n 用u s b 协议与上位机进行通信。 如果在一片f p g a 芯片上集成多路光栅信号的处理与传输功能，可以减少系 统的复杂度，抗干扰，从而提高系统的可靠性和速度。由于单片芯片体积小， 还可以嵌入到其他系统中。而且f p g a 芯片设计周期短，成本低，灵活性高，可 以方便地对电路进行修改，必要的时候可以加入其它模块【10 1 ，比如在各种不同 总线的系统中使用时，对于数据传输的接口，不会再受到专用芯片接口单一且 固定的限制，可以随时增加或修改接口模块以适应不同总线数据传输的需要。 1 2 光栅精密测量技术及测量设备的发展趋势 为了提高测量精度，降级产品成本，目前光栅测量技术和测量设备待解决 的问题主要有： ( 1 ) 怎样使光栅输出的光电信号更为理想【2 】 ( 2 ) 新的电子学细分方法及技术； ( 3 ) 体积更小，更稳定的光栅信号采集电路： ( 4 ) 误差补偿和修正技术【2 1 。 随着现代测量控制技术和应用的要求不断提高，光栅精密测量技术及测试 计量设备的发展趋势【2 】是： ( 1 ) 向小型化、经济化发展； ( 2 ) 向高分辨率、高精度发展 ( 3 ) 向高稳定度、高可靠性发展。 对于本课题来说，所做的主要工作是光栅传感器信号的采集和传输，由于 目前国内外还没有针对于多路光栅信号处理传输的专用芯片，因此对于基于 f p g a 芯片的多路光栅信号的处理传输实现的研究，具有很大的实用价值。 1 3 课题的主要研究内容 本课题主要实现的是基于f p g a 的多路光栅传感器信号的处理与传输， f p g a 实现六路光栅信号的细分辨向和计数，然后通过1 2 c 总线传输到m c u 。现 在，已经有越来越多的外围器件与微控制器的接口形式是二线制的i 二c 串行总 线，所以在这个课题中，对于光栅传感器信号采集系统的传输也采用当今流行 的1 2 c 总线接口形式。 本课题的主要研究内容是： ( 1 ) 光栅传感器测量位移或角度的原理以及f p g a 设计技术。 ( 2 ) 对光栅输出信号细分辨向原理的分析及细分辨向、计数的f p g a 实现。 ( 3 ) 基于有限状态机的i c 从机接口的设计。 ( 4 ) 用m c u ( 微控制器) 作为主机实现与f p g a 系统的i c 总线通信。 ( 5 ) 使用光栅传感器验证系统的可靠性。 在本课题中，使用的f p g a 为a l t e r a 公司的c y c l o n e l i 系列的f p g a 芯片 e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 ，设计的硬件描述语言为v e r i l o gh d l ，用来验证接口的i c 主 控器选择的是意法半导体的微控制器s t m 3 2 f 1 0 3 v b ，其有专用的i c 硬件接 口。实验使用的光栅传感器是m i e r o e 公司的m e r c u r y1 5 0 0 系列光栅编码器。 第二章光栅传感器原理和f p g a 技术 2 1 光栅传感器的原理和输出信号的特点 2 1l 光栅的基础知识 原制光栅，是在一块玻璃片上刻上许多等宽度、等间隔的平行线条，对于 计量用光栅，密度一般为每毫米5 0 2 5 0 条。由- t s u 线部分不光滑，不易透光， 当光线照射时，光线只能透过刻线之间的光滑部分。这样，光滑部分就相当于 狭缝。整块玻璃片上就相当于有许多相同的狭缝等间隔排列f ”i 。单色平行光通 过时，由于每个缝的衍射和各缝间的干涉作用，形成明暗相间的条纹【”】。 图2 - i 为光栅示意图，给出了光栅的常见参数，b 是狭缝宽度，a 是狭缝间 距，d = a + b ，d 称作光栅常数，也就是光栅周期。 i l i l 1 | | u 图2 - 1 光栅示意图 2 12 莫尔条纹 将两片周期和狭缝宽度相差不多的光栅重叠在一起，并使它们的刻痕相交 成一个很小的角度日，如图2 2 所示。在光波的照射下其叠合面上会产生一组 明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。 图2 - 2 莫尔条纹示意圈 d 莫尔条纹的形成主要有以下几种理论：一是基于衍射和干涉原理；二是基 于遮光阴影原理；还有一种是基于空间拍频原理【1 1 1 。 在实际应用上，用来产生莫尔条纹的两块光栅的空间周期w 1 和w 2 都比透 射光的波长大的多，所以可以忽略其衍射效应，认为亮纹是由许多平行四边形 的亮块排列而成，放大后得到如图2 2 的平行四边形【1 2 】。如图2 2 所示，莫尔 条纹宽度b 为a 到b c 的垂直距离，平行四边形的对角线a d 跨度为两倍条纹宽 度b ，由图2 2 中的三角形a b c 可知，它的面积s 、w l 、w 2 、b 及秒之间的关系 是： a bxw l = 口cxw 2 = b c b = 2 s ( 2 1 ) 匠) 2 = ( _ ) 2 + ( _ ) 2 + 2 一a b 一a t 7 x c o s 秒 ( 2 - 2 ) 由( 2 1 ) 式解出a b ，a c ，b c 后，代入( 2 2 ) 式中，可得 ( 笥= 去+ 壶一2 器棚 b ：，兰竺丝一 ( 2 3 1 x w l2 - i - w 22 2 w l w 2 c o s 0 这就是莫尔条纹宽度公式。 而实际上，两个光栅的周期往往相同，即w l - - w 2 = w ，此时，( 2 3 ) 式可以化简为 b 2 丽w 丽2 南 ( 2 - 4 ) 如果两光栅的交叉角度9 也很小，则( 2 4 ) 中的正弦值可以用秒的弧度值来代替： 即b = 鲁( 2 - 5 )目 莫尔条纹的特性有： ( 1 ) 放大作用： 条纹宽度b 是光栅周期w 的1 o 倍。例如，当w = 0 0 1 m m 时，若0 = 0 0 0 1 弧度，则b = 1 0 m m 。 ( 2 ) 莫尔条纹的移动距离与栅距成比例： 光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个纹距，用光电器件测量移过的 莫尔条纹数目，就能计算出光栅移动了多少个栅距。 ( 3 ) 均差效应： 莫尔条纹宽度b 不是由个别栅线的栅距决定，而是接收窗口内所有刻线的 平均栅距w 的1 口倍，其测量精度是由一组刻线的平均效应决定【1 1 】。 ( 4 ) 光电元件所接收的信号为共模正弦波： 由于亮度只有正值，所以光电元件所接收的信号总是叠加在一个平均信号 之上。如图2 3 所示：u o 是平均输出电压，称为直流分量，也称为共模电压。 2u 卅是峰间电压，又叫交流分量。交流分量在平均 r - 2 , , _ l z 变4 z ，其比值： 稚粕首_ 艄，弘等 称为莫尔电信号的调制系数【1 1 1 。 v 0 正最大负最大 口 正最大 图2 3 光栅位移与光强、输出电压的关系 2 1 3 光栅传感器输出信号分析 单个光电元件接收一个固定点的莫尔条纹信号，只能辨别信号的强弱，不 能辨别光栅的移动方向】。如果在一个条纹间隔内放置两个光电元件，相距 w 4 ，随着莫尔条纹的移动，每个光电元件接收到的信号在相位上有9 0 。的差 别，两路信号相位的超前或滞后由光栅移动的方向决定，这样就可以辨别光栅 移动的方向。一般的光栅传感器是在一个条纹间隔内放置四个光电元件【1 1 】。 本课题中，使用的光栅读数头输出两对差分信号和一对差分的零位信号。 已先使用差分信号接收芯片m c 3 4 8 6 d 对其进行处理，得到一对正交的方波信号 和一路零位信号后，再使用本系统进行细分计数处理。 2 2f p g a 简介 随着电子技术的发展，f p g a 的规模越来越大，功能也越来越多，逐步成为 大规模数字电路设计的首选。使用一片f p g a 芯片，就可以完成多路光栅信号的 细分辨向、计数、锁存和传输。 2 2 1 可编程逻辑发展简史 可编程逻辑器件从最初的可编程只读存储器、紫外线可擦除只读存储器等， 6 发展到现在的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 。如 今，新一代的f p g a 集成了d s p 或c p u ，可以在一片f p g a 芯片上进行软硬件 协同设计，实现了片上可编程系统( s o p c ) 【1 3 1 。 2 2 2 f p g a 简介 f p g a 是f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写。f p g a 一般采用s r a m 工 艺，密度从数万门到千万门不等，能完成复杂的组合逻辑和时序逻辑功能【 】。 2 2 2 1f p g a 的结构 f p g a 的基本组成有基本可编程逻辑单元，可编程i o 单元，嵌入式r a m 块，底层嵌入功能单元，内嵌专用硬核和布线资源【1 0 1 等。 基本可编程逻辑单元 f p g a 的主体，可以根据设计灵活的改变其内部连接与配置，完成不同的 逻辑功能。基于s r a m 工艺的f p g a 的基本可编程逻辑单元是由查找表( l u t ) 和寄存器( r e g ) 组成。查找表一般完成组合逻辑，寄存器完成时序逻辑【1 0 1 。 可编程逻辑i o 单元 即输入输出单元，是芯片与外界的接口部分，完成不同电气特性下对i o 信号的驱动与匹配要求。 嵌入式r a m f p g a 内嵌的r a m 一般可以配置成单端口r a m 、双端口r a m 或先进先 出存储器等常用结构【l0 1 。嵌入式r a m 使f p g a 的使用灵活性大大增加。 底层嵌入功能单元 这里主要指那些通用程度较高的嵌入式模块，比如a l t e r af p g a 中使用的 p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 、赛灵思f p g a 中使用的d l l ( d e l a yl o c k e d l o o p ，延迟环1 、d s p 、c p u 等。 布线资源 布线资源根据长度、宽度、工艺和分布位置的不同分为不同的等级，可分 为全局布线资源、长线资源、短线资源等【1 0 】。 内嵌专用硬核 这里主要指那些通用性较低，不是所有f p g a 器件都包含硬核( h a r dc o r e ) 。 比如面向高端通信市场的a l t e r a 公司的s t r a t i xg x 器件族内部就集成了 3 1 8 7 5 g b i t s 串并收发单元( s e r d e s ) 1 3 】。 2 2 2 2f p g a 设计流程 f p g a 的设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、 实现、时序仿真与调试等【l 引。 电路设计与输入 电路设计输入是指通过某种规范的方式，将电路构思输入给e d a 工具【1 3 1 。 h d l 语言设计方式是最常见的方式，v h d l 与v e r i l o gh d l 是目前使用最为广 7 泛的硬件描述语言【13 1 。 功能仿真 功能仿真是在电路设计完成后，用e d a 仿真工具验证电路功能是否符合要 求。常用的仿真工具有m o d e l s i m 、n c v e r i l o g 等。 综合 综合是根据输入的h d l 语言要求实现的电路功能及约束条件，通过e d a 软件进行优化处理，获得一个能满足要求的电路设计方案。 综合后仿真 综合后仿真要把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，来 估计门延时带来的影响。它不能估计布线带来的延时，因此综合后仿真结果与 实际情况还有差距【1 3 】。 实现 也就是布局布线，要在f p g a 上实现电路功能，需使用器件厂商提供的软 件工具，选择型号，将配置信息适配到具体的f p g a 芯片上【1 3 i 。 时序仿真 布局布线生成的延时文件不仅包含门延时，还包括布线延时，将此延时信 息反标注到设计网表中，所进行的仿真就叫时序仿真【1 3 】。 为了保证设计的可靠性，还要对设计进行静态时序分析。它允许设计者详 尽地分析设计所有的关键路径，得出一个时序报告。静态时序分析不要求用户 输入激励或测试矢量。 下载调试 下载是将e d a 软件生成的配置文件下载到实际的f p g a 芯片中。示波器 和逻辑分析仪是逻辑设计的主要调试工具。对于一些简单的设计，可以使用 q u a r t u s i i 软件内嵌的s i g n a l t a p l i 逻辑分析工具。 2 2 2 3 f p g a 的设计方法一自顶向下的设计 现代集成电路设计技术的发展，使得芯片的集成度越来越高，如果由一个 设计师进行如此大规模的设计很难保证不出现错误。所以，可以利用层次化、 结构化的设计方法，一个完整的硬件设计任务首先由总设计师划分为若干个模 块，通过仿真验证后，再把这些模块给分配给下一级的设计师【1 4 】，这样，就可 以由多个设计师共同完成一个设计，每个设计师负责自己所承担的模块，这样， 可以加快设计进度，提高设计质量。 2 2 2 4f p g a 的设计工具 针对本课题使用的a l t e r a 系列的f p g a 而言，q u a r t u s i i 软件是主要的设计 工具，其他需要使用的设计输入、仿真、综合e d a 工具有m o d e l s i m 、s y n p l i f y 等。硬件验证工具包括f p g a 开发板、下载电缆、示波器等。 2 2 3 本设计使用的f p g a ：e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 简介 a l t e r a 公司的可编程逻辑产品可分为高密度f p g a 、低成本f p g a 和c p l d 等。高密度f p g a 主要有s t r a t i xg x ，s t r a t i x l l 等系列，主要在高端的路由器和 交换机中；低成本f p g a 主要有c y c l o n e ，c y c l o n e l l 系列，主要用于对成本敏 感的手持设备中；主流的c p l d 有m a x 3 0 0 0 a 和m a x i i 系列 t j l 。 e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 是a l t e r a 公司的c y c l o n e t i 系列芯片。c y c l o n e l l 系列f p g a 是a l t e r a 公司基于9 0 n m 工艺推出的低成本的f p g a 。c y c l o n e l l 系列f p g a 采 用1 2 伏、全铜s r a m 工艺设计i ”】，提供了4 6 0 8 到6 8 4 1 6 个逻辑单元f l e l ， 并包括嵌入式乘法器、嵌入式存储器块、锁相环( p l l ) 等功能。 图2 4 为c y c l o n e l l 数据手册中列出的e p 2 c 2 0 结构图。e p 2 c 2 0 有四个 p l l ( 锁相环) ，同系列的e p 2 c 5 结构与之类似，只是两个p l l ( 锁相环) 的位置分 别位于芯片的左下角和右上角。圈2 - 4 中，四周是i o e ( i o 单元) ，中间白色部分 是逻辑阵列，灰色部分为m 4 k r a m 块，中阐黑色部分是内嵌的乘法器模块。 m n 删m r 盈 m s 口 b g i cl o g i cl o g i cl o g i c r v a a var r a ya rr a y 田 一 叠 图2 4e p 2 c 2 0 结构图 e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 有4 6 0 8 个逻辑单元( l e ) ，相当于2 6 万门，2 6 个m 4 k r a m ( 4 k 比特+ 5 1 2 校验比特) 块，总比特数为1 1 9 8 0 8 ，2 个锁相环( p l l ) ，1 3 个嵌入 式乘法器。最多1 5 8 个用户可用1 1 0 管脚，封装尺寸为3 06x3 06 ( m mxr a m ) ， 采用2 0 8 p i np q f p 封装【1 0 1 。 c y c i o n el if p g a 的内核电压和锁相环供电电压为12 伏，i o 供电电压为 3 3 铰。它的i o 支持业界大部分标准接口电平，比如l v t t l 、l v c m o s 、33 一v p c i 、l v d s 等”。 3 1 系统总体结构 第三章系统总体结构设计 系统要实现六路光栅传感器信号的整形、细分辨向和计数，微控制器可以 通过1 2 c 接口读取选定一路的光栅传感器位移或角度的计数值。 图3 1 是系统的总体框图。 光栅传光栅传光栅传 光栅传光栅传光栅传 感器信号感器信号感器信号感器信号 感器信号感器信号 liilll 产鬻妒向j 整铎妒向 i 鬻扩向p 鬻妒 陋扩向 一妒向 liiiil 数据锁存电路 i i l 1 ：c 接口 l l i f 微控制器m c u 图3 1 系统总体结构框图 f p g a 心 寅 如图3 1 所示，六路光栅传感器各自发出的一对正交信号( 经过整形电路， 滤除信号中的毛刺后) 和零位信号分别再经过细分辨向电路和计数器电路。在微 控制器需要读取计数值时，通过1 2 c 接口发出寻址信号，选定的那一路的光栅 信号的计数值进入锁存电路，微控制器通过1 2 c 接口读取这一路信号的计数值。 3 2 系统各模块功能和结构 3 2 1 细分、辨向与计数、锁存模块结构 此模块参考l s 7 2 6 6 r 1 芯片的结构，主要构成部分有信号整形模块，细分 辨向模块，2 4 位可逆计数器模块，输出锁存模块。结构如图3 2 所示： ( 1 ) 信号整形模块 信号整形模块可以对光栅输出的两路正交信号进行整形，消除信号中的毛 刺等影响因素。 l o ( 2 ) 细分辨向模块 细分辨向模块对经过整形后的一对光栅信号进行细分，输出四细分后的计 数脉冲，并带有光栅运动方向的信息。 ( 3 ) 2 4 位可逆计数器模块 对细分电路输出的脉冲进行计数，并且可以根据方向信息决定是加计数还 是减计数。 ( 4 ) 输出锁存模块 输出锁存模块在接到微控制器( m c u ) 的寻址信号后，把当前计数器的值存 在寄存器中，等待微控制器( m c u ) 的读取。 零位信号z 逆计数器( 捌立) 卜k 田分辨向 j 出锁存翰出锁存翰出锁存 ( 8 位) l ( 8 位) l 【8 位) 2 c 接口 图3 - 2 细分辨向与计数、锁存模块结构 3 2 21 2 c 接口模块 系统作为i c 总线的从器件，此接口设计成1 2 c 从器件的接口，模块框图 如图3 3 所示：i z c 接口的时钟线s c l 由主控制器提供，接口模块的时钟d c l k 由f p g a 的全局时钟分频得到。系统时钟在时钟发生模块下进行分频，产生适 合接口工作的时钟频率。主状态机控制接口的各种状态，比如空闲，接收地址， 发送数据等，而对于接口的两个主要功能，接收数据( 地址) 和发送数据，分 别使用两个子模块( 从状态机) ：数据输入模块和数据输出模块来实现。 图3 - 3 接口模块结构 1 2 4 1 整形电路 第四章光栅信号处理与计数模块设计 4 1 1 整形电路的实现 为了消除光栅输出信号中可能出现的干扰，首先对正交信号进行整形处理。 这里利用数字方法对信号进行整形，整形电路的基本思想就是：f p g a 时钟信 号的频率比光栅输出信号的频率大的多，可以在时钟的边沿对光栅信号进行采 样，稳定的光栅输出信号应在几次时钟信号边沿采样时都维持一定的电平，这 样才能算是有效的信号，否则就认为是不稳定信号或是毛刺，输出信号维持不 变，这样可以有效控制毛刺对信号质量的影响。 以下为针对a 、b 两路方波信号整形电路的部分v e r i l o gh d l 程序，u 1 为输入的 光栅信号，c l k 为输入时钟信号，a 为输出信号： r e ga ； r e g w - 1 ：o l o c k ； a l w a y s ( p o s e d g ec l k ) b e g i n l o c k 0 - - u l ； l o c k w - 1 ：1 】 = l o c k w - 2 ：0 】； e n d a l w a y s ( p o s e d g ec l k ) b e g i n i f ( & l o c k ) a ，_ 1 ； e l s ei f ( ( 1 l o c k ) ) a = 0 ： 可以预先设定位数的寄存器 在时钟节拍下，输入信号进入寄存器 寄存器中所有位都是1 寄存器中所有位都是0 e n d 此整形电路的思想是随着时钟的节拍，把输入信号依次放进预先设定好位 数的寄存器中l o c k 中，如果l o c k 寄存器中每位都为l 时，输出才会为1 ，每位 都是0 时，输出才为o 【9 1 。这样，任何宽度小于w 个时钟周期宽度的脉冲都会 被滤除。w 的值可以根据需要设定。w 的取值要求见本文第六章第一节。 设定w = 3 时，电路图如图4 1 所示： 圈4 1 整形电路图 整形电路0 咖i i 时序仿真结果如图4 - 2 所示 1 三= 一掣u ，兰 o - _ 一一一 | i i i 图牟2 整形电路时序仿真结果 4 1 2 数字整形电路的特点 由于此整形电路的思想是在时钟的节拍下把时钟采样得到的输入信号值 放入预先设定好位数韵寄存器中，如果此寄存器中每位都相同时，输出才会改 变。这样。就会使输出波形相对于输入波形有相当于寄存器位数的时钟周期的 延时，由图4 - 2 的仿真波形也可以看出这种延时。这种利用数字方法的整形电 路输出会存在一定的延时，比如芯片h c t l 2 0 2 0 的整形电路输出也是具有延时 的i s 。但是如果一对正交信号具有相同的延时的话这种延时就不会对其相位 关系带来影响。所以，对于信号a 和信号b 来说，都经过这样一个整形电路之 后，两路信号同时产生相同的延时，但其相位关系不会改变，不会对后续的细 分辨向电路产生影响。 4 2 细分辨向电路 4 , 21 细分辨向原理分析 光栅每移动一个栅距，就输出一个周期的两路相位相差9 0 。的方渡信号 如图4 3 所示。为了实现更为精确的计数可以对其进行细分。 ( a ) 光栅正向移动 ( b ) 光栅反向移动 图4 3 光栅输出信号示意图 a 路 b 路 a 路 b 路 如图4 3 ( a ) 所示，比如光栅正向移动时，a 路信号相位超前b 路信号9 0 。， 分析两路方波信号之间的关系，可以看出，a 、b 两路信号之间的变化关系为( 1 ， o ) ，( 1 ，1 ) ，( 0 ，1 ) ，( 0 ，o ) ，( 1 ，0 ) ；而光栅反向移动时，如图4 3 ( b ) 所示，a 路信号 相位落后b 路信号9 0 。，a 、b 两路信号之间的变化规律为( 1 ，o ) ，( 0 ， 0 ) ，( o ，1 ) ，( 1 ，1 ) ，( 1 ，0 ) ，如此循环，在一个周期内，a ，b 两路信号的电平各变化 两次。在一个周期中检查两路信号的四次跳变，就可以实现对信号的四细分， 根据两路信号间关系变化的规律，可以实现光栅运动方向的辨别【”】【1 6 】。 但是在同步电路中不能同时对信号的上下两个边沿进行计数，所以这里可 以先生成四倍频的脉冲，然后对脉冲的上升沿或下降沿进行计数，就可以实现 对a 、b 信号的四细分计数了【l7 】【埔j 。 4 2 2 细分辨向电路v e d l o g 实现 传统的细分辩向电路把光栅输出信号的细分和辨向分开处理，分别输出一 路四倍频的脉冲和一路辨向信号，辨向电路只是对细分之前的光栅输出信号信 号进行处理，辨向信号的变化往往滞后于光栅实际运动方向的变化。这样，一 加一减的的误差会给测量精度带来影响【l ”u6 1 。 本设计给出了一种比较完善的细分辨向电路。此细分辨向电路的思路是： 使用比光栅输出信号的频率大的多的时钟信号( 时钟信号频率的要求见第六章 第一节) ，用时钟信号上升沿对a 、b 两路信号分别进行采样，将a 、b 信号某 一时刻的值的状态合并为状态判断标志s t a t e ，放入寄存器中，当时钟信号采样 到a ，b 信号中任一路状态发生变化时，s t a t e 值即发生改变，将此时的s t a t e 值与上一时刻的s t a t e 的值进行比较【19 1 ，根据上文所说的光栅不同运动方向时 两路信号变化的规律，分别输出加计数脉冲和减计数脉冲，就可以实现光栅运 动方向的辨别和信号的四细分。 以下为细分辨向电路的v e r i l o gh d l 源程序，e l k 为时钟输入，r e s e t 为复位 信号，a 、b 分别对应a 、b 两路光栅信号，u p 为输出的加计数信号，d o w n 为 输出的减计数信号。 m o d u l e ( e l k ，r e s e t ，a ，b ，u p ，d o w n ) ； i n p u te l k ，r e s e t ，a ，b ； o u t p u td o w n ，u p ； r e gu p ，d o w n ； r e g 1 ：o s t a t e ，n s t a t e ； n 状态寄存器 a l w a y s ( p o s e d g ee l k ) b e g i n s t a t e = a ，b ) ； n s t a t e = s t a t e ； e n d 时钟上升沿采样当前a , b 的值，放入s t a t e 寄存器中 当前值放入n s t a t e 寄存器 a l w a y s ( p o s e d g ee