基于FPGA的多路光栅信号并行采集方法

摘 要： FPGA在信号采集中时钟频率高，内部延时小，控制逻辑由硬件完成，同时可以集成控制、译码和接口电路，具有速度快、组织灵活等优势。在需要测量较大面积的动态变化面形并采集大量光栅尺信号时，可以使用FPGA数据采集系统对光栅信号进行采集。在保证采样精度的前提下，为了降低成本和系统复杂度，可以在采集系统中使用多路选择技术。提出了一种基于FPGA和多路选择技术的光栅信号采集方法，使用I/O口相对较少的低端FPGA，配合多路选择开关，通过内部处理，实现了多路光栅信号的采集，结果表明，该法成本低廉且能满足精度的要求。

关键字： 光栅信号； 数据采集； FPGA； 多路选择

中图分类号： TN911.74?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0067?03

0 引 言

光栅传感器作为精密机械量测量的有效工具在线位移、角位移、速度、加速度等工程的测量上得到了广泛应用[1]。在长度测量中，光栅微位移传感器可以达到μm级的测量精度，同时可以动态采集长度的变化，从而可以精确地算出运动速度甚至加速度。在曲面测量中，相比于传统的三坐标机、轮廓仪，光栅传感器也具有可以动态检测面形变化，精度高，可以实时输出面形数据等优势。

多路选择技术的数据采集中得到了广泛应用[2]，在一些分布式系统当中，使用多路选择技术可以减少I/O口使用数量，提高系统集成度。具体来说，使用多路选择开关对多路信号进行选通处理，将多路选择开关的输出端连接采集芯片的I/O口，使采集芯片对各路信号进行轮番采样，但轮番采样使得原始波形的采集离散化，即在芯片对采得的离散信号进行处理前，需要对采得的波形进行处理。

1 系统整体方案

系统选用了60支高精度光栅传感器（精度为0.5 μm），按环带状排布，以测量圆状动态面形变化[3]。实际测量时，60个光栅微位移传感器安放在测量台上，待测面形与各传感器接触，待测面形变化时，各路光栅传感器会产生相应的位移，将面形各采集点处的数据变化采集起来，通过一定的插值算法还原面形的动态变化。

通常情况下，采集系统选用FPGA作为光栅信号的采集芯片[4]。因系统涉及的信号路数较多，单片低端FPGA很难满足信号采集的要求，故需要多片FPGA并行工作，最后用一片DSP芯片或单片机对多片FPGA进行轮番寻址取值，再将各传感器的数据传送给上位机，如图1所示。系统结构设计较为复杂，成本也较高。

本文提出了一种基于多路选择技术的多路信号采集方法，针对多路信号无法同时被单芯片采集的问题，采用串、并结合采样的方法，可以在满足采样精度要求的情况下，实现单FPGA上的多路信号采集，如图2所示。

每个传感器输出信号中，表示传感器移动距离的信号有两路（A、B）。4个传感器分为一组，共有8路信号（1A、…、4A，1B、…、4B）。将1A～4A接双4位多路选择开关（如74HC4052）的1Y0～1Y3，1B～4B接多路选择开关的2Y0～2Y3。FPGA发出2位控制信号同时控制该多选芯片MUX1。即FPGA控制信号为00时，MUX1的1Z输出为1A，2Z输出为1B，此时FPGA接收到的信号为传感器1的信号。FPGA的控制信号进入下一个状态01时，MUX1的1Z输出为2A，2Z输出为2B，此时传感器2的信号被采集。依次类推，传感器4的信号之后重新返回到传感器1上。这样就形成一个循环采样的过程。

在对采样频率要求不高时，多路并行采样可以节省很多IO资源，同时精度也可以得到保证。FPGA内部用状态机可以完成多路选择的控制，如图3所示。

2 光栅信号预处理

光栅位移传感器输出为两路相位相差90°的方波信号，如图4所示，正常情况下可以通过两路波形的上升、下降沿的个数来计量位移的实际变化；并由两路信号的瞬时相位变化得出位移的移动方向。但由于本方案使用循环采样的方法，使得某路光栅信号只有[14]被采集到，故需通过相关方法还原原始信号。

这里采用通过滤波引入临时信号的方法，将采集信号通过时钟延时将采样波形保持为采样值四个时钟周期，生成类似于原始信号的临时信号，如图5所示。

滤波的作用是消除毛刺等噪声对采样信号产生的影响，常规的滤波方法为通过对若干个时钟周期内信号的判断来实现。当几个时钟周期内信号的值并未发生跳转时，认为信号值为真实值，可以作为进一步处理的临时信号，如图6所示。可以看出临时信号仅仅比原始波形信号滞后了若干时间（该滞后时间所对应的时钟周期数小于串行采样数，此处串行采样数为4），这样可以基本准确地还原原始的波形，细分辨向计数等操作基于该临时信号，当信号周期远大于时钟周期，即光栅信号变化缓慢时，对采样的精度基本没有影响。

3 多路光栅信号并行采集

对8路光栅信号按上述方法进行处理，如图7所示。在图中所示范围内，传感器1～4产生以下信号：增加18、减少11、先减1再加14、减少13。

观察图中A、B两处的计数，如图8所示。A处传感器1～4的初始值为64，0，8，4，B处可见传感器1～4的计数值为82，-11，21，-9。与产生的脉冲信号完全符合，说明实现了正确的数据采集。

4 结 论

本方案适用于低速且输入较多的数据采集装置，对于高速信号，信号周期与时钟周期相差倍数较小时，此法会造成有效信号的损失，并不适用。当信号周期远大于时钟周期时（[Ts][>20Tclk]），引入的临时信号仅仅比原始信号滞后几个时钟周期（该滞后小于并行采样数乘以时钟周期），整体上可以比较好地还原初始波形。同时，临时信号还能有效消除一个时钟周期内的部分波形抖动，实现准确的低速多输入数据采集。

参考文献

[1] 董莉莉，熊经武，万秋华.光电轴角编码器的发展动态[J].光学精密工程，2000，8（2）：198?202.

[2] 马明建.数据采集与处理技术[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2005.

[3] 范斌.能动磨盘加工工艺及智能控制研究[D].成都：中国科学院光电技术研究所，2012.

[4] 田耕，徐文波.Xilinx FPGA开发实用教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[5] 冯希，梁雁冰，张涛.基于FPGA的多路增量式光电编码器测角电路设计方法[J].现代电子技术，2008，31 （19）：175?177.

[6] 王俊山，程明，白小营.基于FPGA的增量型光电编码器抗抖动二倍频电路设计[J].现代电子技术，2010，33（9）：157?159.