第二章光栅尺信号处理系统硬件设计 - read.doc

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 二〇〇八年六月 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 …… Abstract Key Words：  目 录 摘 要 ⅰ Abstract ⅱ 第一章 绪论 1 1.1 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 第一章 绪 论 1.1 引言 在今天，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，光栅逐步向智能化方向转化。/λ，λ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°的2路方波信号，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，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