1．哈爾濱工業大學自動化測試與控制系 2．哈爾濱師范大學物理系 [摘 要]：介紹了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的多路光電編碼器數據采集系統，包括其功能、原理、軟件編程和硬件實現電路。描述了該電路的4個主要功能：四倍頻細分、辨向、計數及串行通訊。根據波形的跳沿實現四倍頻細分；通過對波形相位的分析，采用基于相位變化的設計原理實現辨向。整個系統在QuartusⅡ軟件環境下實現編程，應用Altera公司的EPFl0K20TCl44-3型芯片作為硬件載體，角度分辨力可達廣1。最后，給出了詳細的編程和仿真波形。 0 引 言 現今，光電編碼器被越來越多地用于角度的測量，由于它在測量角度方面的優越性，已成為一種重要的角度傳感器，本設計中的角度傳感器是采用光電編碼器來實現的。以往對單路角度傳感器(光電編碼器)數據信號進行四倍頻以及辨向處理時，多采用門級電路搭建的電路板，單片機和FPGA編程來實現。其中，使用電路板或單片機的方法通用性差、編譯復雜、電路板龐大、而且，響應其他事件的實時性變差，不適合用于運算速度快，且多路輸入的數據采集計算任務。隨著電子設計技術的飛速發展，用戶現場可編程門陣列(FPGA)的復雜程度越來越高，其所具備的功能也越來越多，芯片也向小型化發展，逐步成為復雜數字硬件電路設計的理想首選。FPGA／CPLD既繼承了ASIC的大規模、高集成度、高可靠性的優點、又克服了普通ASIC設計周期長、投資大、靈活性差的缺點。FPGA的集成度很高，可完成極其復雜的時序和組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領域。 1 方案設計 本系統是基于FPGA的數據采集電路，其多路輸入信號來自6個高精度角度傳感器——光電編碼器。每個角度傳感器均分別輸出兩路周期相同、相位差為90°的方波信號以及一個零位信號，設其中一個角度傳感器輸出的方波信號為A和B，零位信號為Z。當需要對計數器進行正計數時，A信號的上升沿及下降沿均超前B信號1／4周期；反之，當需要對計數器進行逆計數時，A信號的上升沿及下降沿均滯后B信號1／4周期。根據A信號相對于B信號的超前與滯后，計數器即可相應地做出加計數或減計數的判斷。 圖1給出了角度傳感器有信號輸入時A，B信號的變化情況。圖中，前半部分為正計數，后半部分為反計數。根據接收到的輸入信號相位差和A，B信號變化的周期數來使用計數器進行計數，就可以測算出角度傳感器傳來的數據的具體信息。 本文中，數據采集系統要完成的主要任務為：利用PP-GA芯片完成六路角度傳感器信號處理、四倍頻及判向功能，設計24位計數器，實現數據的鎖存、清零以及數據傳輸，系統功能框圖如圖2所示 圖2 系統功能框圖 圖中，A1～A6，Bl～B6為六路角度傳感器輸出的相位差為90°的方波信號、Z1～Z6為零位信號、數據為串行輸出、OE為使能信號，控制鎖存器存儲數據和輸出數據。 本設計中，角度傳感器提供輸入信號，其精度要求高，若對角度的測量要求分辯力到1″甚至0．1″，則信號頻率相對較高。根據設計要求，估算整個電路所需要的管腳和宏單元的個數，以及以后系統的可升級空間，本設計選用芯片EPFIOK20TCl44-3。它是Altera公司FLEX1OK系列產品之一，是一種嵌入式可編程邏輯器件，采用CMOSSRAM制造工藝，使用SRAM來存儲編程數據，具有在系統中可編程特性。EPFl0K20TCl44—3具有高密度、高速度、低功耗等特點。芯片內含有專用進位鏈，級聯鏈以及快速通道，故其互連方式十分靈活。 2具體電路設計 本系統的主要功能通過Altera公司Quartus II軟件系統提供的集成化文本編輯程序實現，即硬件描述語言輸入方式。該方式適合于輸入和編輯諸如VHDL，Verilog HDL，Altera公司的AHDL等硬件描述語言的設計輸入文件。硬件描述語言輸入方式的特點是效率較高、結果也較容易仿真、信號觀察也比較方便，而且，在不同的設計輸入庫之間轉換非常方便，下面介紹系統主要電路的設計。 2．1 實現四倍頻、辨向和計數 以一路角度傳感器所發出的方波信號為例，如圖1所示，通過對A和B信號的上升沿和下降沿進行計數實現四頻；并通過在每個跳變沿判斷A與B的電平高低來實現辨向，真值表如表1，表2所示。 表1 A信號跳變真值表 表2 B信號跳變真值表 由表1、表2可知，當信號A和B發生跳變時，對A和B進行異或邏輯運算，即可判斷對計數器進行加操作還是減操作。流程圖如圖3所示。 圖3 辨向與計數流程圖 2．2 數據鎖存 方波信號經過四倍頻并計數后所得到的6組數據，當需要向上位機傳輸時，因為內部各計數單元工作屬于動態過程，因此，在向外部傳輸數據時，需先將6組數據分別存人6個鎖存器中再讀取數據，以保證讀出穩定的數據。在本設計中，鎖存器是由VHDL語言描述的同步鎖存器。所謂同步鎖存器指的是復位和加載功能全部與時鐘同步，復位端的優先級較高。在數字系統設計時，采用完全同步的鎖存器，可以避免時序錯誤。 2．3 數據傳輸 串行輸出口采用標準的RS—232協議，6個鎖存器輸出的數據將先存人FIFO(先進先出寄存器)，然后，通過串口將數據發送到PC。 數據串行輸出如圖4所示。 串行輸出的主要參數的選擇：波特率為9600bit／s，8位有效位、無奇偶校驗位、1位停止位。串行通信中，必須有時鐘脈沖信號對所傳送的數據進行定位和同步控制，設計中，采用的時鐘頻率時波特率的2倍(19200bit／s)。發送過程：串口模塊初始狀態是等待狀態，接收到觸發信號fifo－rd則進入發送過程，先發送起始位，再發送8位比特數，每位寬度為2個周期，當一個字節發送完畢后，發送一個停止位，回到等待狀態。 3 調試與仿真 如圖5所示，countl～count6為六路角度傳感器輸入信號經過四倍頻、辨向、計數后的仿真波形。Zl～Z6為角度傳感器輸入的零位信號，OE為輸出使能信號。其中，第二路仿真角度傳感器反向旋轉的過程，所以，A2信號滯后B2信號1／4周期，count2計數器為負值。本系統仿真中使用的方波頻率為19．1MHz，而所使用的角度傳感器每旋轉一周輸出的方波個數為1 296000個，按照每秒旋轉一周計算，方波信號頻率為1．2MHz，仿真信號足要求。 圖5 輸出仿真波形圖 4 結 論 本設計經過仿真、編譯實現后，將代碼下載至EPC1441可編程配置芯片，屬于主動配置模式。在接口模塊上電后，EPC1441自動對EPFl0K20TCl44-3芯片進行配置。該芯片成功地完成了對六自由度坐標測量系統輸出信號的處理，性能穩定可靠。如果在此設計的基礎上載譯碼驅動等外圍電路，即可直接與PC機連接,或者加上顯示電路單獨使用。