基于NiosII的光柵細分電路系統(tǒng)設計

摘要：在分析四倍頻直接細分原理的基礎上，提出利用專用插值芯片(IC―NV)對前端輸出的正交信號進行插值細分的方法；采用SOPC技術和基于NiosII軟核處理器的系統(tǒng)設計方案，在FPGA中設計了二次細分辨向組件和測速組件，并將位移結果和速度值顯示在128×64 LCD上。仿真結果表明，該系統(tǒng)實時性好，可靠性高，誤差小，能夠輕松實現(xiàn)高達64倍的細分。
關鍵詞：光柵位移傳感器；莫爾條紋；插值；FPGA；NiosII

1 概述
目前，光柵的電子細分技術是提高光柵位移傳感器分辨率的主要途徑，可分為軟件細分法和硬件細分法。軟件細分法雖然可以達到較高的細分數(shù)，但由于受到A／D器件轉換精度和轉換時間的限制，一定程度上影響了測量的實時性。硬件細分法一般用在細分數(shù)不太高的場合，而且隨著細分數(shù)的提高，電路會變得更加復雜。本文使用專用插值芯片(IC―NV)對前端輸出的正交信號進行插值細分，利用FPGA對插值細分后的信號進行二次細分；同時利用QuartusII中的Component Editor工具設計了二次細分辨向組件、測速組件及LCD控制組件，并通過Avalon總線與NiosII軟核處理器進行連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成和模塊化。

2 莫爾條紋及四倍頻直接細分的原理
莫爾條紋的電子細分是提高光柵位移傳感器分辨率的主要途徑之一。莫爾條紋是光柵位移傳感器工作的基礎。莫爾條紋間距近似為光柵柵距的1／θ倍(θ為主副光柵之間的夾角)，并且方向近似與柵線方向垂直。當其中任一光柵沿垂直于刻線方向移動一個柵距時，莫爾條紋就在柵線方向上移動條紋間距，因此可以通過檢測莫爾條紋的移動來計算指示光柵移動的距離。
對于橫向莫爾條紋，為了判定指示光柵的位移方向進行可逆計數(shù)以及削弱直流電平漂移對測量精度的影響，可在一個莫爾條紋內等距放置4個光電收發(fā)元件。當條紋依次掃過這4個光電收發(fā)元件時，便會產生4路相位分別為O°、90°、180°、270°的信號，通過運放差動放大電路即可實現(xiàn)四細分。但是，實際應用中要實現(xiàn)4個光電收發(fā)元件的等距排列是非常困難的。目前，大多數(shù)的光柵位移傳感器都采用光閘莫爾條紋來實現(xiàn)四細分，如圖1所示。

光閘式光柵副的指示光柵上刻有4個裂相窗口，各個窗口內柵線與主光柵一致，且相鄰兩個窗口之間依次間隔(n+1／4)d。其中，d為柵距(這里為20 μm)，n為整數(shù)。這樣，當O°窗口的柵線與主光柵完全重疊時，窗口最亮，形成亮帶；180°窗口的柵線與主光柵柵線互相遮擋，形成暗帶；90°和270°窗口的柵線縫隙被遮擋一半，處于半明半暗狀態(tài)。因此，當移動指示光柵時，4個窗口內的光強依次呈現(xiàn)周期性的變化。在窗口區(qū)域安放光電收發(fā)元件對光強進行檢測，便可得到依次相差π／2的4路正弦波信號。

3 光柵信號的產生及差值的實現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)總體方案計
系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。光電轉換后輸出的4路相差90°的正余弦電流信號經過2個前置差分放大器處理后，轉換為電壓信號并且消除了直流電平，得到相位相差90°的正交信號sinθ／COSθ。為了消除正交信號中摻雜的噪聲信號，設計了有源二階巴特沃斯低通濾波器。濾波后的信號經過插值專用芯片IC―NV后，便可送入FPGA進行二次細分辨向、測速和數(shù)字顯示工作。