基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究论文.doc
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1、学院:电子工程学院专业:电子科学与技术(光电方向)学生姓名:姜任毕业论文题目:基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究摘 要光栅尺是上世纪70年代的新兴产品,随着电子技术和单片机技术的发展,光栅尺位移传感器在位移测量系统得到广泛应用。随着它的精度要求越来越高,光栅尺细分技术也随着电子技术的发展得到了日益广泛的应用。本文给出了一种基于 FPGA的光栅尺位移传感器的四细分电路设计方法,利用FPGA设计了一种细分辨向电路模块,采用Verilog HDL语言编写四细分、辨向模块程序,并进行了仿真,然后又进行了实物的验证。仿真与验证结果表明,新型的设计方法与传统细分电路相比具有开发周期短、集成度高、模块
2、化、修改简单等特点。关键词光栅尺;四倍频细分;辨向;FPGAAbstractAs a new product,optical grating ruler appeared in the 1970s.With electronic technology and single-chip microcomputer development,the grating displacement transducer is widely used in displacement measurement system.With more and more requirement to its accuracy
3、,the technology of optical grating ruler is increasingly used with the develop of electronic technology.This paper introduced a new kind of four times frequency subdivision circuit design method of the grating displacement transducer by FPGA,the method adopted FPGA designed a kind of subdivision cir
4、cuit module,using Verilog HDL language to compile the four times subdivision circuit module, and simulate the program.Then conducted a physical verification. The results show that the new design methods have short development cycle and easy to modify module,compared with traditional subdivision circ
5、uit.KeywordsOptical grating ruler; Four times frequency subdivision; Discerning; FPGAI目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 研究背景11.1.1 课题研究背景11.1.2 国外光栅尺的现状21.1.3 国内光栅尺的现状41.1.4光栅尺的发展趋势51.2论文研究的目的和意义61.3 论文主要研究的内容61.4 本章小结7第二章 光栅尺信号细分方案82.1 光栅尺信号的形成及特点82.1.1 光栅尺的工作原理82.1.2 光栅传感器输出信号的特点102.2 信号细分112.2.1 信号细分的
6、研究现状与发展112.2.2 主要细分方法特点及比较122.3 本章小结14第三章 四细分电路设计153.1 四细分与辨向电路153.1.1光栅尺信号及电路设计要求153.1.2四细分及辨向电路设计163.2电路模拟183.2.1 电路模拟软件Multisim10.0简介183.2.2 电路模拟193.3 本章小结20第四章 基于FPGA的四细分电路设计与研究214.1概述214.1.1 EDA概述214.1.2 FPGA概述224.1.3 Verilog HDL简介234.1.4 Bottom-up与Top-down设计方法254.1.5 Verilog HDL对硬件电路的描述264.1.6
7、 Quartus软件使用方法264.2 基于FPGA的四细分电路设计与研究304.3 仿真与测试334.3.1 仿真334.3.2 实验验证334.4 本章小结37结 论39参考文献40致 谢43基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究第一章 绪 论1.1 研究背景1.1.1 课题研究背景光栅作为精密测量的一种工具,已在各类测量机构、仪器的位移测量(弹簧试验机、三坐标机、投影仪等)、各类机床的数显系统(车床、铣床、磨床、镗床、电火花、钻床等)、各类数控机床的配套使用(数控铣、加工中心、数控磨床等)配接PLC用于各类自动化机构的位移测量等方有了很多应用。在玻璃(或金属)上进行刻划,可得到一系列的
8、密集刻线,这种具有周期性刻线分布的光学元件称为光栅。光栅式传感器具有如下特点:(1)精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面精度仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面,光栅式传感器属于精度最高的;(2)大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点,但分辨力和精度都不如光栅式传感器;(3)可实现动态测量,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,对环境条件的要求不像激光传感器那样严格。光栅尺是上世纪70年代的新兴产品,它是一种位移传感器,是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术,在3 mm的附法玻璃上镀铬刻1 um为一道的透明长度尺,
9、然后把它粘在铝尺上。靠光折射或透射反馈到感应器中进行计量。光栅尺产品具有很多特点:(1)最先进可靠的光学测量系统,采用可靠耐用的高精度五轴承系统设计,保证光学机械系统的稳定性,优异的重复定位性和高等级测量精度。 (2)传感器采用密封式结构,性能可靠,安装方便。 (3)采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水,防尘优异,使用寿命长。 (4)具体高水平的抗干扰能力,稳定可靠。 (5)光源采用进口红外发光二极管,体积小寿命长。 (6)采用先进的光栅制作技术,能制作各规格的高精度光栅玻璃尺计量光栅技术近年来在精密仪器、超精加工、数控机床等领域得到了广泛的应用1-3,另外文献4、5介绍了光栅式传感器
10、在各领域的应用,文献6还对光栅技术和激光技术在测量领域的应用进行了比较。光栅尺用来精密测量物体的位移,作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用,在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差,以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用。其实就像人眼睛看到我切割偏没偏的作用,然后可以手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准。它的基本原理是将直线或角度位移量转化为莫尔条纹信号,再对条纹信号进行细分和计数,从而得到位移量,文献79叙述了以光栅莫尔条纹理论为基础的测量技术在实际中的一些应用。莫尔条纹信号处理技术是计量光栅技术中的关键技术,包括细分和计数两部分。常规位移测量计数法属于硬件计数法。在光栅单方向移动
11、或缓慢变向时,可以正确计数。但由于适应性差、抗干扰的能力不足,因而当光栅的移动情况比较复杂时,就有可能发生丢数或多计数现象10-11。随着A/D 转换周期的缩短和数字信号处理器件性价比的提高,采用软硬件结合的数字细分及辨向方法成为取代传统细分方法、提高系统稳定性的一条有效途径。利用光栅来进行位移测量要追朔到上个世纪50年代,在相当长时间里,仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定,最开始是基于双光栅的莫尔条纹(Moire fringes)技术,其栅距在20 um左右,精度一般为几个微米,但是随着制造技术的进步,光栅的精度越来越高,现在的光栅栅距可以达到0.8 um,分
12、辨力达到1 nm,在生产、制造业的发展中也扮演了越发重要角色。光栅精度的提高以及随着电子技术和单片机技术的发展,光栅传感器的灵敏度不断提升,在位移测量系统得到广泛的应用,并且逐步向智能化方向转化。1.1.2 国外光栅尺的现状近十年来,光栅测量的精度水平不断提高,因而要求不断提高光栅尺的加工精度。国际市场上最好的光栅尺,如德国HEIDENHAIN(海德汉)、英国RENISHAW(雷尼绍)、西班牙FAGOR(发格)的光栅尺,制造偏差小于1 um/m,其检定数据比较可靠,并且产品一般带有规格繁多的读数头并提供工业标准的模拟和数字输出,某些型号还内置了电子细分系统:(1)德国HEIDENHAIN公司一
13、直是引导光栅测量技术的发展,二十一世纪的重要发展是、光栅尺的单场扫描、绝对式光栅尺、皮米级光栅测量系统、双向数字接口。2007年12月推出了皮米(pm1012m)级LIP201系列光栅测量系统,LIP201系列敞开式光栅尺采用玻璃或玻璃陶瓷的相位光栅,栅距2048 um,信号周期0.512 um;精度等级:1.0 um,最大测量长度1540 mm,带参考点;测量步距:从1 nm到3125 pm,最大倍频细分数为16384;测量速度:180 m/min,在3125 pm时为60 m/min;震动:20 g,冲击:40 g;输出接口:1Vpp或EnDat串行双向接口,时钟频率可达16 MHZ,只需
14、8 us的时间后续电子设备就能得到位置值,可以与FANUC和三菱系统相连。2008年12月推出了LIC4000系列敞开式绝对式光栅尺,该系统运用MATALLUR刻线工艺的钢带尺;精度等级:5 um;最大产量长度:27040 mm;测量步距:10 nm;最大移动速度:480 m/min。其绝对式光栅尺LC183和LC483玻璃绝对式光栅尺有二个码道,绝对码道采用伪随机码,增量码道栅距为20 um,采用单场扫描技术提高光栅尺信号质量和抗污染能力,最大测量长度达到4240 mm,精度等级为3 um和5 um,分辨率达到0.005 um,运动速度达到180 m/min,加速度10 g,震动20 g,冲
15、击30 g,EnDat22双向数字接口传输绝对位置信息值12。(2) RENISHAW公司是专门从事高精度检测仪器与设备的制造企业,主要产品为非接触直线光栅及圆光栅测量系统,激光干涉仪,三座标测量机及数控机床用测头,球杆仪和模具扫描系统等。RENISHAW传统的光栅尺是镀金的钢带光栅,型号是RG20m和RG40m测量长度可达70 m,光栅尺的栅距有20 m和40 m两种,光栅尺的精度是任意1 m长度上为3 m。读数头中有内置细分电路,提供分辨率从10 m到10 nm的数字反馈信号以及12 A电流和1Vpp电压的模拟输出信号。最大测量速度600 m/min,分辩率10 nm时相应的速度为150
16、mm/s。2007年秋季RENISHAW推出RSLM不锈钢带光栅,栅距是20 m,速度12.5 m/s,最大长度为5 m,整体精度为4 m/m,可以选择背面自带1 m,的不干胶安装或用夹具进行安装,与过去的产品相比是在光栅尺上有参考零位,并在短行程时有距离编码13。(3)西班牙FAGOR公司是全球范围有影响的光栅尺、圆光栅编码器、数显表、数控系统和伺服驱动系统制造公司。FAGOR传统的封闭式玻璃光栅尺的栅距为20 m,最大测量长度3 m,准确度3 m和5 m,分辨率从5 m到0.1 m,最大速度120 m/min;封闭式金属反射式钢带尺栅距是40 m和100 m,准确度为5 m测量长度达到30
17、 m,最大速度达到120 m/min。光栅尺的输出信号有两种分别为TTL差动方波和1Vpp正、余弦电压信号。FAGOR的新产品还有敞开式钢带光栅尺是采用单场扫描,栅距为20 m,测量速度为8 m/s,抗震性达到20 g,准确度为5 m,分辨率可以达到纳米级,输出信号为TTL方波和1Vpp正弦波。2004年7月FAGOR推出了绝对式玻璃光栅尺,有增量和绝对两个码道,增量码道的栅距为20 m,分辨率0.1 um,最大测量长度3 m,准确度5 um、3 um,最大速度120 m/min。2009年4月FAGOR推出了封闭式L系列钢带绝对式光栅尺,栅距为40 m,测量分辨率到0.05 m,最大测量速度
18、120 m/min,其测量长度超过4040 mm,它可以通过USB接口与PC机连接14。1.1.3 国内光栅尺的现状我国制造光栅尺和光栅传感器的企业有数十家,年产值约8千万元,产光栅尺7万多根。但国产光栅尺档次不高,制造偏差一般为56 um/m。由于制造偏差较大,不能满足某些场合要求的高精度测量要求。不过,近年来中国光栅位移传感器在制造技术和工艺水平上都有提高,并推出了新的品种,开发了用于数控系统的反馈光栅尺和圆光栅编码器,正在向数控领域推进。光栅位移传感器及其数显表的销售量从2000年起,每年以30到50的速度递增,国内光栅尺主要的生产企业有广州诺信(信和)、怡信、长春光机、贵阳新豪、广东万
19、濠。国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3 m,准确度已达到15 um、10 um、5 um和3 um,分辨率为5 um、1 um和0.1 um,速度为60 m/min,主要应用于机床数显和测量仪器,用玻璃光栅尺接长的光栅尺可以做到30 m。(1)广州诺信(信和)生产的光栅尺市场的占有率和产品的质量都在国内行业中领先。它推出的KANC100系列反馈光栅尺能用于全闭环的数控系统,其主要技术指标:最大测量长度3 m,栅距20 m,精度5 m、3 m;分辨率从1 m达0.1 m;最大速度120 m/min/;加速度2 g;抗震动10 g。(2) 莱格钢带光栅尺展品是国内首先推出测量长度大于3 m的封
20、闭式钢带光栅尺,栅距为20 m,测量长度可以达30 m,最大测量速度60 m/min,分辨率为5、1、0.1 m,加速度1 g,震动20 g,冲击20 g,准确度分别为3 m/2 m、5 m/6 m、10 m/30 m15。(3)长春光机从第一支光栅传感器投放市场至今,已近五十万支产品在国民经济建设中发挥着作用,为我国机械冷加工行业的技术进步、对改善和提高装备制造业的水平做出了重要贡献,被中国机床工具工业协会誉为数显行业龙头企业。它推出的型封闭式光栅尺测量范围3000 mm以上,栅距0.02 mm、0.04 mm,精度10 um,分辨率0.005 mm、0.01 mm,响应速度60 m/min
21、, 输出信号TTL、 HTL、 RS-422。(4)2006年浙江大学信心工程学院的唐晖、叶险峰,中国计量学院信息工程学院的李向军,利用FPGA结合FLASHROM查表的方法,达到了对莫尔条纹的细分16。(5)2009年,安徽电子信息职业技术学院实验中心的方庆山,利用FPGA,结合VHDL硬件描述语言作为平台,实现了对莫尔条纹的细分17。1.1.4光栅尺的发展趋势随着数控技术和信息技术的发展,光栅传感器也向高精度、高速度、智能化和集成化迅速发展,并且特别注重产品的高质量、实用性和经济性。但是光栅尺分辨率越高,在制造工艺上难度很大,成本也很高,同时栅距越小,对光学系统和机械结构的要求也就越严格,
22、光栅的极限运动速度也会随之降低,因此光栅栅距不可能无限缩小18。但随着科学技术的发展,高精度计量及定位系统要求能精确地测定10.1um的直线量或“1-0.1 um”的角度量,有的甚至要求达到纳米级分辨率。由于光栅制造和使用条件的限制,单凭光栅本身来提高计量系统的分辨率有时比较难以实现,所以必须通过对莫尔条纹信号进行细分,以提高测量及定位系统的分辨率。光栅信号电子细分系统是在光栅测量中进一步提高测量精度的电子系统,作为光栅测量信号的后续数字处理系统能够进行多种测量数据的处理,如整波计数、方向辨别、波形细分等。目前光栅测量技术中应用的电子细分系统很多是集成在光栅尺的电子系统中,如英国RENISHA
23、W(雷尼绍)的RESR圆光栅尺。同时国内也有专门应用于光栅测量的光栅信号电子细分卡,比较有代表性的就是北京中科恒业中自技术有限公司的CA系列光栅细分数据采集卡。CA系列光栅细分数据采集卡是以中科院自动化所原IK系列采集卡为基础,经完善和改进形的系列光栅数据采集产品。该系列产品能广泛应用测量、控制领域。CA系列产品从计算机接口上分可分为ISA类和PCI类,按光栅信号分可分为正弦类(11APP或1VPP)和方波类(TTL或长线接收RS422),可配接各种主流光栅传感器,系列产品都采用硬件细分、硬件计数。随着电子技术的发展,细分电路可达到的分辨力越来越高,同时成本却不断降低,电路细分已经成为人们提高
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