（电路与系统专业论文）基于光栅微位移检测电路系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 光栅尺是现代精密测量领域中广泛应用的一种位移传感器，尤其是在直线位 移和角位移的测量中发挥着重要作用。光栅尺是基于莫尔条纹原理，其测量精度 正比于栅格密度，受光栅刻划工艺与光电转换器件体积等影响，光栅尺的分辨率 很难有大幅度的提升，所以采用细分技术是提高光栅尺测量精度的最佳途径。 本文在收集和分析近年来国内外光栅位移检测设备和f p g a 发展现状的研究 报告、学术论文等专业资料的基础上，对基于f p g a 光栅位移检测细分系统进行 深入探讨和研究。设计实现基于f p g a 的新型辨向，细分检测电路，在此基础上 实现光栅信号的八倍频检测细分：设计实现光栅信号检测的专用集成芯片。 关键字：光栅传感器；莫尔条纹；辨向和细分；f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg r a t i n gr u l e ri sw i d e l yu s e di nt h em o d e mp r e c i s i o nm e a s u r e m e n tf i e l d ， e s p e c i a l l yi nt h em e a s u r e m e n to fl i n e a r i t yf i e l da n da n g l ef i e l d ，w h i c hh a sp l a y e dav e r y i m p o r t a n tr o l e g r a t i n gs e n s o ri s b a s e do nm o l es t r i p ，l i m i t e db yt h es c r a t c h i n g t e c h n o l o g ya n dv o l u m eo fo p t i c a la n de l e c t r i cs w i t c h i n ge q u i p m e n t s ，t h em e a s u r i n g p r e c i s i o ni sn o th a v eal a r g ei m p r o v e m e n t s ou s i n gs u b d i v i d e st og e tap r e c i s i o n m e a s u r e m e n ti dag o o dc h o i c e o nt h eb a s i so fm a n yc o l l e c t i o na n da n a l y s i so fr e p o r t sa n da r t i c l e sr e l a t e dt o g r a t i n gd i s p l a c e m e n td e t e c t i o ne q u i p m e n ta n df p g a - r e l a t e d ，t h ef p g aa n dd e t e c t i o n s u b d i v i d e ss y s t e mo fg r a t i n gd i s p l a c e m e n tb a s e do nf p g aa l ed e e p l yd i s c u s s e d d e s i g n e dn e ws t y l ed i r e c t i o nr e c o g n i z i n ga n ds u b d i v i s i o na n dd e t e c t e dc i r c u i tb a s e do n f p g a ，a n da c h i e v e de i g h tt i m e sf r e q u e n c yd e t e c t i o n a n da c h i e v e da p p l i c a t i o n - s p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i tc h i po fg r a t i n gs i g n a ld e t e c t i o n k e yw o r d ：g r a t i n gs e n s o r ，m o i r 6f r i n g e ，d i r e c t i o nr e c o g n i z i n ga n ds u b d i v i s i o n ，f p g a i i 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕴堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：船氏 签字日期： 物年咖心日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：韶足 别中 签字日期：2 矽年汐莎月 既目 签字日期： 舻形月妒 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：阳毛6 q 缸 怕 邮编： 第1 章绪论 1 1 光栅检测概述 第1 章绪论 自上世纪七十年代以来，各国科研机构开始致力于发展精密位置检测，研究 开发新一代检测元件和计量技术。精密位置检测技术同样是我国重点发展和推广 的新型技术，多年来在航空航天及船舶工业、生物医学与健康工程、化学传感、 地震力学研究、微电子加工以及精密机械仪器等领域均得到广泛应用。位置检测 主要是指长度和角度的测量技术，随着近代科学技术的发展尤其是电子技术的迅 速崛起，对测量提出高精度、大量程、动态化和数字化等新要求。光栅测量是位 置检测的一种，是利用光栅作为位移传感器，通过对莫尔条纹计数，来实现位置 检测的技术u 】。 目前已经获得公认并且被广泛应用的位置检测技术主要有计量光栅、感应同 步器、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅和激光等，其中感应同步器、计量光栅、磁 栅、容栅、球栅、光纤光栅统称为栅式测量系纠2 1 ，这些测量方式都是采用将一个 栅距周期内的距离绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像 激光那样的使用光波波长，而是使用国际标准的米制( 或英尺制) 标尺。它们具 有各自特有的优势，相互补充，在竞争中都得到发展。随着光栅的刻制技术的发 展和计算机技术的巨大进步，以及光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，使光栅检 测技术在近二、三十年间得到迅猛的发展【3 j 。目前使用光栅技术进行长度和角度测 量的传感器在计量和控制领域中已经得到推广。光栅测量系统以其性能优良、可 靠性好、精度高、使用方便等诸多优点，逐渐在栅式测量系统中凸显，而且制造 成本又比感应同步器、磁栅、球栅低。因此光栅测量技术发展的最快、技术指标 最优良、市场占有份额最多。现在光栅测量在栅式测量系统中的占有率已经超过 8 0 ，并且光栅长度测量系统的分辨率己覆盖微米级、亚微米级和纳米级等高精密 等级【4 1 。 黑龙江大学硕士学位论文 1 2 光栅检测技术发展研究现状 计量光栅技术的基础是莫尔条纹( m o i r ef r i n g e s ) ，这种检测方法是在18 7 4 年 由英国物理学家l r a y l e i g h 首先提出，但是直到2 0 世纪5 0 年代才开始利用莫尔 条纹进行精密测量1 5 j 。1 9 5 0 年德国海德汉因( h e i d e n h a n i ) 公司首创d i a d u r 复 制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，通过这种方式制造出高精度 且价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受并进入商品市场。1 9 5 3 年 英国f e r r a n t i 公司提出了一个四相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现光栅信 号的四倍频细分并且能够鉴别移动方向，这就是四倍频鉴相技术，一直广泛应用 丕瓜【6 1 土_ 7o 在二十世纪七十年代初期伴随光刻、复制技术和微电子技术的迅速发展，光 栅测量系统生产制造节省大量成本，同时可靠性增强，测量长度和精度得到迅速 提高。因此国外在七十年代光栅测量系统就用于数显和数控机床等相关工业，从 最初占机床测量系统的1 0 占有率发展到今天已扩增到8 0 【7 】。同样以德国的海 德汉因公司为例，其技术、品质和产量都领先于其他公司。其产品主要利用可编 程器件p l c 将电路集成在控制系统之上。该公司产品最高细分倍数可达1 0 2 4 倍， 分辨率为0 1 1m 、1 m 、5 1m 、1 0 口m 。该公司新型研制的产品n d 7 0 0 ，对于5 0 l m m 的光栅，误差范围为士1 0 um ，分辨率可达o 1 1 m 、1 m 、1 0 t m ，该系列产品 具有刀具长度补偿、收缩补偿、线性和非线性补偿功能，并具备可编程功能使操 作者更加方便的完成位置检测功能【8 】。 计量光栅发展四十多年来从初期主要应用于机床工业，到目前其应用领域迅 速扩展到科学技术和工程的各个方面。如：仪器仪表、位移变送器、齿轮测试和 误差补偿、振动测量、压力测量、x 射线衍射样品采样控制以及微电子加工等高科 技领域 9 1 。同时，先进制造技术的迅猛发展对产品检测技术和检测手段提出了更高 的要求，在线、动态、数控、自动化、综合参数测量已不可避免，新型传感器的 应用等都极大地推动了检测技术的发展和进步【l o 】。 第1 章绪论 1 3 课题研究目的与意义 近年来随着微电子、超精加工等现代工业技术的快速发展，目前对精密位移 测量的要求越来越高。在这些领域要实现量程上百毫米、纳米级分辨率的位移测 量，只有部分激光干涉类和光栅类位移测量仪器可以胜任。但激光干涉仪对环境 条件的要求苛刻，致使应用受限。而光栅式测长仪器虽已有成型产品，但主要来 自国外公司，如德国的海德汉因公司，英国的雷力绍( r e n s i h a w ) 公司等，这些产 品不但价格不菲，部分高精度的产品对中国地区的销售存在着诸多限制l 。我国 对于光栅测量技术的研究水平与国际先进水平仍存在一定的差距，因此以较为经 济的方式通过光栅式位移检测系统实现微位移高精度测量，对打破大量程高 精度光栅位移测量领域由国外产品垄断的局面，对于推动我国的精密测量技术、 精密加工技术的发展具有普遍意义。 光栅测量技术是光栅盘上黑白刻线的相对移动，会产生光强度周期性的变化， 此光信号经光电转换成为周期性的电信号，对此电信号进行一系列处理，即可获 得光栅相对移动的位移量【1 2 1 。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。但高分辨率、高精度功能强大的光栅尺一般造价 高昂，制造困难，不能从实际上满足国民生产生活的需要。例如，我国“九五 重点科技攻关项目中超精度纳米车床上的实时测量和反馈控制系统，对实时光栅 的纳米测量有很高的要求，并且很难找到一种细分技术同时具有高速度高频响和 具有较高细分倍数【l 引。 随着现代电子技术的发展，对电子仪器的精度要求越来越高。信号细分系统 是对被测信号进行插值来提高仪器分辨率的电路，广泛应用在各种电子机械领域 中。本课题将光栅传感器所采集的信号进行八倍频处理，并且实现信号的辨向， 从而把细分技术应用到要求精度较高系统中，来实现对高精度要求的位移和位置 的测量与控制。因此，从制造成本和加工工艺角度出发，使用细分的手段来提高 光栅测量的精度，对其细分系统的研究也将直接推动我国光栅测量技术发展水平 的提高。 黑龙江大学硕士学位论文 1 4 本文研究内容 本文围绕光栅位移传感器的工作原理，光栅传感器莫尔条纹信号细分、辨向 和计数的原理和实施方案进行深入学习，研究以下内容： ( 1 ) 探索一种新型辨向，倍频细分方案； ( 2 ) 实现光栅信号八倍频细分； ( 3 ) 基于f p g a 芯片实现不同光栅信号检测，处理，显示的片上系统设计； ( 4 ) 构建光栅检测电路实体； 第2 章光栅位移传感器 2 1 光栅简介 第2 章光栅位移传感器 在玻璃尺或玻璃盘上紧密刻划类似于刻度标尺或度盘那样1 0 - - 2 0 r a m 的长刻 线，没有刻划的地方透光，光刻划画处不透光，便得到黑白相间间隔细小的条纹， 这就是光栅【1 4 1 。 2 2 光栅式传感器的特点 光栅式传感器凭借其优良特性被广泛使用在几何量测量领域。凡是涉及直线 位移或角位移的测量，通常使用光栅式传感器，如三坐标测量机、分度头和一些 位移量同步比较的动态测量仪器【1 5 1 。 光栅式传感器与其他类型位移传感器相比，具有以下优点【1 6 】： ( 1 ) 直接输出数字量。原始输出信号是脉冲信号，很容易与数字电路相匹配， 免去模拟量传感器的输出量必须经过抽样、保持、量化、编码的模数转化过程。 ( 2 ) 高精度，低成本。由于光栅刻制技术及电子细分技术的发展，以及莫尔条 纹对光栅栅距具有局部消差的作用，光栅式传感测量的精度可以达到很高。对于 大量程的长度测量来说，其精度仅次于激光式测量，但激光式测长装置技术难度 大，成本高。 ( 3 ) 兼有高分辨率、大量程两个特性。一般传感器很难在大量程和高分辨率兼 顾，这是光栅在测量中的一个显著优点。 ( 4 ) 长期稳定性高。光栅式传感器采用非接触式测量方式，因此避免使用过程 中的机械磨损，进而保持光栅尺的使用寿命。 ( 5 ) 较强的抗干扰能力。因为光栅式传感器的输出是数字量，具有较高的信号 幅度，因此对于弱信号的抗干扰能力很强。 ( 6 ) 具有较高的测量速度。 ( 7 ) 利于集成化。利用现代加工工艺实现便携的结构形式，从而给应用带来很 5 黑龙江大学硕士学位论文 大的方便。 ( 8 ) 光栅测量系统具有误差平均效应，对光栅的小周期误差不敏感。 总之，光栅传感器具有其他检测器件无法比拟的优越性，有着广泛的应用前 景和再次开发潜力。 2 3 光栅式传感器的工作原理 光栅上的刻线称为栅线，如图2 1 所示，栅线的宽度为a ，缝隙宽度为b ，通 常情况下设定a = b ，而口+ 6 = 职w 称为光栅的栅距( 也称光栅常数或光栅的节距) ， 它是光栅式传感器的重要参数之一。光栅式传感器的基本工作原理是利用一对计 量光栅，其中一块是固定的，而另一块是运动的。当有光通过两者并且两块计量 光栅之间发生相对运动时，能够产生相当于干涉仪中得到的条纹信号，即所谓的 莫尔条纹信号1 7 1 。现代计量光栅常采用4 - 2 5 0 l m m ，彼此移动一条刻槽就移动一条 莫尔条纹，条纹宽度不受波长影响，并且条纹较宽可进行内插，由于误差平均效 应，因而可以获得很高的精度。 2 4 光栅计量种类 图2 - 1 光栅示意图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i co f g r a t i n g 在几何量精密测量领域内，光栅按其用途分为物理光栅和计量光栅两类。 ( 1 ) 物理光栅：光栅刻线密度在1 0 0 0 1 m m 以上，主要应用光的衍射作用，进 行光谱分析、波长测量等。 ( 2 ) 计量光栅：光栅刻线较稀，应用莫尔现象，进行长度、角度、加速度等物 第2 罩光栅位移传惑器 i i i i 理量的测量。 在几何量精密测量领域内，光栅按其外形可分为：长光栅、圆光栅0 1 8 】。 ( 1 ) 长光栅 刻划在玻璃尺或金属尺上的光栅称为长光栅( 也称为光栅尺) ，用于测量长度 或直线位移。长光栅栅线的疏密( 即栅距w 的大小) 常用每毫米长度内的栅线数( 即 栅线密度) 表示。例如w = o 0 0 5 m m ，其栅线密度为2 0 0 l m m 。根据栅线类型的不同， 长光栅分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是计量光栅中最普遍的一种，是只对 入射光波的振幅或光强进行调制的光栅( 也称为振幅光栅) 。闪耀光栅是对入射光 波的相位进行调制( 也称为相位光栅) 。黑白光栅的栅线密度一般为2 0 1 2 5 l m m ， 闪耀光栅的栅线密度常在6 0 0l m m 以上。 ( 2 ) 圆光栅 刻划在玻璃盘或金属盘上的光栅称为圆光栅( 也称光栅盘) ，用于测量角度或角 位移。 2 5 莫尔条纹 几百年前，法国的丝绸工人发现，两块薄绸子叠合在一起，上下两层绸子的 经纬线交错，在阳光照射下会产生绚丽的花纹，当薄绸子相对移动时，花纹也随 着晃动、变化，这种花纹状似水波法文称为m o 矾，中文译为“莫尔”i l g 。莫尔 现象在日常生活中到处都能见到，例如，阳光照射在雨层窗纱上，地面上投下一 片明暗相间的花纹彩带，这就是一种莫尔条纹。早期莫尔条纹应用仅仅局限于装 饰方面。随着科学校术的迅速发展，莫尔条纹现象作为一种精确的检测手段，逐 步应用于测试技术之中。 长光栅的莫尔条纹分析： 将两块光栅重叠在一起并使二者栅线交成很小的夹角，就可以得到莫尔条纹 图案如图2 2 所示。如果两块长光栅叠合，光栅栅线皆为平行排列的直线，则黑条 纹是由一系列的交叉线构成的不透光部分，而白条纹是由系列的四棱形构成透 黑龙江大学硕士学位论文 光部分。 长光栅的莫尔条纹的形式通常分为：横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹和斜向莫 尔条纹【2 0 1 。 两块光栅的栅距各为和，如果= w z = w ，二者叠合时栅线交角矽较小， 则形成横向莫尔条纹。 两块光栅的栅距孵和赐很接近，但不相等。二者叠合并保持栅线彼此平行， 即交角0 = 0 ，则形成同栅线平行的条纹，称之为纵向莫尔条纹。 两块构成纵向莫尔条纹的光栅。若其中一块转动一很小的夹角，即0 4 0 。则 构成斜向莫尔条纹。 本文重点针对横向莫尔条纹进行研究。 图2 - 2 摩尔条纹 f i g u r e2 - 2m o i r 6f r i n g e 2 5 1 莫尔条纹长度测量原理 从莫尔条纹的定义中分析已经可以得出传统莫尔条纹测长方式，若两条光栅 以一小夹角互相重叠，就形成莫尔条纹。当长光栅固定，指示光栅相对移动一个 节距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下，指示光栅与工作台固定在一起， 工作台前后移动的距离由指示光栅和主光栅形成的莫尔条纹进行计数得到。指示 光栅相对于长光栅移过一个节距，莫尔条纹变化一个周期。工作台移动进行长度 第2 章光栅位移传感器 测量时，指示光栅移动的距离x 见式( 2 1 ) 【2 1 l ： x = n w + 6( 2 1 ) 式中形是光栅常数；是指示光栅移动距离中包含的光栅线对数；万是指示 光栅移动距离中不足一个周期部分。 在莫尔条纹测长系统中，最普遍的方式是对指示光栅移过的光栅线对数进 行直接计数。 2 5 2 莫尔条纹的重要性 莫尔条纹的与其他类型光栅式传感器相比，具有以下特性f 2 2 】： ( 1 ) 莫尔条纹运动与光栅运动的对应关系 当光栅对中任一光栅沿着垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就沿着近似垂直 于光栅的移动方向运动。当移过一个栅距时，莫尔条纹就移过一个条纹间隔；光 栅改变移动方向时，莫尔条纹也随着改变方向。两者运动关系是对应的，因此可 以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向来判定主光栅( 或指示光栅) 的位移量和 位移的方向。 ( 2 ) 莫尔条纹的位移放大作用 在光栅对中，由于0 角很小，若两光栅的光栅常数相等( 即光栅栅距聊，根据 几何光学理论可以推出各条纹的间距b - - w 0 ，明显看出，莫尔条纹有放大作用， 莫尔条纹的放大倍数k = b w = i 口。通常情况0 角都取很小值，范围在0 1 0 o 5 。， 因此k 值很大。由于莫尔条纹具有如此大的位移放大作用，因此广泛地用来实现 高灵敏度的位移测量。由于莫尔条纹间隔调节空间很大，因此直接为诸多细分法 提供了客观的可能性。 ( 3 ) 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用 莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成。如果光栅栅距有误差，则各交点的边 线将不是直线，而通过指示光栅的整个刻线区域由光电元件接收到的是这个区域 中所包含的所有刻线的综合结果，这个综合结果对各栅距误差起了平均作用。 黑龙江大学硕士学位论文 2 5 3 莫尔条纹细分技术 目前国内外在长度计量领域内所用的黑白光栅线数一般为2 0 1 2 5 l m m ，但 是使用光栅系统测长的分辨率往往要求达到f l m 级甚至更高。由于光栅刻制工艺上 的限制，大量程光栅测长系统所用的长光栅线数的分辨率很难再有大的提高，仅 靠光栅栅距本身的分辨率己难于满足精密测量的要求【2 3 1 。而且光栅线数密度越大， 制造工艺要求越高，光栅的价格也就越高，因此必须采用莫尔条纹的细分技术来 提高光栅式位移测量系统的分辨率，使低线数的光栅在较高精度的测量的领域提 供了有利支持。人们对此己做了几十年的研究，积累了许多经验，曾经使用过的 电子细分方法有几十种之多，还有计算机程序细分。下面根据细分原理和实现方 法两个方面对其进行简要说明。 2 5 4 莫尔条纹细分方法分类 目前莫尔条纹细分法主要有以下几种： ( 1 ) 机电细分算法 光 栅 信 号 l 苎奎卜一 自 辅 整 助 臣卜 角 圆 光 机 栅 u a m u b m 图2 - 3 机电细分不恿图 f i g u r e2 - 3m e c h a t r o n i c se l e c t r i c a ls u b d i v i s i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 机电细分法总体框图如图2 3 所示【2 4 】，通过将光栅尺输出相位差为9 0 。的原 始电信号阮、，经过功率放大器放大后，加到一台自整角机上，再由自整角机 直接带动一个圆的辅助光栅尺旋转。在这种情况下，光栅尺移过一个栅距，其输 出电信号、，变化一个信号周期，使自整角机转过3 6 0 。，辅助圆光栅旋转 第2 章光栅位移传感器 i ! 一周。如果光栅尺的刻线数为l o o l m m ，即栅距为1 0 m ，如圆辅助光栅在圆周 刻有1 0 0 线，即旋转一周输出1 0 0 个周期的信号，则辅助圆光栅的脉冲当量为1 0 m 1 0 0 = 0 1 m ，达到了很高的分辨率。 缺点：机械结构复杂，开发成本高。 ( 2 ) 电阻链细分法 图2 4 电阻链细分示慈图 f i g u r e2 - 4r e s i s t o rc h a i ns u b d i v i s i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 这种方法的实质是利用电阻衰减进而实现细分，这种方法和机电细分方法均 要求光栅尺输出的信号沈、是没有整形的正弦波信号。电阻链细分的电路如图 2 4 所示【2 5 ，2 6 1 ，将光栅尺输出相位差9 0 。的电信号u a = u r n * s i n 秒和u a = u r n * c 0 5 伊按具体要求放大，然后将此信号通过由r i - r 6 电阻构成的分压限1 r 6 为等值 电阻) 电路，在每条分压支路上触发过零比较电路，过零比较器的输出端得到相位 差3 0 。的脉冲信号( 过零比较电路由电压比较器，单稳电路等组成) ，即得到6 倍频 的信号，如果光栅尺的栅距为4 m ，经过6 倍频细分后脉冲当量4 6 i fc l f 1t h e na d d = 0 ；m i n u s = 0 ； e l s i f a = ”10 0 0 ”t h e n a d d = 0 ；m i n u s i f a = ”1 1 0 0 ”t h e n a d d = 0 ；m i n u s = 1 ； e l s i f a = ”0 0 0 0 ”t h e n a d d = 1 ；m i n u s i f a = ”11 1 0 ”t h e n a d d = 0 ；m i n u s = 1 ； e l s i f ab u f f l = ”10 0 0 ”t h e n a d d = 1 ；m i n u s = 0 ； e n di f ； w h e n ”1 1 1 0 ”= i f a = ”1 1 1 1 ”t h e n a d d = 0 ；m i n u s = 1 ； e l s i f a b u f f l = ”110 0 ”t h e n a d d = 1 ；m i n u s i f a = ”0 1 1 l ”t h e n a d d = 一0 ；m i n u s _ t 1 ； e l s i f a = ”11 1 0 ”t h e n 3 7 黑龙江大学硕士学位论文 a d d = 1 ；m i n u s i f a = ”0 0 1 1 ”t h e n a d d = 0 ；m i n u s = 1 ； e l s i f a = ”1 11 1 ”t h e n a d d = 1 ；m i n u s i f a = ”0 0 01 ”t h e n a d d = 川0 ；m i n u s = 1 ； e l s i f a = ”0 1 11 ”t h e n a d d = 1 ； m i n l l s i f a = ”0 0 0 0 ”t h e n a d d = 1 ； m i n u s = 0 ； e l s i f a = ”0 11 l ”t h e n a d d = 川0 ；m i n u s = 1 ； e n d i e n dc a s e ； 微分电路程序核心代码如下，生成的电路r t l 级视图如图4 - 7 所示。 b _ _ b u f f l ( 0 ) 芦入) u f f l ( o ) x o ra ( 0 ) ； b _ b u f f l ( 1 ) 专a _ 6 h f f l ( 1 ) x o r a ( 1 ) ； b _ b u f f l ( 2 ) = a _ b u f f l ( 2 ) x o ra ( 2 ) ； b _ b u f f l ( 3 ) ；k ) u f f l ( 3 ) x o ra ( 3 ) ； i fc l l ( 2 t e v e n ta n dc l l ( 2 = 1 t h e n c l r = 1t h e n b b u f f o u t = ”0 0 0 0 ”；e n di f ； b _ b u f f _ o u t ( o ) - b _ _ b u f f l ( o ) a n d n o tbb u f f 2 ( o ) ； - 3 8 第4 章s o p c 设计 b _ b u f f _ o u t ( 1 ) = b _ b u mo ) a n dn o tb _ b u f f 2 0 ) ； b _ b u f f _ o u t ( 2 ) = b _ b u f f l ( 2 ) a n dn o tb _ b u f f 2 ( 2 ) ； b _ b u f f _ o u t ( 3 ) = b j u f f l ( 3 ) a n dn o tb _ b u f f 2 ( 3 ) ； e n di 图4 - 7 辨向及细分电路r t l 级视图 f i g u r e4 - 7t h ed i a g r a mo fd i r e c t i o nr e c o g n i z i n ga n ds u b d i v i s i o nc i r c u i ti nr t l - l e v e l 本模块仿真结果如图4 8 所示： ( 1 ) c l k 2 是电路时钟输入端，负责输入寄存器，输出寄存器( 微分电路) 的触 发设定为5 0 m h z ：c l k 也是电路时钟信号输入端，负责为m e a l y 型状态机提供工作 时钟，它决定系统的检测速度设定；c l r 是复位信号，低电平有效；劬是模拟光 栅移动方向控制端。彳邝一凹是四路光栅输入信号；即u f f _ o u t 3 凹是检测八倍频 细分输出信号；a d d ，m i n u s 是检测辨向的输出信号。 ( 2 ) 系统复位信号c l r 有效时，系统实现数据初始化；系统进行检测工作时， 复位信号c l r 无效，在每个c l k 的上升沿检验光栅输入信号，在每次a o ，a 1 ，a 2 ， 黑龙江大学硕士学位论文 a 3 之间发生变化时产生光栅信号的八倍频计数器触发信号，即在召j u f f _ o u t0 ， 置乡u f f _ o u t l ，疋6 u f f _ o u t 2 ，b _ b u f f _ o u t 3 端输出有效时间是一个e l k 2 周期的脉冲宽 度，同时根据a o ，a 1 ，彳2 ，a 3 的相位关系，输出计数器的加减控制信号a d d ，m i n u s 。 c l 眨 d k e a r h y m 0 ) “1 1 【2 】 【3 】 n s _ l n f f f _ _ o n t 0 】 b _ b 证f 一t 【l 】 b j u f f - o l t 2 】 b j 证f - “t 【3 】 图4 - 8 辨向及细分电路仿真图 f i g u r e4 - 8s i m u l a t i o nd i a g r a mo fd i r e c t i o nr e c o g n i z i n ga n ds u b d i v i s i o nc i r c u i t 4 2 2 计数器电路 光栅计数器电路要实现一个带有时钟信号同步的，多路使能触发的可逆十六 位计数器。电路需要在保持系统时钟同步的前提下，根据加减控制信号a d d _ f l a g ， m i n u s _ f l a g 实现计数器计数方向的控制。例如，如果口d d _ f l a g 为有效状态( 高电平) ， 计数器将作加法操作，如果m i n u s _ f l a g 为有效状态( 高电平) ，计数器将作减法操 作。同时计数器具体完成一次计数，将根据使能端t a r g e r l ，t a r g e r o 的脉冲信号指 示完成，计数器电路流程图如图4 9 所示，完成的程序核心代码如下，生成的电路 r t l 级视图如图4 1 0 所示。 i fc l k e v e n ta n dc l k = 1 t h e n i fc l r = 1 t h e nc o u n t e r = ”o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”； e l s i fa d d _ f l a g = l a n dm i n u s _ f l a g = 0 。t h e n i f t a g e r ( 0 ) = 1 0 1 t a g e r ( 1 ) = l o rt a g e r ( 2 ) = l 0 1 t a g e r ( 3 ) = 1 t h e n c o u n t e r = e o u n t e r + 1 ； e n d i f ； 第4 章$ o p c 设计 e l s i fa d d n a g = 一0a n dm i n u s _ f l a g = 1t h e n i ft a g e r ( o ) - 1 o r t a g e r ( 1 ) _ 1 o rt a g e r ( 2 ) = 1 o rt a g e r ( 3 户1t h e n e o u n t e r = c o u n t e r - 1 ； e n d i f ； e n di f ； e n di f ； y 图4 - 9 计数器电路流程图 f i g u r e4 - 9f l o wd i a g r a mo fc o u n t e rc i r c u i t 本模块仿真结果如图4 1 1 所示： ( 1 ) c l k 负责计数器电路与倍频细分电路的时序同步，它同样决定系统的检测速 度；c l r 是复位输入信号，低平有效； a d d _ f l a g ，m i n u s _ f l a g 是加减控制信号的输 入端；t a r g e r 3 们是四路光栅八倍频细分输入信号；c o u n t e r o u t 是计数器结果的 输出信号。 ( 2 ) 电路正常工作，即电路复位信号c r 无效时，在每个时钟信号c l k 的上升沿 检验使能端口t a r g e r 3 凹状态，并根据具体a d d _ f l a g ，m i n u s _ f l a g 标志信号实现计 黑龙江大学硕士学位论文 数器的操作，计数的结果在c o u n l e ro u t 端口输出。 一b黟 k 孓 _ 叶伊捌 夥夥 掣j 斧鞑 i 一 i ”。杪越 ”蒜斗”l i l ， 一 m 书 j e 护 雹卜彦 口目一 圄 图4 1 0 计数器电路r t l 级视图 f i g u r e4 - 10v i e wo fc o u n t e rc i r c u i ti nr t l - l e v e l 髂町神乜t 7 l 珥s 叼q ，5 萼蕾s 可奄5 呷v ：46 ，a tt t $ ， & 畸6 旮5 叫 厂 厂ll l jl jl _ jl u ：l jl jl jl jl j l jl jl j ； ：，； i nn：nn ： nn 几n ： 几几 一几 ：几 n nn 盟坦x 鲤! ! 天塑兰兰x 塑! ! x螋! ! x 鲤堡x 堕! 垒x 螋! x 鲤! ! x 婴! 兰x 塑! 兰x 堕! ! x 堕! 壁x 塑! x 鲤坚理四 图4 1 1 计数器电路仿真图 f i g u r e4 - 1 1s i m u l a t i o nd i a g r a mo fc o u n t e rc i r c u i t 4 2 3 计数器符号确定电路 计数器符号确定电路，是将计数器结果( 无符号整数) 转化为有符号类数据， 即在零位光栅处实现计数器的正向和反相计数。例如使用v h d l 语言设计完成的 十六位计数器【5 1 1 ，在计数器的寄存器状态为0 时再次执行减操作，计数器内寄存 器的状态将是1 0 2 3 。为改善此项功能，电路首先定义一个临时变量并设初值为1 ， 输入信号c o u n t e ri n 如果是0 ，当光栅反向运动( 计数器减操作) ，符号临时变量 赋值为0 ，此时将计数器将用1 0 2 4 c o u n t e ri n 作为结果( c o u n t e ro u t ) 输出1 ，输出 符号位d i s p有效：随后当光栅正向运动( 计数器加操作) ，虽然移动方向 q 哺k且眦锄蚴啪虬 葚等暑若一 第4 章s o p c 设计 是正向但在没有回到零位之前，即临时变量仍为o ，电路同样以1 0 2 4 一c o u n t e ri n 形式输( c o u n t e ro u t ) ；光栅继续正向移动过零位以后，临时变量置l ，电路直接 将c o u n t e r i n 作为输出，输出符号位d i s p _ n e g i t i v e 无效，计数器符号确定电路流程 如图4 1 2 所示，设计完成的程序核心代码如下，生成的电路r t l 级视图如图4 1 3 所示。 y 图4 1 2 符号确定电路流程图 f i g u r e4 1 2f l o wd i a g r a mo f s y m b o ld e t e r m i n e dc i r c u i t i f i c u d n t e v e n ta n dc l k i n = 1 ) t h e n i fp o s i t i v e _ n e t i g i v e _ f l a g = l t h e n i fc o u n t e r = ”0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”a n dm i n u s _ f l a g = l t h e n p o s i t i v e _ n e t i g i v e _ f l a g ：= o ； e l s i f c o u n t e r = ”1 11 1l l l l1 11 11 lll ”a n d a d d _ n a g = l t h e n 4 3 黑龙江大学硕士学位论文 p o s i t i v e _ n e t i g i v e _ f l a g ：= 1 ； e n di i f ( p o s i t i v e _ n e t i g i v e _ f l a g 一1 ) t h e n c o u n t e r o u t = c o u n t e r ；d i s p _ n e g i t i v e - 1 ； e l s i f ( p o s i t i v e n e t i g i v e _ f l a g = o ) t h e n c o u n t e r o u t = 2 5 6 - c o u n t e r ；d i s p _ n e g i t i v e d a t a o u t e n d = ”10 0 0 0 0 0 ”； w h e n ”0 0 0 1 ”= d a t ao u te n d d a t ao u te n d d a t a o u t e n d d a t a o u t e n d d a t a o u t e n d d a t a o u t e n d d a t a o u t e n d n u l l ； 黑龙江大学硕士学位论文 e n dc a s e ； y 0 0 0。1 l l 图4 - 1 8l e d 驱动电路流程图 f i g u r e4 1 8f l o wd i a g r a mo f l e dd r i v e rc i r c u i t 显示输出位码与段码程序如下，生成的电路r t l 级视图如图4 1 9 所示。 c a s ec l k c m ( 17d o w n t o1