摘要：提出一種基于FPGA技術(shù)的時柵傳感器信息處理系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)通過在單片F(xiàn)PGA上基于NmsⅡ軟核實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的構(gòu)建。經(jīng)過對時柵傳感囂樣機(jī)的測試，完成了利用高頻脈沖插補(bǔ)感應(yīng)信號和參考信號之間相位檢測，實(shí)現(xiàn)了高精度、高分辨力測量角位移量。
時柵位移傳感器是基于時空轉(zhuǎn)換思想研制的一種測量位新型傳感器”’，是面向制造業(yè)和國防工業(yè)的精密加工、精試等“高、精、尖”重大裝備和重要關(guān)鍵技術(shù)。時柵傳感器傳統(tǒng)光柵等柵式傳感器的刻線工藝，利用高頻脈沖插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度位移測量。而檢測時柵信息的傳件電路設(shè)計(jì)方法開發(fā)周期長、難調(diào)試，加大了開發(fā)成本，限精度的提高。
為達(dá)到高精度、高分辨力測量位移效果，研究了基于SOPC：■信號處理系統(tǒng)。SOP(：技術(shù)主要是指面向單片系統(tǒng)專用咆路設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)全程包括電路系統(tǒng)描述、硬升、仿真測試、綜合、調(diào)試、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，至整個系統(tǒng)的完I由計(jì)算機(jī)進(jìn)行“J。SOPC的設(shè)計(jì)是以IP(Intelleetual proper-n)為基礎(chǔ)，以硬件描述語言為主要設(shè)計(jì)手段，借助于以計(jì)-為平臺的EDA工具進(jìn)行的。
1時柵移傳感器
時柵利用特定的精密正交激勵電源，在轉(zhuǎn)子的正弦繞組和余弦繞組分別施加頻率相同、幅值相同、相位互差90。的交流勵上、下兩層駐波磁場。這兩個駐波磁場分別在定子繞組感應(yīng)出駐波電勢并合成為時間電勢行波”0。將這個電信號與激勵電源的參考電信號同時輸入時柵信號處理電路進(jìn)行處理，得到反映轉(zhuǎn)子角位移的時間差。將時問差與時空轉(zhuǎn)換因子相乘得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角位移，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，并經(jīng)顯示電路顯
示。
2時柵位移傳感器信號的預(yù)處理
信號預(yù)處理模塊主要包括前置放大電路、濾波電路和波形轉(zhuǎn)換電路。前置放大電路將感應(yīng)電信號放大，避免信號在傳輸過程中受到干擾。濾波電路濾除干擾信號，使信號純凈。波形轉(zhuǎn)換電路將正弦信號轉(zhuǎn)換成便于時間測量的方波。
2．1前置放大電路
時柵傳感器的定子繞組感應(yīng)的電信號一般在幾十mV，而溫度的變化造成元器件參數(shù)發(fā)生變化，包括電源的波動、電阻、電容、電感等阻抗的變化等，這些都將造成電壓、電流的漂移。因此采用AD707組成高穩(wěn)定度、高精度儀表放大器對感應(yīng)信號放大。
2．2濾波電路
根據(jù)試驗(yàn)可知，信號放大后仍存在高頻干擾成分，因此采用低通濾波器濾除信號中的高頻成分。感應(yīng)信號的頻率與激勵源的信號頻率相同．濾波器的截l止頻率由相應(yīng)電容電阻設(shè)置。
2．3信號變換電路
時柵通過檢測2路信號正向過零點(diǎn)時問差來實(shí)現(xiàn)對空間角位移的測量，為實(shí)現(xiàn)高頻脈沖插補(bǔ)便于計(jì)數(shù)以提高測量精度和分辨率”’。需將經(jīng)過非線性放大得到的梯形波輸入過零檢測器ZCD(zem Chasing Detector)整形成方波，再經(jīng)光電隔離后送人數(shù)字電路處理。
3基于SOPC的信號鑒相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
FPGA芯片選用Cy(：lone系列器件。其中CPlJ選用NiosⅡ軟核處理器開發(fā)，硬件平臺關(guān)鍵模塊采用EDA軟件Ou叫usIIV9．O完成設(shè)計(jì)，采用VHDL和原理圖輸入相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，后通過USB Blaster下載電纜對FPGA進(jìn)行在線編程。
3．1 NiosⅡ嵌入式Avalon總線
NiosⅡ軟核處理器具有可定制特性、系統(tǒng)性能可配置性和延長產(chǎn)品生存周期等特性。其中Avalon總線可多路數(shù)據(jù)同時處理，實(shí)現(xiàn)無與倫比的系統(tǒng)吞吐量，很大程度提高了系統(tǒng)性能”’。Avalon總線是一種用于連接NIOS處理器與片內(nèi)、片外外設(shè)的總線結(jié)構(gòu)，Avalon總線本身是一個數(shù)字邏輯系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)“信號線匯接”這一傳統(tǒng)總線功能的同時，增加了許多內(nèi)部功能模塊，如：從端仲裁模式、多主端工作方式、延時數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/P>
Avalon總線架構(gòu)采用交換式架構(gòu)，各個主機(jī)均有獨(dú)立的總線，總線主機(jī)只需搶占共享從機(jī)，而不是搶占總線，某一時刻可以多個主機(jī)與多個從機(jī)交換數(shù)據(jù)。Avalon總線在SOPC Builder中添加外設(shè)后會自動生成，并且會隨著外設(shè)的添加和刪減而自動調(diào)整，終的Avalon總線結(jié)構(gòu)是針對外設(shè)配置而生成的一個佳結(jié)構(gòu)。
3．2時柵信號相位檢測原理
時柵采用32對極結(jié)構(gòu)，因此需要對信號進(jìn)行32分頻，才能使測得的時間差與空間角位移一一對應(yīng)。感應(yīng)信號和參考信號分別從MS_lN和ssjN端輸人CPLln，采樣信號INT0—0uT由定測頭信號SS_lN經(jīng)32分頻后反相得到，在脈沖下降沿觸發(fā)Niosll軟核處理器中斷后采集數(shù)據(jù)，脈沖前沿觸發(fā)電路用于獲取代表動、定測頭信號正向過零點(diǎn)時問差的方波信號。
時間差和周期信號的插補(bǔ)功能。高頻時鐘脈沖由Ahera提供的PLL(鎖相環(huán))模塊倍頻得到。插入的高頻脈沖個數(shù)分別由3路計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到的值分別代表動、定測頭信號正向過零點(diǎn)時間差△r和2個用于計(jì)算信號周期的值f采集到△r和r后．計(jì)算當(dāng)前測量到的角位移大小(單位：角秒)的公式為：日為角位移；”為測頭轉(zhuǎn)速；△r為時間差；曠為角位移總量；r為信號周期。
后將位移測量值通過對外圍器件MAX7219譯碼模式寄存器編程可控制各位為BcD碼顯示，顯示是片內(nèi)動態(tài)掃描模式，通過編程可控制數(shù)碼管亮度。
3．3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
通過NoisⅡ軟件完成相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)參考信號和感應(yīng)信號的周期和相位的檢測，計(jì)算周期的信號一路由參考信號SSjN經(jīng)32分頻后，再2分頻得到，另外一路則需再加一個反相器。采用上述2路信號，以保證每次采樣均能采集到正確的r另由采樣信號和高頻時鐘信號合成一個鎖存信號．在采樣信號到來的同時將△r值鎖存，后立即產(chǎn)生一個復(fù)位信號，將△r計(jì)數(shù)器清零，為下一次采樣做準(zhǔn)備，以滿足采樣的實(shí)時性要求”。
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