带I^2C接口的光栅信号采集系统

    0　引言

    光栅尺是通过摩尔条纹原理,通过光电转换,来测量线性位移量的高精度位移传感器。现在,光栅尺的应用场合越来越多,而计量用光栅尺刻线一般为每毫米50~250线,对应的栅距为20~4μm[1],在精密测量中往往不能满足要求,需要进行细分。

    市场上专用的细分计数芯片功能单一且价格高,比如LS7266R1、HCTL-2020等。如果在一片FPGA芯片上集成光栅信号的处理和信号传输接口,就可以减少系统的复杂度,提高系统的可靠性和速度,并且方便嵌入到其他系统中。而且FPGA芯片设计周期短,成本低,设计修改灵活,其模块化的设计方式使其在必要的时候可以进行修改,例如增加模块[2]。比如在多关节臂测量系统中,有多个光栅尺信号需要处理和传输,这时就可以一片芯片上同时加入几个光栅信号处理模块以完成对多路信号的处理与传输

    目前,越来越多的外围器件与微控制器的接口形式是二线制的I2C串行总线[3],因此,设计一种带I2C接口的光栅信号采集芯片可以使其很方便地应用到实际系统中去。

    1　总体方案设计

    本设计的系统框图如图1所示。系统采用同步时钟设计,设计主要分为两个部分,一是信号处理模块,即光栅信号的细分、辨向、计数模块,另一个是I2C接口模块。此系统作为I2C总线的从器件,当主器件(如微控制器)需要读取光栅位移值时,首先通过I2C总线寻址,然后系统的I2C接口电路向主控器发送应答信号,并同时向光栅信号处理模块发送一个锁存信号oe,使当前的光栅位移计数值保存在专用的寄存器中,等待主控器的读取。

    2　电路设计

     2.1　信号处理模块设计

    2.1.1　细分辨向电路

    光栅尺每移动一个栅距,就输出一个周期的相位相差90°的两路方波信号a和b,如图2所示。可以看出,在光栅沿一个方向移动时,每1/4个周期中, a、b两路信号就有一路发生跳变,这样就可以通过时钟对两路信号采样,用前一状态两路信号的异或结果与当前状态两路信号的异或结果进行比较,就得到相当于光栅输出信号频率四倍频的计数脉冲。在A点处时,光栅正向移动,信号a超前信号b1/4个周期,而到了B点处,光栅反向移动,信号a落后信号b1/4个周期,计数器根据两路信号间的相位关系进行加或减计数。

    图3为经quartusII综合得到的电路结构。其中, clk为全局时钟, rst为全局复位信号, clk4为经过细分得到的四倍频计数脉冲, up为辨向信号。

    2.1.2　计数电路和寄存器电路