基于DSP和FPGA的光电式动态扭矩测量系统

　　0 引言

　　在机械传动系统中，扭矩是反映生产设备系统性能的重要指标之一[1]。扭矩测量是机械产品的研究开发、测试分析、质量安全检查等工作必不可少的内容。动态扭矩监测利用传感器、数据采集、传输及分析处理等技术进行实时在线状态监测。由于光电传感器具有反应速度快、分辨力高、可靠性好，体积小，质量轻、功耗低、便于集成、可实现非接触测量等优点，因此得到了广泛的应用[2]。

　　为了提高扭矩测量的精确性和实时性，高速精确的数据采集系统是其中必不可少的一个重要环节。DSP 具有强大的运算能力，可以实现高速数据采集，但其外部接口的通用性较差，其指令更适于实现算法，不适合逻辑控制和实时性很高的数据采集。现场可编程门阵列 FPGA 资源丰富、接口灵活、可实现并行运算，其全部控制逻辑由硬件完成，适于大数据量的高速传输控制，但它不适合做复杂运算[3 -4]。因此文中采用 DSP 和FPGA 相结合的硬件采集系统设计了多路信号采集模块。将两者的优点结合在一起，利用 FPGA 实现多路信号采集、存储以及外围的控制，再将接收到的数字信号传送到 DSP，利用 DSP对信号进行处理，然后传输至上位机进行存储、分析处理及显示。

　　1 测量原理

　　1. 1 多码道光电编码盘

　　采用光电多码道技术实现对扭矩的测量，它可以提高系统灵敏度，减小非线性误差和温度误差，还可以提高系统抗干扰能力。传感器如图 1 所示，包括弹性轴、光电发光管组、码盘及光敏元件组等。光电码盘 1 和 2 分别固定安装在弹性轴的两端，码盘上透光孔和不透光区在多圈环形上均匀分布。

　　码盘随轴旋转时，光电发光管发出的平行光照射到码盘上，当码盘上的透光孔和光电发光管及其对应的光敏元件在同一直线上时，光线会穿过码盘被光敏元件接收，并将光信号转换成微弱的电信号，再经电路调制后将两个码盘的相对位置信息以数字信号形式输出，用于动态扭矩测量。多码道是指透光孔分布在不同的圆周上，在码盘上以同心圆的形式分布了E 圈( 如图 1，E >1 为多码道) ，各码道圆周上均匀分布着 F 个透光孔，最内圈只有一个透光孔为整个码盘的定位清零孔。在设计时采用相位分开的方式使其产生 E 路具有固定相位差的信号。转轴两端的编码盘输出固定相位差为 2π/E 的 E 路信号，且每路信号都产生 F 个类正弦信号，经放大滤波以及比较后得到 F 个方波信号。

　　以其中的一路信号为标准记作信号 1，其他依次为信号 2、3、…E. 由于 E 路信号相位依次递减，F 个方波均分圆周，故每个方波周期对应角度为 2π/( EF) 。若每个码道上对应安装 B 对光电发光管和光敏元件且其位置按相位错开，则码盘旋转一周将得到 B × E 路信号。多码道技术提高了测量的精度，在保证了通光效果的同时降低了加工的难度。