基于FPGA的速度和位置测量板卡的设计与实现

针对增量式光电编码器经典速度测量算法M/T法低速采样时间过长和位置测量算法精度不高的问题，本文基于定采样周期M/T法设计实现了速度和位置测量板卡。采用Xilinx公司的XC3S400 FPGA为核心控制芯片进行设计，并设计PC104总线接口实现板卡与控制器的数据通信。该板卡接收处理光电编码器的反馈脉冲得到速度和位置参数，将数据通过PC104总线接口传递给控制器。实验表明，板卡的最小采样时间达到1ms，并且位置测量精度可达5×10-5。

增量式光电编码器作为速度和位置传感器被广泛应用于伺服系统。理论上，光电编码器反馈脉冲的频率对应被测轴转速，反馈脉冲个数的累加值对应位置信息。经典的速度测量方法有M法、T法和M/T法3种：其中M法通过计取固定时间间隔内光电编码器的反馈脉冲数计算当前转速，适用于高速场合;T法利用高频脉冲测量相邻反馈脉冲的时间间隔计算当前转速，适用于低速场合;M/T法不仅测量固定时间间隔内反馈脉冲的增量值，而且计数该时间内的高频脉冲数。虽然M/T法克服了M法和T法测速范围有限的缺点，在高速和低速段都具有较高的分辨率及较低的测速误差，但是存在低速采样时间过长等问题。经典的位置测量方法按转向的正负对反馈脉冲进行增减计数，然后将计数值乘以脉冲当量K得到当前位置信息，可见其测量精度取决于脉冲当量。

本文以定采样周期M/T法为基础，它解决了经典M/T法低速检测时间过长的问题，保证每一固定周期都能采样到数据。此外，该算法充分利用反馈脉冲的位置信息和时间信息，得到了比一个脉冲当量K更为精确的位置信息。本文利用FPGA设计实现定采样周期M/T法，并设计PC104总线接口满足板卡与控制器数据通信的要求。

1 总体方案

速度和位置测量板卡接收光电编码器的反馈脉冲信号，通过差分电路将其转换为单端信号消除共模干扰，然后在FPGA中对脉冲处理得到速度和位置参数，最后将参数通过PC104数据接口传递给控制器。速度和位置测量板卡除差分电路以外的功能均通过FPGA设计实现(如图1所示)，因此FPGA是本板卡的核心芯片。速度和位置测量板卡主要包括倍频辨向模块、定采样周期M/T法模块和PC104数据接口模块。

图1: FPGA结构框图

1. 1 倍频辨向模块
光电编码器的输出反馈脉冲包括相位差90°的A、B信号以及零位脉冲Z。A、B之间的相位关系标志被测轴的转向，即A相超前B相90°表示正转，滞后90°表示反转;Z脉冲起到参考零点的作用。一个周期内A、B两路信号的相对位置变换了4次，即正转A、B按00-10-11-01循环输出，反转遵循00-01-11-10的规律。倍频辨向模块通过检测A、B信号的状态变化输出四倍频及方向信号，不仅提高了速度和位置测量的精度，还起到抗干扰的作用。

1.2 定采样周期M/T法模块
定采样周期M/T法模块分为速度测量电路和位置测量电路两部分，图2给出了该算法的硬件原理及时序图。定采样周期M/T法对高频脉冲fc两级锁存的设计确保实际检测起始点Tk超前于采样周期Tn，这解决了M/T法在低速时检测时间过长的问题，保证每个采样周期内都能成功采集到数据。

图2 定采样周期FPGA法原理及时序图

速度测量硬件电路由速度计数器及其数据锁存器Cm，以及高频脉冲计数器及其两级数据锁存器Cf和Ct构成;其中速度锁存器Cm和高频脉冲锁存器Ct由采样脉冲触发，辅助高频脉冲锁存器Cf由反馈脉冲触发。通过差分处理得到当前周期Tn内的转速增量Cm和高频脉冲增量Ct，并设高频脉冲的频率为fc，脉冲当量为K，那么计算可得转速为：
Vn=KxfcxCm/Ct

位置测量硬件电路同样采用高频脉冲的两级锁存设计，除此之外还包括位置计数器及其数据锁存器Cmm，以及辅助位置锁存器Ctt。由图2可知，dTn-1和dTn这两个时间差所对应的位置变化小于一个脉冲当量K，位置测量算法将上述时间差内的位置变化加入到位置信息中，提高了位置测量的分辨率和精度。dTn通过差分当前周期辅助位置锁存器Ctt和脉冲锁存器Ct得到，接着将dTn乘以速度值Vn可得位置变化。位置锁存器Cmm计取了反馈脉冲的变化值，再加上dTn-1和dTn内位置变化，便能计算出精确的位置信息。
dTn=(Ctt(n)-Ct(n))/fc
S=KxCmm+VnxdTn-Vn-1xdTn-1

2 各个模块Verllog实现

根据速度和位置测量板卡的总体设计方案，利用Verilog设计实现各模块。

2.1 倍频辨向模块
本模块在FPGA系统时钟clk上升沿检测A、B的电平，并与上一clk记录的状态进比较：当状态变化符合00-10、10-11、11-01、01-00时，表明A超前B相90°，并且A或B产生一个边沿跳变，此时光电编码器正转那么置1方向信号，同时输出一个计数脉冲，这样一个周期内将产生4个计数脉冲实现了四倍频;当变化对应00-01、01-11、11-10、10-00时，标志A滞后B相90°，光电编码器反转则清零方向信号，并输出一个计数脉冲;当变化符合00-00、01-01、10-10、11-11时，说明光电编码器处于换向阶段，或者对应正反转的中间状态，此时保持方向信号并且不输出计数脉冲;当变化为00-11、01-10、10-01、11-00时，说明A、B信号受到干扰而产生了错误的状态翻转，此时保持方向信号并且不输出计数脉冲，达到了抗干扰的目的。

2.2 定采样周期M/T法模块
分析定采样周期M/T法模块可知，它主要由计数器和锁存器组成，其中计数器对脉冲个数进行计数，得到的计数值存于锁存器中等待数据接口模块读取。

按计数方式的不同，计数器又可细分为增计数器和可逆计数器。其中高频脉冲计数器和速度计数器都采用增计数，在检测到计数脉冲有效时加1计数值。位置计数器采用可逆计数的方式，在计数脉冲有效时通过方向脉冲决定采取增或减计数。由于对增量式光电编码器的反馈脉冲计数只能获得转台的相对位置，因此在计数器断电或控制系统上电之前，都要对计数器所存数值进行校正，即归零。为了实现归零操作，计数器除可逆计数外还需具备清零以及置数等功能。

锁存器在采样脉冲T有效时，锁存当前数据供接口电路读取，其中采样周期大小取决于控制器对速度和位置的读取频率。考虑到数据读取的安全性，控制器读操作前必须首先完成各锁存器的数据锁存工作，即通过控制器对板卡的写信号产生采样脉冲T触发锁存器的锁存工作。

本模块设计了4个双字锁存器暂存速度和位置参数，因此开辟4个双字的I/O地址空间。控制器对I/O地址的读操作实现锁存器数据的读取，写操作为板卡提供清零、置数及采样脉冲等信号。

2.3 PC104数据接口模块
PC104总线是一种专为嵌入式控制而定义的工业控制总线，它具有小尺寸结构、抗震性极佳的堆栈式连接、低功耗总线驱动等优点，广泛应用于机载设备的开发中。此外，它是一个8位和16位兼容的总线，本模块采用8位总线方式，采用以下总线信号完成通信设计：SD7～SD0：数据信号;SA9～SA0：地址信号;AEN：地址使能信号;IOR：I/O读信号;IOW：I/O写信号;电源信号。

在PC104系统中，为防止I/O地址冲突，每个模块都必须有一个单独的基地址。速度和位置测量板卡采用10位地址译码，基地址通过板卡上的基地址跳线器进行设置。PC104数据接口采用I/O读写方式进行通信，利用状态机设计实现本模块如图3所示。S0为空闲状态，此状态为初始状态，一旦控制器对板卡进行操作，则进入S1状态。S1状态记录控制器的地址、数据以及控制信号，并判断控制器的操作类型。如果是读操作进入S2状态，若是写操作则进入S3状态。在S2状态中，将对应地址的数据给到数据线，完成读操作。在S3状态，将数据写入对应地址中，完成写操作。读操作或者写操作完成之后，状态又重新回到S0，等待控制器下次读写。

 

图3：PC104接口状态机

下面结合PC104的信号说明各状态的作用。S0状态检测地址使能信号AEN，当AEN有效并且地址信号SA的高位与基地址一致，说明控制器对本板卡操作，则激活S1状态。S1状态记录地址信号SA的低4位和数据信号SD，并判断读信号IOR或写信号IOW是否有效。当IOR有效说明目前进行读操作进入S2状态，而IOW有效表明当前为写操作进入S3状态。S2状态对地址进行分支选择确定欲读取数据的地址，输出对应地址的数据完成读操作。S3状态将数据写入到对应地址完成写操作。

3 测试平台与仿真测试

用ISE软件编程实现各模块的功能，用ModelSim对其进行仿真测试，图4为仿真结果。由图可知，输入的A、B信号模拟正转、反转及干扰三种状态，正转和反转下每周期都将输出四个脉冲，并且正转方向信号置1，反转清零，而在干扰信号下不输出计数脉冲，并且方向信号保持不变。速度计数器在计数脉冲有效时计数，位置计数器根据方向信号对计数脉冲做增减计数，速度锁存器Cm、位置锁存器Cmm在采样周期有效时锁存速度和位置值。辅助高频脉冲锁存器Cf及高频脉冲锁存器Ct对高频脉冲进行两级锁存，保证实际采样点超前于采样周期，保证每个周期下都能采样到数据。

图4： 仿真图

 

图5： 速度和位置测量板卡

设计完成的速度和位置测量板卡如图5所示，FPGA采用Xilinx公司的XC3S400，控制器部分选用盛博公司的SAT-1040板卡。使用36000刻线的增量式光电编码器，高频脉冲由40 MHz晶振提供，最小采样周期可达1ms，在测量范围内速度、位置测量精度分别达到3x10-5、5x10-5。

4 结束语

文中以FPGA为核心控制芯片设计实现了速度和位置测量板卡，它以定采样周期M/T法为基础对光电编码器的反馈脉冲处理得到表征速度和位置的参数，通过PC104总线接口将数据传递给控制器计算得到精确的速度和位置信息。整个设计在FPGA内完成，故硬件结构简介，可靠性强，抗干扰能力强;板卡的最小采样时间达到1 ms，确保每一周期下都能采样到可靠数据，并将位置测量精度提高至5x10-5。