基于NiosII的光栅细分电路系统设计

摘要：在分析四倍频直接细分原理的基础上，提出利用专用插值芯片(IC―NV)对前端输出的正交信号进行插值细分的方法；采用SOPC技术和基于NiosII软核处理器的系统设计方案，在FPGA中设计了二次细分辨向组件和测速组件，并将位移结果和速度值显示在128×64 LCD上。仿真结果表明，该系统实时性好，可靠性高，误差小，能够轻松实现高达64倍的细分。
关键词：光栅位移传感器；莫尔条纹；插值；FPGA；NiosII

1 概述
目前，光栅的电子细分技术是提高光栅位移传感器分辨率的主要途径，可分为软件细分法和硬件细分法。软件细分法虽然可以达到较高的细分数，但由于受到A／D器件转换精度和转换时间的限制，一定程度上影响了测量的实时性。硬件细分法一般用在细分数不太高的场合，而且随着细分数的提高，电路会变得更加复杂。本文使用专用插值芯片(IC―NV)对前端输出的正交信号进行插值细分，利用FPGA对插值细分后的信号进行二次细分；同时利用QuartusII中的Component Editor工具设计了二次细分辨向组件、测速组件及LCD控制组件，并通过Avalon总线与NiosII软核处理器进行连接，实现了系统的集成和模块化。

2 莫尔条纹及四倍频直接细分的原理
莫尔条纹的电子细分是提高光栅位移传感器分辨率的主要途径之一。莫尔条纹是光栅位移传感器工作的基础。莫尔条纹间距近似为光栅栅距的1／θ倍(θ为主副光栅之间的夹角)，并且方向近似与栅线方向垂直。当其中任一光栅沿垂直于刻线方向移动一个栅距时，莫尔条纹就在栅线方向上移动条纹间距，因此可以通过检测莫尔条纹的移动来计算指示光栅移动的距离。
对于横向莫尔条纹，为了判定指示光栅的位移方向进行可逆计数以及削弱直流电平漂移对测量精度的影响，可在一个莫尔条纹内等距放置4个光电收发元件。当条纹依次扫过这4个光电收发元件时，便会产生4路相位分别为O°、90°、180°、270°的信号，通过运放差动放大电路即可实现四细分。但是，实际应用中要实现4个光电收发元件的等距排列是非常困难的。目前，大多数的光栅位移传感器都采用光闸莫尔条纹来实现四细分，如图1所示。

光闸式光栅副的指示光栅上刻有4个裂相窗口，各个窗口内栅线与主光栅一致，且相邻两个窗口之间依次间隔(n+1／4)d。其中，d为栅距(这里为20 μm)，n为整数。这样，当O°窗口的栅线与主光栅完全重叠时，窗口最亮，形成亮带；180°窗口的栅线与主光栅栅线互相遮挡，形成暗带；90°和270°窗口的栅线缝隙被遮挡一半，处于半明半暗状态。因此，当移动指示光栅时，4个窗口内的光强依次呈现周期性的变化。在窗口区域安放光电收发元件对光强进行检测，便可得到依次相差π／2的4路正弦波信号。

3 光栅信号的产生及差值的实现
3．1 系统总体方案计
系统原理框图如图2所示。光电转换后输出的4路相差90°的正余弦电流信号经过2个前置差分放大器处理后，转换为电压信号并且消除了直流电平，得到相位相差90°的正交信号sinθ／COSθ。为了消除正交信号中掺杂的噪声信号，设计了有源二阶巴特沃斯低通滤波器。滤波后的信号经过插值专用芯片IC―NV后，便可送入FPGA进行二次细分辨向、测速和数字显示工作。