激光跟蹤測量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測量系統(tǒng)中常用的一種高精度的測量儀器,，是近十年發(fā)展起來的新型大尺寸空間測量儀器，不僅對(duì)靜止目標(biāo)可以測量,，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也可以進(jìn)行跟蹤測量,。它集合了激光測距技術(shù),、光電技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù),、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù),，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有快速,、動(dòng)態(tài),、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測量,。在航空航天,、機(jī)械制造、核工業(yè),、現(xiàn)代軍事等測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,。該系統(tǒng)的跟蹤精度在很大程度上依賴于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度的測量精度。

    為了提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度測量的精度,，本系統(tǒng)采用高分辨率的光電編碼器來測量角度,。光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移數(shù)字變換的，光電編碼器作為一種高精度的測角傳感器已普遍應(yīng)用于伺服跟蹤系統(tǒng)中,它具有精度高,、響應(yīng)快,、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。光電編碼器按編碼方式主要分為兩類：增量式與絕對(duì)式,。由于增量式光電編碼器成本低、測角的精度高,，因此本系統(tǒng)的增量式光電編碼器選用Renishaw公司的高精度圓光柵,。
    然而，由于機(jī)械振動(dòng)或抖動(dòng)等原因,，增量式編碼器的輸出脈沖會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)毛刺的現(xiàn)象,，因此需要在對(duì)編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的過程中采取有效的方法來去掉抖動(dòng)干擾。本文介紹的有限狀態(tài)機(jī)方法,，在FPGA上可以有效消除抖動(dòng)引起的計(jì)數(shù)干擾,，提高計(jì)數(shù)的精度[1]。
1 方案設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
    激光跟蹤測量系統(tǒng)的核心處理模塊主要由ARM處理器,，F(xiàn)PGA組成,。為了充分利用ARM9微處理器的運(yùn)算能力和FPGA的高速邏輯處理能力，在設(shè)計(jì)中對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了劃分,。ARM9 用于運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的控制并且與FPGA一起形成一個(gè)完整的應(yīng)用平臺(tái),。FPGA主要完成編碼器的精確計(jì)數(shù)功能、與ARM9處理器數(shù)據(jù)通信,、與激光測距儀數(shù)據(jù)通信功能,。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示,。本文重點(diǎn)介紹在FPGA上實(shí)現(xiàn)編碼器的輸出脈沖計(jì)數(shù)與角度測量。

1.2 增量式編碼器原理
    增量型編碼器通常有3路信號(hào)輸出：A,、B和Z,，每路都是差分信號(hào)，共6路信號(hào),，信號(hào)采用TTL電平,，A脈沖在前，B脈沖在后,，A,、B脈沖相差90°，每旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè)基準(zhǔn)脈沖Z,，作為參考機(jī)械零位,。Z相的波形中心對(duì)準(zhǔn)A相輸出的波形中心。利用A相B相的相位差來進(jìn)行判相,，A超前B 90°為正轉(zhuǎn),，反之B超前A 90°為反轉(zhuǎn)。
    由于增量式編碼器不帶記憶功能,，因此對(duì)外界因素引起的干擾非常敏感,，在實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械振動(dòng),、工作環(huán)境,，電機(jī)負(fù)載等都無可避免地會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，編碼器會(huì)在某一相的脈沖邊緣的地方出現(xiàn)抖動(dòng)的情況,，因此有效濾掉脈沖的抖動(dòng)和毛刺,，是提高計(jì)數(shù)精度的關(guān)鍵技術(shù)。編碼器輸出真實(shí)信號(hào)的波形如圖2所示[2-3],。

2 理論分析與算法
2.1 有限狀態(tài)機(jī)原理
    在編碼器的一個(gè)輸出周期內(nèi),，A、B兩相輸出信號(hào)共產(chǎn)生4個(gè)跳變沿,，在A,、B方波信號(hào)的上升沿和下降沿分別計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)四倍頻計(jì)數(shù)的操作,。本文通過有限狀態(tài)機(jī)FSM,，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行四倍頻采樣控制，狀態(tài)機(jī)外加的一路高速同步時(shí)鐘信號(hào)作為狀態(tài)機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào),，從而有效濾掉抖動(dòng)干擾,。
　　有限狀態(tài)機(jī)FSM（Finite State Machine）是一種時(shí)序電路，是數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效率可靠性邏輯控制的重要方法。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)可分為摩爾型Moore和米利型Mealy兩種類型,。Mealy狀態(tài)機(jī)的輸出是當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)的函數(shù),。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),，采用的計(jì)數(shù)器是雙向計(jì)數(shù)器,，既與當(dāng)前編碼器所處于的電平組合有關(guān)，又與前一個(gè)狀態(tài)有關(guān),。因此本設(shè)計(jì)采用Mealy狀態(tài)機(jī),。Mealy狀態(tài)機(jī)比Moore狀態(tài)機(jī)在狀態(tài)切換時(shí)提前一個(gè)同步時(shí)鐘, 因而具有較高的實(shí)時(shí)性。A,、B兩相信號(hào)轉(zhuǎn)換狀態(tài)如圖3所示[4],。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 軟硬件平臺(tái)
    根據(jù)以上分析，編碼器輸出的原始信號(hào)經(jīng)過有限狀態(tài)機(jī)處理后,，得到了四倍頻的輸出信號(hào),。本系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)四倍頻控制和計(jì)數(shù)功能,與用分立器件構(gòu)成的倍頻計(jì)數(shù)電路相比，具有穩(wěn)定度高,，移植性靈活,，可靠性好的特點(diǎn)。
    硬件采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240,，編譯環(huán)境為Quartus II 5.1集成開發(fā)環(huán)境,。在Quartus II的開發(fā)環(huán)境中，可以通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)Mealy有限狀態(tài)機(jī),。第一采用硬件描述語言,，第二通過Quartus II中的狀態(tài)機(jī)編輯工具來完成。本設(shè)計(jì)采用硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì),。
3.2 程序設(shè)計(jì)
    為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性,，濾掉信號(hào)上的毛刺，在A,、B相信號(hào)進(jìn)入狀態(tài)機(jī)前，先設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器進(jìn)行初次濾波,，每個(gè)信號(hào)用4個(gè)D觸發(fā)器和1個(gè)判決器來濾波,；觸發(fā)器由時(shí)鐘SCLK驅(qū)動(dòng)。小于一個(gè)SCLK時(shí)鐘周期的毛刺,，都被濾波器濾掉了,。濾波器的原理圖如圖5所示[6-7]。

    整個(gè)程序的設(shè)計(jì)是采用圖形和語言相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)的,。頂層設(shè)計(jì)采用圖形文件,，頂層模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
    內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)模塊采用VHDL語言來實(shí)現(xiàn),。頂層模塊包含兩個(gè)模塊,，一個(gè)濾波器模塊,，該模塊根據(jù)三選二判決的原理來濾掉毛刺;另一個(gè)模塊是狀態(tài)機(jī)模塊，最終輸出編碼器計(jì)數(shù)的結(jié)果,。Input[0]和input[1]輸入引腳分別連接增量型編碼器A相和B相信號(hào),。q[31..0]為32位的計(jì)數(shù)器，輸出當(dāng)前編碼器的計(jì)數(shù)值,，dirout是編碼器的旋轉(zhuǎn)方向信號(hào),。
    程序設(shè)計(jì)完成后，在仿真工具modelsim下進(jìn)行波形仿真,。仿真結(jié)果如圖7所示,。從圖中看出，計(jì)數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)正向與反向計(jì)數(shù),，可以有效濾除脈沖上的抖動(dòng),，獲得精確的計(jì)數(shù)值。

    本文提出了一種基于有限狀態(tài)機(jī)的高精度測量系統(tǒng),，在FPGA上用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了編碼器輸出脈沖的去抖,，并通過32位計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)精確計(jì)數(shù)。最終在ARM處理器上完成角度的計(jì)算,。通過大量反復(fù)試驗(yàn),，試驗(yàn)結(jié)果表明本文介紹的方法具有精度高、成本低,、接口兼容性高,、可靠性高、可移植性好等優(yōu)點(diǎn),，可以有效抑制噪聲干擾,，獲得高精度的角度數(shù)據(jù)。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用在激光跟蹤測量系統(tǒng)中,，該技術(shù)的推廣可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,，具有重要實(shí)用意義。
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