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基于FPGA的时栅传感器信息处理系统

关键词:传感器 发布时间:2017-03-01 10:45:51 点击:
摘要:提出一种基于FPGA技术的时栅传感器信息处理系统解决方案,该系统通过在单片FPGA上基于NmsⅡ软核实现整个系统的构建。经过对时栅传感嚣样机的测试,完成了利用高频脉冲插补感应信号和参考信号之间相位检测,实现了高精度、高分辨力测量角位移量。
 
时栅位移传感器是基于时空转换思想研制的一种测量位新型传感器”’,是面向制造业和国防工业的精密加工、精试等“高、精、尖”重大装备和重要关键技术。时栅传感器传统光栅等栅式传感器的刻线工艺,利用高频脉冲插补的实现高分辨率和高精度位移测量。而检测时栅信息的传件电路设计方法开发周期长、难调试,加大了开发成本,限精度的提高。
      为达到高精度、高分辨力测量位移效果,研究了基于SOPC:■信号处理系统。SOP(:技术主要是指面向单片系统专用咆路设计的计算机技术,设计全程包括电路系统描述、硬升、仿真测试、综合、调试、系统App设计,至整个系统的完I由计算机进行“J。SOPC的设计是以IP(Intelleetual proper-n)为基础,以硬件描述语言为主要设计手段,借助于以计-为平台的EDA工具进行的。
1时栅移传感器
时栅利用特定的精密正交激励电源,在转子的正弦绕组和余弦绕组分别施加频率相同、幅值相同、相位互差90。的交流励上、下两层驻波磁场。这两个驻波磁场分别在定子绕组感应出驻波电势并合成为时间电势行波”0。将这个电信号与激励电源的参考电信号同时输入时栅信号处理电路进行处理,得到反映转子角位移的时间差。将时问差与时空转换因子相乘得到转子转动的角位移,转换成相应的数据格式,并经显示电路显
示。
 
2时栅位移传感器信号的预处理
    信号预处理模块主要包括前置放大电路、滤波电路和波形转换电路。前置放大电路将感应电信号放大,避免信号在传输过程中受到干扰。滤波电路滤除干扰信号,使信号纯净。波形转换电路将正弦信号转换成便于时间测量的方波。
2.1前置放大电路
    时栅传感器的定子绕组感应的电信号一般在几十mV,而温度的变化造成元器件参数发生变化,包括电源的波动、电阻、电容、电感等阻抗的变化等,这些都将造成电压、电流的漂移。因此采用AD707组成高稳定度、高精度仪表放大器对感应信号放大。
2.2滤波电路
    根据试验可知,信号放大后仍存在高频干扰成分,因此采用低通滤波器滤除信号中的高频成分。感应信号的频率与激励源的信号频率相同.滤波器的截l止频率由相应电容电阻设置。
2.3信号变换电路
    时栅通过检测2路信号正向过零点时问差来实现对空间角位移的测量,为实现高频脉冲插补便于计数以提高测量精度和分辨率”’。需将经过非线性放大得到的梯形波输入过零检测器ZCD(zem Chasing Detector)整形成方波,再经光电隔离后送人数字电路处理。
3基于SOPC的信号鉴相系统的设计
  FPGA芯片选用Cy(:lone系列器件。其中CPlJ选用NiosⅡ软核处理器开发,硬件平台关键模块采用EDAAppOu叫usIIV9.O完成设计,采用VHDL和原理图输入相结合的方法进行设计,最后通过USB Blaster下载电缆对FPGA进行在线编程。
 
3.1 NiosⅡ嵌入式Avalon总线
    NiosⅡ软核处理器具有可定制特性、系统性能可配置性和延长产品生存周期等特性。其中Avalon总线可多路数据同时处理,实现无与伦比的系统吞吐量,很大程度提高了系统性能”’。Avalon总线是一种用于连接NIOS处理器与片内、片外外设的总线结构,Avalon总线本身是一个数字逻辑系统,在实现“信号线汇接”这一传统总线功能的同时,增加了许多内部功能模块,如:从端仲裁模式、多主端工作方式、延时数据传输等。
      Avalon总线架构采用交换式架构,各个主机均有独立的总线,总线主机只需抢占共享从机,而不是抢占总线,某一时刻可以多个主机与多个从机交换数据。Avalon总线在SOPC Builder中添加外设后会自动生成,并且会随着外设的添加和删减而自动调整,最终的Avalon总线结构是针对外设配置而生成的一个最佳结构。
3.2时栅信号相位检测原理
    时栅采用32对极结构,因此需要对信号进行32分频,才能使测得的时间差与空间角位移一一对应。感应信号和参考信号分别从MS_lN和ssjN端输人CPLln,采样信号INT0—0uT由定测头信号SS_lN经32分频后反相得到,在脉冲下降沿触发Niosll软核处理器中断后采集数据,脉冲前沿触发电路用于获取代表动、定测头信号正向过零点时问差的方波信号。
    时间差和周期信号的插补功能。高频时钟脉冲由Ahera提供的PLL(锁相环)模块倍频得到。插入的高频脉冲个数分别由3路计数器进行计数,得到的值分别代表动、定测头信号正向过零点时间差△r和2个用于计算信号周期的值f采集到△r和r后.计算当前测量到的角位移大小(单位:角秒)的公式为:日为角位移;”为测头转速;△r为时间差;旷为角位移总量;r为信号周期。
    最后将位移测量值通过对外围器件MAX7219译码模式寄存器编程可控制各位为BcD码显示,显示是片内动态扫描模式,通过编程可控制数码管亮度。

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3.3系统App设计
通过NoisⅡApp完成相关App的设计,为实现参考信号和感应信号的周期和相位的检测,计算周期的信号一路由参考信号SSjN经32分频后,再2分频得到,另外一路则需再加一个反相器。采用上述2路信号,以保证每次采样均能采集到正确的r另由采样信号和高频时钟信号合成一个锁存信号.在采样信号到来的同时将△r值锁存,后马上产生一个复位信号,将△r计数器清零,为下一次采样做准备,以满足采样的实时性要求”。
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