基于FPGA的多路光栅信号采集方案

　　0 引言

　　光栅传感器作为精密机械量测量的有效工具在线位移、角位移、速度、加速度等工程的测量上得到了广泛应用。在长度测量中，光栅微位移传感器可以达到μm级的测量精度，同时可以动态采集长度的变化，从而可以精确地算出运动速度甚至加速度。在曲面测量中，相比于传统的三坐标机、轮廓仪，光栅传感器也具有可以动态检测面形变化，精度高，可以实时输出面形数据等优势。

　　多路选择技术的数据采集中得到了广泛应用，在一些分布式系统当中，使用多路选择技术可以减少I/O 口使用数量，提高系统集成度。具体来说，使用多路选择开关对多路信号进行选通处理，将多路选择开关的输出端连接采集芯片的I/O口，使采集芯片对各路信号进行轮番采样，但轮番采样使得原始波形的采集离散化，即在芯片对采得的离散信号进行处理前，需要对采得的波形进行处理。

　　1 系统整体方案

　　系统选用了60 支高精度光栅传感器(精度为0.5 μm)，按环带状排布，以测量圆状动态面形变化。

　　实际测量时，60个光栅微位移传感器安放在测量台上，待测面形与各传感器接触，待测面形变化时，各路光栅传感器会产生相应的位移，将面形各采集点处的数据变化采集起来，通过一定的插值算法还原面形的动态变化。

　　通常情况下，采集系统选用FPGA作为光栅信号的采集芯片。因系统涉及的信号路数较多，单片低端FPGA 很难满足信号采集的要求，故需要多片FPGA 并行工作，最后用一片DSP芯片或单片机对多片FPGA进行轮番寻址取值，再将各传感器的数据传送给上位机，如图1所示。系统结构设计较为复杂，成本也较高。

　　本文提出了一种基于多路选择技术的多路信号采集方案，针对多路信号无法同时被单芯片采集的问题，采用串、并结合采样的方法，可以在满足采样精度要求的情况下，实现单FPGA上的多路信号采集，如图2所示。

　　每个传感器输出信号中，表示传感器移动距离的信号有两路(A、B)。4 个传感器分为一组，共有8 路信号(1A、…、4A，1B、…、4B)。将1A~4A 接双4 位多路选择开关(如74HC4052)的1Y0~1Y3，1B~4B 接多路选择开关的2Y0~2Y3.FPGA发出2位控制信号同时控制该多选芯片MUX1.即FPGA控制信号为00时，MUX1的1Z输出为1A，2Z输出为1B，此时FPGA接收到的信号为传感器1 的信号。FPGA 的控制信号进入下一个状态01时，MUX1的1Z 输出为2A，2Z 输出为2B，此时传感器2的信号被采集。依次类推，传感器4的信号之后重新返回到传感器1上。这样就形成一个循环采样的过程。

　　在对采样频率要求不高时，多路并行采样可以节省很多IO资源，同时精度也可以得到保证。FPGA内部用状态机可以完成多路选择的控制，如图3所示。