基于FPGA的多路光柵信號采集方案

　　0 引言

　　光柵傳感器作為精密機械量測量的有效工具在線位移、角位移、速度、加速度等工程的測量上得到了廣泛應用。在長度測量中，光柵微位移傳感器可以達到μm級的測量精度，同時可以動態采集長度的變化，從而可以精確地算出運動速度甚至加速度。在曲面測量中，相比于傳統的三坐標機、輪廓儀，光柵傳感器也具有可以動態檢測面形變化，精度高，可以實時輸出面形數據等優勢。

　　多路選擇技術的數據采集中得到了廣泛應用，在一些分布式系統當中，使用多路選擇技術可以減少I/O 口使用數量，提高系統集成度。具體來說，使用多路選擇開關對多路信號進行選通處理，將多路選擇開關的輸出端連接采集芯片的I/O口，使采集芯片對各路信號進行輪番采樣，但輪番采樣使得原始波形的采集離散化，即在芯片對采得的離散信號進行處理前，需要對采得的波形進行處理。

　　1 系統整體方案

　　系統選用了60 支高精度光柵傳感器（精度為0.5 μm），按環帶狀排布，以測量圓狀動態面形變化。

　　實際測量時，60個光柵微位移傳感器安放在測量臺上，待測面形與各傳感器接觸，待測面形變化時，各路光柵傳感器會產生相應的位移，將面形各采集點處的數據變化采集起來，通過一定的插值算法還原面形的動態變化。

　　通常情況下，采集系統選用FPGA作為光柵信號的采集芯片。因系統涉及的信號路數較多，單片低端FPGA 很難滿足信號采集的要求，故需要多片FPGA 并行工作，最后用一片DSP芯片或單片機對多片FPGA進行輪番尋址取值，再將各傳感器的數據傳送給上位機，如圖1所示。系統結構設計較為復雜，成本也較高。

　　本文提出了一種基于多路選擇技術的多路信號采集方案，針對多路信號無法同時被單芯片采集的問題，采用串、并結合采樣的方法，可以在滿足采樣精度要求的情況下，實現單FPGA上的多路信號采集，如圖2所示。

　　每個傳感器輸出信號中，表示傳感器移動距離的信號有兩路（A、B）。4 個傳感器分為一組，共有8 路信號（1A、…、4A，1B、…、4B）。將1A~4A 接雙4 位多路選擇開關（如74HC4052）的1Y0~1Y3，1B~4B 接多路選擇開關的2Y0~2Y3.FPGA發出2位控制信號同時控制該多選芯片MUX1.即FPGA控制信號為00時，MUX1的1Z輸出為1A，2Z輸出為1B，此時FPGA接收到的信號為傳感器1 的信號。FPGA 的控制信號進入下一個狀態01時，MUX1的1Z 輸出為2A，2Z 輸出為2B，此時傳感器2的信號被采集。依次類推，傳感器4的信號之后重新返回到傳感器1上。這樣就形成一個循環采樣的過程。

　　在對采樣頻率要求不高時，多路并行采樣可以節省很多IO資源，同時精度也可以得到保證。FPGA內部用狀態機可以完成多路選擇的控制，如圖3所示。