光栅信号采集控制卡的制作方法

本专利涉及电子电路领域，具体而言，是一种数据采集卡。

背景技术：

近年来，随着仪器设备精度要求越来越高，光栅因其精度高，抗干扰能力强被广泛应用在各种测量仪器中。

光栅传感器通常作为测量元件用于测量角度、位移、加速度等。但是随着仪器设备的复杂程度越来越高，一台仪器中可能会有多个光栅传感器。在高速高精度的系统中，如传动系统，多轴机床等，这样的光栅信号频率往往很高，微秒级的延时都可能会造成很大的误差。为了提高系统精度，需要实时采集每个轴的位置。其次，在采集到的这些位置信息后我们希望仪器的运动控制系统能及时做出反应，这要求我们的采集卡不仅仅有采集数据的功能，还要有控制电机的能力。另一方面，一台仪器设备还包含其他多种传感器。所以，为了提高仪器的精度，发明一种可以实时采集多路光栅信号及其他传感器信号，又可以实现电机的控制的采集控制卡很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以实时采集多路光栅信号，又可以实现电机控制和其他信号采集的采集卡。

为达到以上目的，本采集卡包含：fpga(1)，arm(2)，usb转串口(3)，io接口(4)，以太网收发器(5)，网口(6)，adc(7),电机控制接口(8)，差分信号接收器(9、10、11、12)，光栅信号接口(13、14、15、16)，频率测量接口(17、18)。

光栅信号接口(13、14、15、16)通过差分信号接收器(9、10、11、12)连接到fpga(1)上，实现光栅信号的采集。频率测量接口(17、18)与fpga(1)相连。adc(7)连接到fpga(1)采集模拟信号。arm(2)通过axi4总线与fpga(1)相连。usb转串口桥(3)与arm(2)连接，实现程序下载和调试。网口(6)与以太网收发器(5)连接，以太网收发器(5)与arm(2)连接，实现采集卡与上位机之间的以太网通信。io接口(4)连接到arm(2)。

本发明有以下显著特点：

1.本发明采用fpga并行采集多路光栅信号，可以保证同一时刻四路信号的实时性，降低了采用多路选择器带来的系统延迟。

2.本发明通过千兆以太网与上位机通信，可以实现采集卡与上位机的高速通信，满足高速率采集要求。

3.本发明可以采集多种信号并且实现电机的控制，一张采集卡实现多种功能，可以降低仪器设备的复杂程度。

附图说明

图1采集卡接口框图。

图中，1-fpga，2-arm，3-usb转串口，4-io接口，5-以太网收发器，6-网口，7-adc，8-电机控制接口，9、10、11、12-差分信号接收器，13、14、15、16-光栅信号接口，17、18-频率测量接口。

具体实施方式

下面结合图1对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种可以实时采集多路光栅信号，又可以实现电机控制和其他信号采集的采集卡包括fpga(1)，arm(2)，usb转串口(3)，io接口(4)，以太网收发器(5)，网口(6)，adc(7),电机控制接口(8)，差分信号接收器(9、10、11、12)，光栅信号接口(13、14、15、16)，频率测量接口(17、18)。

在选择fpga和arm时，选择赛灵思公司zynq-7010系列soc,内部集成一块fpga(pl)和两个armcortex-a9(ps),可以满足我们的控制要求。光栅传感器输出的信号通常是三路差分信号(a+、a-，b+、b-，z+，z-),这三路差分信号通过光栅信号接口(13、14、15、16)将光栅传感器输出的信号与采集卡相连，之后这三组差分信号经过差分信号接收器(9、10、11、12,芯片型号为sn75175)将差分信号变成单极性信号(a，b，z)。之后单极性信号直接输入fpga内部，光栅信号进入fpga内部后，首先要滤除掉影响测量的毛刺信号，滤波过后的光栅信号内部有一个倍频器，可以实现光栅信号的1倍、2倍、4倍的倍频，提高测量精度。倍频之后的信号会输入到一个32位的可逆计数器，当计数脉冲到达时，计数器加一或减一，根据一个脉冲信号代表的距离，把计数器最终值和初始值做差，就可以计算出实际的位移。计数器的计数结果要转换成axi-stream数据格式才能在zynq-7010传输。把计数结果写进异步fifo数据通过dma控制器搬送到ddr，然后通过以太网把ddr内部数据传送到上位机。

测量频率信号为方波信号，频率低于500khz。fpga内部有一个200mhz的高频时钟，把方波信号输入到fpga，当fpga检测到方波的上升沿时，开始对高频时钟的脉冲进行计数，当方波信号下一个上升沿来临时，停止计数，假设高频时钟的脉冲个数为n1，被测信号频率为f1，则计算公式为：

由此可以计算出被测信号的频率。

控制电机主要是控制电机的转速和方向。方向的控制可以通过fpga的io口向外发送一个状态量dir,假设dir＝1代表电机正转，假设dir＝0代表电机反转，由此实现电机转向的控制。电机速度的控制主要是电机输入脉冲的频率，在fpga内部有一个分频倍数可变的分频器，把fpga内部的时钟基准通过分频器得到需要的脉冲频率就可以控制电机的转速。

采集模拟量选用德州仪器的16位adcads8584s,让其工作在并行模式。把16位的采样结果转换成axi-stream数据格式才能在zynq-7010传输。把adc转换结果写进异步fifo数据通过dma控制器搬送到ddr，然后通过以太网把测量结果传送到上位机。

为了方便上位机指令的发送，本采集卡有usb转串口的接口。上位机通过usb接口发送控制指令，通过cp2102-gmusb转串口桥把usb数据转换成串口数据，但是cp2102-gm芯片输出的是3.3v电平信号，而zynq-7000的接收的信号为1.8v，需要用到txs0102dcu电平转换芯片，把cp2102-gm的信号转换到1.8v,然后接到zynq-7000的ps端，实现usb转串口的通信协议转换。

采集卡采集光栅的信号频率比较高，计数器采用32位的计数器，要求采集卡与上位机之间有很高的通信速率，采集卡与工控机之间选择以太网通信。本设计选用rtl8211以太网收发器作为以太网通信芯片。

此外采集卡还有8路io口用于采集不同的状态量，通过io接口电路连接到arm段，用于采集状态量。

技术特征：

1.光栅信号采集控制卡，其特征在于：拥有四个用于接收光栅传感器信号的接口、四个差分信号接收器、两路测量信号频率的接口、一个电机控制接口、一个usb转串口电路、以太网通信电路、io接口电路；光栅传感器接口与差分信号接收器连接，差分信号接收器和fpga连接，电机控制接口与fpga连接，频率测量接口和fpga连接；usb转串口电路和arm连接，以太网通信电路和arm连接，io接口电路和arm连接；arm和fpga之间通过axi总线连接。

2.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：选择内部集成fpga和arm的芯片zynq-7010。

3.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：所述的差分信号接收器型号为sn75175。

4.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：频率测量接口连接到fpga，在fpga内部实现频率测量程序。

5.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：电机控制接口连接到fpga，fpga内部集成电机控制模块。

6.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：usb接口通过usb转串口桥连接到电平转换芯片再连接到zynq-7010。

7.根据权利要求6所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：usb转串口桥芯片型号为cp2102-gm，电平转换芯片型号为txs0102dcu。

8.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：以太网收发器芯片型号为rtl8211e，以太网收发器芯片连接zynq-7010的以太网控制器接口。

9.根据权利要求1所述的光栅信号采集控制卡，其特征在于：有8路io接口连接到zynq-7010。

技术总结
本发明公开了新的光栅信号采集控制卡，四个用于接收光栅传感器信号的接口通过四个差分信号接收器与FPGA相连。两路频率测量接口和电机控制接口连接到FPGA。用于以太网通信的网口通过以太网收发器与ARM连接。USB接口通过USB转串口芯片连接到电平转换芯片然后和ARM连接，8路IO接口通过IO接口转换电路连接到ARM。用FPGA采集四路光栅信号可以保证四路信号同步采集，与大多数采集卡相比，本采集卡不仅有数据采集功能，还集成了电机控制接口，可以根据光栅信号直接控制电机，保证了系统的实时性，提高采集卡的工作效率。

技术研发人员：石照耀;毛川;杨策;王鹏
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2020.12.06
技术公布日：2021.03.16