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光栅数字信号采集技术研究

作　者: 蒋连凤
导　师: 王伟国
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: 光电轴角编码器高频抖动滤波倍频鉴相计数 UART通信
分类号: TN762
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 69次
引　用: 1次
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内容摘要

光电轴角编码器是以计量圆光栅为核心将角位移和角速度等物理量转换成电信号的精密位移传感器。光电轴角编码器主要依靠计量光栅作为检测工具,通过光电接收器进行转换,把被测物体转动的位移量或者角度值转换成相应的模拟量或者数字信号,进而达到精确测量的目的。鉴于光电轴角编码器的结构简单、体积较小、重量轻,分辨率高等优点,因此在雷达、经纬仪、自动测量、遥感等需要光电转换领域应用十分广泛。当光栅编码器输出信号经过较大倍数的电细分时将产生高频抖动,将导致电脉冲的不正确计数,进一步影响了对被测物体角位移的准确测量。本课题针对以上问题对编码器正交信号的采集系统进行设计。使用FPGA作为主控芯片,编码器输出正交信号采集系统主要分为滤波、倍频鉴相、计数、UART通信等4个部分。滤波电路滤除输出信号中存在高频抖脉冲;倍频鉴相电路实现编码器信号的4倍频并鉴别出编码器的旋转方向;计数电路实现倍频后编码器脉冲的计数,以得到编码器旋转到的位置信息;最后通过UART发送接口把得到的位置信息发送给上位机,来实现位置反馈。论文首先简单地介绍了课题背景和研究意义,在总结目前工程现状的基础上,对编码器输出正交信号中存在的问题做了进一步的分析并设计了一套可行的编码器采集电路。最后详细介绍了硬件电路设计,讨论了软件架构及各个模块的具体设计。目前,已经完成了编码器采集电路的硬件和软件的设计及调试任务。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 课题学术背景及研究意义  11-12
  1.2 光栅编码器国内外研究现状  12-15
  1.3 编码器采集方案  15-19
    1.3.1 采集方案1  15-17
    1.3.2 采集方案2  17-18
    1.3.3 采集方案3  18-19
  1.4 课题研究的主要内容  19-21
第2章系统工作原理  21-34
  2.1 光电经纬仪及其跟踪伺服系统简介  21-23
  2.2 光栅测量原理  23-26
    2.2.1 莫尔条纹效应  24-25
    2.2.2 光栅式测量原理  25-26
  2.3 光栅编码器工作原理  26-28
  2.4 FPGA 介绍及其设计流程  28-32
    2.4.1 FPGA 的结构与特点  29
    2.4.2 FPGA 的设计流程  29-32
  2.5 编码器高频抖动分析  32-33
  2.6 本章小结  33-34
第3章基于 FPGA 的采集系统设计  34-55
  3.1 系统各部分硬件设计  34-46
    3.1.1 FPGA 的选型  34-35
    3.1.2 RS422 接口电路设计  35-36
    3.1.3 数码管显示电路设计  36-39
    3.1.4 电源设计  39
    3.1.5 系统时钟设计  39-40
    3.1.6 下载配置设计  40-45
    3.1.7 印制电路板PCB 的设计  45-46
  3.2 FPGA 设计原则  46-49
    3.2.1 FPGA 的基本设计方法  46-48
    3.2.2 FPGA 的设计原则  48-49
  3.3 FPGA 内部工作模块  49-54
    3.3.1 滤波模块设计  50-52
    3.3.2 倍频鉴相模块设计  52-53
    3.3.3 计数模块  53-54
    3.3.4 UART 输出模块  54
  3.4 本章小节  54-55
第4章系统软件设计及仿真  55-62
  4.1 Verilog HDL 及其应用  55-58
    4.1.1 概述  55-57
    4.1.2 Verilog HDL 的优点  57-58
  4.2 设计模块的描述  58-61
    4.2.1 滤波模块的描述  58-59
    4.2.2 倍频鉴相模块描述  59-60
    4.2.3 UART 模块描述  60-61
  4.3 本章小节  61-62
第5章调试方法及验证  62-67
  5.1 硬件调试  62-64
    5.1.1 FPGA 芯片的调试  63
    5.1.2 FPGA 外围电路的调试  63-64
  5.2 软件调试  64-66
  5.3 本章小结  66-67
第6章总结与展望  67-68
参考文献  68-70
在学期间学术成果情况  70-71
指导教师及作者简介  71-72
致谢  72

光栅数字信号采集技术研究

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