摘要：經(jīng)典的碼盤數(shù)字測速方法有M法、T法、M／T法，但都有一定的不足。為了克服原有方法的不足，設(shè)計并實現(xiàn)了一種在較大速度范圍都有良好精度和良好快速性的測速方法。電路采用FPGA實現(xiàn)，測速得到的數(shù)據(jù)通過PCI總線從設(shè)備控制器實現(xiàn)與控制計算機(jī)通信。從而根據(jù)實際傳輸?shù)男枰?，簡化了PCI從設(shè)備控制器，實現(xiàn)了PCI總線I／O普通讀與猝發(fā)讀數(shù)據(jù)的功能。
關(guān)鍵詞：測速；FPGA；PCI；M／T

O 引言
    增量式碼盤是一種原理簡單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸?shù)奈恢门c速度測量裝置，已成功應(yīng)用于大量的控制系統(tǒng)中，極大地提高了其位置控制精度。理論上，只要測得碼盤輸出信號的頻率，即可得到被測軸的轉(zhuǎn)速，并且可以得到比模擬方法更高的測量精度。本文以增量式碼盤為基礎(chǔ)，設(shè)計實現(xiàn)一種在較寬速度范圍都有較高精度并且有良好反應(yīng)速度的速度、位置測量裝置。
    利用增量式碼盤的反饋脈沖信號測量速度的典型方法有3種：M法、T法和M／T法。其中，M法是直接計取給定采樣周期內(nèi)的反饋脈沖數(shù)來測量速度的，低速時會因為脈沖數(shù)少而影響測速精度；T法是通過測量兩個相鄰反饋脈沖的間隔時間來測量速度的，高速時則因為脈沖間隔短而導(dǎo)致精度不高；M／T法結(jié)合了前兩種方法的優(yōu)點，在大致相等的采樣間隔內(nèi)，計取Cm個反饋脈沖，并同時計取這Cm個反饋脈沖間隔內(nèi)插入的高頻時標(biāo)信號數(shù)Cf，經(jīng)計算得到速度測量值。M／T法雖然克服了前兩種方法的缺點，但仍存在低速時采樣時機(jī)不確定，精度不高等問題，這給定周期采樣的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)帶來很大的不便，所以又出現(xiàn)了變M／T法等方法，以進(jìn)一步改善M／T法的性能和實用性。
    本文利用FPGA實現(xiàn)了一種改進(jìn)的M／T法，克服經(jīng)典M／T法的不足，其測速電路與控制器間的數(shù)據(jù)接口形式有PCI總線和雙端口RAM，便于在高性能控制系統(tǒng)中使用。

1 總體方案
    根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況，所設(shè)計的測速板具有位置測量和速度測量功能，如圖1所示，由倍頻辨向模塊、改進(jìn)M／T法測速模塊、PCI從設(shè)備控制器三個部分組成。

1．1 倍頻辨向
    增量式碼盤的典型輸出是兩個相位差為90°的方波信號A，B以及零位脈沖信號Z(見圖2)。

    A，B之間的相位關(guān)系標(biāo)志被測軸的轉(zhuǎn)向，即當(dāng)正轉(zhuǎn)時A相超前B相90°，反轉(zhuǎn)時B相超前A相90°。對于每個確定的碼盤，其脈沖周期T對應(yīng)的碼盤角位移固定為θ，故其量化誤差為θ／2。如果能將A，B信號四倍頻，則計數(shù)脈沖的周期將減小到T／4，量化誤差下降為θ／8，從而使增量式碼盤的角位移測量精度提高4倍。從圖2可知，根據(jù)A，B兩方波信號之間相位關(guān)系的4次變化，即可產(chǎn)生四倍頻信號和辨向信號，這樣就可以實現(xiàn)增量式碼盤測量精度的提高。
1．2 改進(jìn)的M／T測速算法
    圖3展示了改進(jìn)M／T法的電路原理，這是實現(xiàn)高精度的硬件基礎(chǔ)。圖4為改進(jìn)M／T法的時序圖。

    對圖3及其時序圖4的分析可以看出：本測速電路在每個反饋脈沖時鎖存高頻時鐘的計數(shù)值，兩個采樣周期間的高頻時標(biāo)增量值Ct實際表示為T2前一個反饋脈沖上升沿到T4前一個反饋脈沖上升沿的高頻時標(biāo)增量，而在采樣周期內(nèi)每個反饋脈沖到來都對反饋脈沖計數(shù)器計數(shù)，兩個采樣脈沖采得反饋脈沖增量值Cm實際表示為T1～T3之間的反饋脈沖增量值，位置的反饋脈沖增量值則是在Cm的基礎(chǔ)上考慮方向得到的，那么結(jié)合32位浮點運算，這種測速方法就解決了采樣時機(jī)不確定的缺點。
    根據(jù)上述分析，通過差分處理就可得到當(dāng)前實際采樣間隔內(nèi)的反饋脈沖增量值Cm和高頻時標(biāo)增量值Ct：
    
    這樣得到的速度是當(dāng)前實際采樣間隔內(nèi)的平均速度：
    
    式中：KR為反饋信號脈沖當(dāng)量；fo為高頻時標(biāo)頻率。
    在實際采樣點T2處，高頻時標(biāo)信號fo的邊沿不能總與反饋脈沖信號plus的邊沿保持一致，因而會產(chǎn)生±1個高頻時標(biāo)當(dāng)量的計數(shù)誤差，從而影響這種測速算法的測速精度。因此高精度數(shù)字測速算法的測速相對誤差為：
    
    動態(tài)位置算法不僅關(guān)注已經(jīng)發(fā)生的反饋脈沖數(shù)量，也關(guān)注反饋脈沖的發(fā)生時刻，其硬件基礎(chǔ)是依據(jù)圖3所示邏輯電路的。根據(jù)當(dāng)前有效采樣周期的定周期采樣點和實際采樣點之間的時間差：
    
    并根據(jù)改進(jìn)的M／T法得到被測對象的平均速度vn，由vn和△Tn相乘就可以計算出時間差△T(n)中所包含的動態(tài)位置信息，因此由當(dāng)前有效采樣周期內(nèi)的增量式高精度動態(tài)位置信息可以得出位置量：
    
    可根據(jù)這種方法完成測位置的功能。

2 各個模塊VHDL實現(xiàn)
    根據(jù)圖1的總體設(shè)計方案，使用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)如下幾個模塊。
2．1 倍頻辨向模塊
    為便于使用VHDL語言描述，對圖2的碼盤信號作如下分析：
    (1)當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，在一個周期T內(nèi)，A，B兩相信號共有4次相對變化：00→1O→11→01。這樣，根據(jù)前一次和當(dāng)前的信號，就可以判斷方向，并產(chǎn)生四倍頻脈沖。
    (2)同理當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，也根據(jù)A，B兩相信號的4次相對變化：00→01→11→10，可以判斷方向，并產(chǎn)生四倍頻脈沖信號。
    (3)當(dāng)線路受到干擾或出現(xiàn)故障時，則可能出現(xiàn)其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，此時不產(chǎn)生脈沖。
    根據(jù)上述分析就可以設(shè)計出測速辨向模塊，當(dāng)判斷正轉(zhuǎn)時，把方向輸出置‘1’，反向時置‘O’。
2．2 改進(jìn)M／T法測速模塊
    如圖3所示可以看出，本部分的VHDL設(shè)計分成兩個模塊：計數(shù)器模塊與鎖存器模塊。
    其中，計數(shù)器模塊分為兩種：高頻時標(biāo)計數(shù)器和反饋脈沖計數(shù)器。高頻時標(biāo)計數(shù)器在每個高頻時標(biāo)的上升沿都做+1計數(shù)，在每個反饋脈沖的上升沿對計數(shù)值鎖存。反饋脈沖計數(shù)器，需要兩個輸出：反饋脈沖計數(shù)值Cm、位置反饋脈沖計數(shù)值。其中，Cm的增量值用于速度的計算，所以在每一個反饋脈沖到來時，計數(shù)器都+1；的計數(shù)值用于位置的計算，所以它是在Cm的基礎(chǔ)上考慮了碼盤方向得到的計數(shù)值，在正轉(zhuǎn)時反饋脈沖計數(shù)器+1，反轉(zhuǎn)時-1，當(dāng)零位脈沖Z有效時，對其置0。然后分別輸出Cm，，由此就可以得到反饋脈沖計數(shù)器模塊。
    在每個采樣周期的上升沿還要鎖存Cm，Ct的增量值和與Ct的差值，由于都做了差分處理，所以這三個鎖存器使用雙字就能滿足設(shè)計要求，而鎖存器在零位信號Z后不進(jìn)行差分處理，若采用36 000刻增量式碼盤，并進(jìn)行10 000倍頻，位置范圍為±720°，那么需要的最大計數(shù)值為：
    (36 000×10 000×720×2)／360=1 440 000 000
    可見，雙字鎖存器也能滿足設(shè)計要求。
    綜上所述，本設(shè)計設(shè)置了4個雙字信號鎖存器Cm，，Ct，，同時還需要對其控制輸出，所以在PCI從設(shè)備控制器中為I／O分配4個雙字的地址空間。然后根據(jù)PCI總線給出的地址信號PCI_AD[3：2]和數(shù)據(jù)輸出使能信號DATA_EN對這4個雙字寄存器尋址輸出。
2．3 PCI接口控制器
    PCI的時序規(guī)則和PCI的總線協(xié)議由PCI接口控制器實現(xiàn)，同時它還負(fù)責(zé)傳遞地址和數(shù)據(jù)輸出使能信號給測速模塊，實現(xiàn)I／O口的基本讀與猝發(fā)讀數(shù)據(jù)功能。
    從設(shè)備控制器包括2個部分：奇偶校驗?zāi)K和PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)。
2．3．1 奇偶校驗?zāi)K
    PCI的奇偶校驗提供了一種機(jī)制來決定一件作業(yè)。該作業(yè)判斷主設(shè)備是否成功地尋址相應(yīng)的從設(shè)備，且數(shù)據(jù)是否正確地在它們之間傳輸。通過該模塊完成數(shù)據(jù)傳輸過程中PCI_AD和PCI_CBE的偶校驗。偶校驗的輸出信號在地址和數(shù)據(jù)周期有效，其產(chǎn)生的規(guī)則是使偶校驗輸出、PCI_ CBE、PCI_AD各位的‘1’的個數(shù)為偶數(shù)。那么采用把PCI_AD與PCI_CBE各位異或的方法，就可以實現(xiàn)偶校驗的功能。
2．3．2 PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)
    PCI從設(shè)備控制器是PCI接口設(shè)計的核心模塊，按功能來說，它要產(chǎn)生奇偶校驗和數(shù)據(jù)的使能信號，并根據(jù)PCI_AD和PCI_CBE產(chǎn)生讀地址，完成主從設(shè)備的握手信號，并且實現(xiàn)從設(shè)備狀態(tài)機(jī)在各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
    由于本設(shè)計只需要完成I／0讀操作，本狀態(tài)機(jī)設(shè)計配置空間的功能放在了從設(shè)備控制器來完成，同時刪去了PCI操作中對存儲器空間、配置空間的操作，結(jié)合PCI總線的傳輸時序，如圖5給出了其基本結(jié)構(gòu)。

    (1)空閑狀態(tài)為PCI從設(shè)備的初始狀態(tài)，在沒有任何操作的時候，PCI從設(shè)備將始終保持這個狀態(tài)；
    (2)每次數(shù)據(jù)傳輸時首先傳出地址和命令字，根據(jù)地址和命令字確定是不是對本設(shè)備的訪問，并確定訪問的首地址；從設(shè)備則從命令字中識別該訪問是讀操作還是寫操作；
    (3)讀訪問只有在信號IRDY，TRDY，DEVSEL都為低狀態(tài)時才能進(jìn)行；
    (4)猝發(fā)傳輸需要通過地址遞增邏輯來實現(xiàn)地址的自動遞加；其地址遞增的周期為數(shù)據(jù)周期和最后傳輸周期總和，在等待周期暫停遞增；
    (5)主從設(shè)備中任一方?jīng)]有準(zhǔn)備好，操作中都需要能夠引起等待狀態(tài)插入的活動；
    (6)讀操作還有一個中間準(zhǔn)備過程。
    那么完成本狀態(tài)機(jī)需要6個狀態(tài)：idle表示空閑狀態(tài)；addr表示地址周期；turnad表示讀轉(zhuǎn)換周期；data表示數(shù)據(jù)傳輸周期；lasttra表示最后傳輸周期；wait表示等待周期；在各個狀態(tài)到來時還要對中間信號、輸出信號和本地信號執(zhí)行相應(yīng)的操作：
    (1)idle，addr，turnad周期對PCI_TFRDYn和PCIDEVSELn置高電平；addr周期依據(jù)地址信號確定是否選中本機(jī)，識別是否為讀操作；addr周期輸出PCI_AD[3：2]對寄存器進(jìn)行尋址，實現(xiàn)讀操作。
    (2)data，lasttra周期對PCI_TRDYn和PCI_DEVSELn置低電平；data，lasttra周期置DATA_EN有效并輸出。
    (3)addr，data，lasttra周期置奇偶校驗有效。
    (4)等待周期置PCI_TRDYn和PCI_DEVSELn低電平。
    根據(jù)對PCI總線傳輸時序的分析，影響各個狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的因素是：幀同步信號PCI_FRAMEn、主設(shè)備準(zhǔn)備好信號PCI_IRDYn、讀識別信號READn。其中，READn用來標(biāo)識狀態(tài)addr產(chǎn)生的中間識別信號。

3 測試平臺與仿真測試
    這種改進(jìn)M／T數(shù)字測速及位置檢測算法的硬件采用Xilinx公司的FPGA XC3S400。使用36 000刻的增量式碼盤，速度環(huán)采樣周期T設(shè)定為1 ms，高頻時標(biāo)信號的頻率為40 MHz，結(jié)合PC運算的數(shù)字測速算法可以在速度O．001～150(°)／s的范圍內(nèi)獲得±2．5×10-5 s的測速精度。與此同時，高精度動態(tài)位置檢測算法可以使位置反饋的動態(tài)測量分辨率提高到10-2～10-6個脈沖當(dāng)量。
    對編寫好的VHDL程序采用ISE進(jìn)行綜合，并編寫測試平臺，用ModelSim對其進(jìn)行仿真測試。圖6為PCI控制器的仿真圖，圖中state表示狀態(tài)機(jī)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換的過程，狀態(tài)1表示空閑狀態(tài)，狀態(tài)2表示地址周期，狀態(tài)4表示讀轉(zhuǎn)換周期，狀態(tài)8表示最后傳輸周期，狀態(tài)9表示猝發(fā)讀寫周期。

    該I／O讀操作，將地址為1的寄存器讀出。這里設(shè)定I／O地址為0X200～0X20F這4個雙字空間，那么在地址周期中地址0X204的2～3位尋址于寄存器的第一個雙字，其后緊跟的是讀的轉(zhuǎn)換周期，猝發(fā)讀寫周期和最后一位讀寫周期?？梢钥闯?，這兩個周期都對這個寄存器進(jìn)行了讀操作。

4 結(jié)語
    本文介紹了使用FPGA設(shè)計和實現(xiàn)基于PCI總線傳輸?shù)母倪M(jìn)型M／T法測速電路，它克服了經(jīng)典測速方法的幾個缺點，在較大速度范圍內(nèi)都具有良好的精度。同時使用FPGA設(shè)計和實現(xiàn)了PCI從設(shè)備控制器，使得測速電路的設(shè)計與PCI總線的設(shè)計成為一個整體，節(jié)省了板上器件，也使得整個設(shè)計信號在FPGA內(nèi)部流動，具有更加良好的抗干擾能力和穩(wěn)定性。