摘 要

光栅编码器是集电、机、光技术于一体的传感器，能实现直线位移功能，有精度高、抗干扰能力强的优点。本文基于FPGA设计了一个增量式光栅编码器的采集传输系统。

本文首先阐述了光栅编码器的工作原理和输出特性，以瑞普REP增量型旋转编码器为例，对相应的数据采集传输系统基本功能和组成结构进行了需求分析；基于可编程逻辑器件的一般设计方法，针对信号频率较高、信号接收速度不足等问题，提出了以高度集成的FPGA芯片为核心的信号解码、数据传输设计方案；进行了接口、滤波、计数、辨向、数据传输模块的软硬件设计，以最终实现将数据传输给上位机。

设计选用了MAX10芯片，是以使用Altera公司旗下的QUARTUS II作为开发背景来完成的。一系列的仿真实验 ，验证了该信号采集系统的功能与性能，均满足一般应用场景下信号频率与数据采集速度的要求。

关键词：增量式光栅编码器，FPGA，采集传输系统。

Abstract

Grating encoder is a sensor integrating current collection, mechanical and optical technology, which can realize linear displacement function and has the advantages of high precision and strong anti-interference ability. This paper designs an acquisition and transmission system of incremental raster encoder based on FPGA.

Firstly, this paper expounds the working principle and output characteristics of raster encoder, and takes the REP incremental rotary encoder as an example to analyze the basic functions and composition structure of the corresponding data acquisition and transmission system Based on the general design method of programmable logic device, aiming at the problems of high signal frequency and insufficient signal receiving speed, a design scheme of signal decoding and data transmission with highly integrated FPGA chip as the core is proposed The software and hardware design of interface, filtering, counting, direction discrimination and data transmission module are carried out, so as to finally realize the data transmission to the upper computer.

MAX10 chip is selected in the design, and QUARTUS II of Altera Company is used as the development background. A series of simulation experiments verify the function and performance of the signal acquisition system, which meet the requirements of signal frequency and data acquisition speed in general application scenarios.

Keyword： incremental grating encoder, FPGA, acquisition and transmission system.

目录

第1章 绪论 1

1.1增量式光栅编码器的关键技术和发展 1

1.2 增量式光栅编码器的编码信号接收 3

1.3数据采集系统 3

1.4 FPGA芯片简介与发展 3

1.5主要研究内容 4

第2章 系统需求分析及整体设计方案 5

2.1 增量式光栅编码器的介绍 5

2.2需求分析及功能模块的划分 5

2.3 FPGA芯片逻辑设计背景及语言的选择 6

2.4总体设计方案与FPGA选型 7

2.4.1总体设计方案 7

2.4.2 FPGA芯片的选择 7

2.5 FPGA及系统的一般设计方法 8

第3章数据采集与传输的具体设计与实现 9

3.1模块设计 9

3.1.1滤波模块 9

3.1.2鉴相比较模块以及解码模块 12

3.1.3数据传输模块 14

3.1.4 FPGA的配置 21

3.2使用Quartus II软件进行集成 21

3.3使用MODELSIM进行波形仿真 22

3.4使用LABVIEW实现上位机应用 23

第4章 系统的仿真与调试 25

4.1运用QUARTUA II进行程序书写与编译 25

4.2运用MODELSIM和quartus II进行联合仿真 26

第5章 总结与展望 29

5.1总结 29

5.2不足与展望 29

致谢 30

参考文献 31

附录 32

第1章 绪论

光栅编码器，在本质上是一种将光信号转变为电信号的传感器。以光电转换的方式把机械位移转变为相应的脉冲或数字量，我们在生活的许多方面都需要用到光栅编码器，光栅编码器有许多不同的种类，适用于不同的环境与工作，本次设计用到的是增量光栅编码器^[1]。

1.1增量式光栅编码器的关键技术和发展

光栅编码器运用了光电转化效应，光电转换过程的原理是通过光伏效应把光能直接转换成电能。增量式光栅传感器有许多优点，最主要的优点是成本较低、结构简单而且精度很高，能满足绝大部分情况下的测量需求。

如图1.1（a）所示，增量式光栅编码器码盘在每个分辨率区域的码盘刻线的每个单元输出一个脉冲，计数器对参考位置进行计数。正向旋转会使计数器增加一，而反向旋转会使计数器减少一。增量式编码器的优点是它们携带方便，脉冲响应非常快，内部结构简单并且易于维护^[2]。

如图1.1（b）所示，绝对式光栅编码器的每个读取信息位置都对应一个唯一的二进制数。绝对式光栅编码器优点如下：拥有着固定零点位置，输出信号与转轴的轴角有着固定的函数关系，这导致了在通电后可以直接启动，不像一般编码器还需要先进行零点的定位，因此广泛被用于类似于航天，科研部门等保存着重要数据信息的单位。 绝对型光电编码器的缺点是制造过程复杂并且难以使其小型化，这也导致了其价格较为昂贵。 ^[3]