摘 要： 介紹了一種基于有限狀態(tài)機（FSM）的高精度角度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Renishaw高精度增量式光電編碼器作為位置傳感器來測量角度，在FPGA上用VHDL語言描述與仿真有限狀態(tài)機，實現(xiàn)信號濾波與去抖，從而保證了計數(shù)器計數(shù)的正確性。在ARM9處理器上實現(xiàn)角度的實時計算，并控制轉臺旋轉。在激光跟蹤測量系統(tǒng)的工程應用中驗證了該系統(tǒng)的正確性和有效性。
關鍵詞： 有限狀態(tài)機； FPGA； 增量式光電編碼器； EP1C12Q240

激光跟蹤測量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測量系統(tǒng)中常用的一種高精度的測量儀器，是近十年發(fā)展起來的新型大尺寸空間測量儀器，不僅對靜止目標可以測量，而且對運動目標也可以進行跟蹤測量。它集合了激光測距技術、光電技術、精密機械技術、計算機及控制技術等各種先進技術，對空間運動目標進行跟蹤并實時測量目標的空間三維坐標。它具有快速、動態(tài)、精度高等優(yōu)點，適合于大尺寸工件配裝測量。在航空航天、機械制造、核工業(yè)、現(xiàn)代軍事等測量領域得到廣泛的應用。該系統(tǒng)的跟蹤精度在很大程度上依賴于轉臺的旋轉角度的測量精度。
為了提高系統(tǒng)轉臺旋轉角度測量的精度，本系統(tǒng)采用高分辨率的光電編碼器來測量角度。光電編碼器是利用光柵衍射原理實現(xiàn)位移數(shù)字變換的，光電編碼器作為一種高精度的測角傳感器已普遍應用于伺服跟蹤系統(tǒng)中,它具有精度高、響應快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。光電編碼器按編碼方式主要分為兩類：增量式與絕對式。由于增量式光電編碼器成本低、測角的精度高，因此本系統(tǒng)的增量式光電編碼器選用Renishaw公司的高精度圓光柵。
然而，由于機械振動或抖動等原因，增量式編碼器的輸出脈沖會出現(xiàn)抖動毛刺的現(xiàn)象，因此需要在對編碼器輸出脈沖進行計數(shù)的過程中采取有效的方法來去掉抖動干擾。本文介紹的有限狀態(tài)機方法，在FPGA上可以有效消除抖動引起的計數(shù)干擾，提高計數(shù)的精度[1]。
1 方案設計
1.1 系統(tǒng)組成
激光跟蹤測量系統(tǒng)的核心處理模塊主要由ARM處理器，F(xiàn)PGA組成。為了充分利用ARM9微處理器的運算能力和FPGA的高速邏輯處理能力，在設計中對功能的實現(xiàn)進行了劃分。ARM9 用于運動控制平臺的控制并且與FPGA一起形成一個完整的應用平臺。FPGA主要完成編碼器的精確計數(shù)功能、與ARM9處理器數(shù)據(jù)通信、與激光測距儀數(shù)據(jù)通信功能。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。本文重點介紹在FPGA上實現(xiàn)編碼器的輸出脈沖計數(shù)與角度測量。

1.2 增量式編碼器原理
增量型編碼器通常有3路信號輸出：A、B和Z，每路都是差分信號，共6路信號，信號采用TTL電平，A脈沖在前，B脈沖在后，A、B脈沖相差90°，每旋轉一圈發(fā)出一個基準脈沖Z，作為參考機械零位。Z相的波形中心對準A相輸出的波形中心。利用A相B相的相位差來進行判相，A超前B 90°為正轉，反之B超前A 90°為反轉。
由于增量式編碼器不帶記憶功能，因此對外界因素引起的干擾非常敏感，在實際應用中，由于機械振動、工作環(huán)境，電機負載等都無可避免地會產(chǎn)生震動，編碼器會在某一相的脈沖邊緣的地方出現(xiàn)抖動的情況，因此有效濾掉脈沖的抖動和毛刺，是提高計數(shù)精度的關鍵技術。編碼器輸出真實信號的波形如圖2所示[2-3]。