基于FPGA和PCI的高精度測速板卡的設計與實現

摘要：經典的碼盤數字測速方法有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，設計并實現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，測速得到的數據通過PCI總線從設備控制器實現與控制計算機通信。從而根據實際傳輸的需要，簡化了PCI從設備控制器，實現了PCI總線I／O普通讀與猝發讀數據的功能。
關鍵詞：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，可靠性高，適合于長距離傳輸的位置與速度測量裝置，已成功應用于大量的控制系統中，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，設計實現一種在較寬速度范圍都有較高精度并且有良好反應速度的速度、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的反饋脈沖數來測量速度的，低速時會因為脈沖數少而影響測速精度；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致精度不高；M／T法結合了前兩種方法的優點，在大致相等的采樣間隔內，計取Cm個反饋脈沖，并同時計取這Cm個反饋脈沖間隔內插入的高頻時標信號數Cf，經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不確定，精度不高等問題，這給定周期采樣的數字伺服控制系統帶來很大的不便，所以又出現了變M／T法等方法，以進一步改善M／T法的性能和實用性。
本文利用FPGA實現了一種改進的M／T法，克服經典M／T法的不足，其測速電路與控制器間的數據接口形式有PCI總線和雙端口RAM，便于在高性能控制系統中使用。

1 總體方案
根據控制系統的實際情況，所設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M／T法測速模塊、PCI從設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之間的相位關系標志被測軸的轉向，即當正轉時A相超前B相90°，反轉時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A，B兩方波信號之間相位關系的4次變化，即可產生四倍頻信號和辨向信號，這樣就可以實現增量式碼盤測量精度的提高。