安全玻璃缺陷光學檢測系統中的電路設計

楊 杰 趙曉芳

（東莞理工學院 廣東 東莞 523808）

0 引言

在安全玻璃的缺陷檢測中， 通常被檢對象的尺寸很小，約為40μm 數量級。檢測系統不僅需要確定缺陷位置，還要精確測定其外形特征， 結合光學特征進一步判斷缺陷的性質。因此，檢測平臺的幾何尺度測量必須有很高的精度。 為之，在設計的檢測系統中采用了光柵位移傳感器作為測試手段。

光柵位移傳感器（即光柵尺）是進行高精度位移測量的最常用的裝置，它將位移量通過光柵的透射轉換成莫爾條紋的移動，然后經光電轉換電路轉換成電信號輸出。 當主光柵與指示光柵相對移動一個條紋距離時，輸出的電信號變化一個周期。 通過對信號變化周期的測量，進而測出移動的距離。

1 光柵尺接口信號及電路功能要求

方波輸出的光柵尺，所輸出的電信號通常包括有A 相、B相和Z 相三個方波，其中A 相信號為主信號, B 相為副信號,兩個信號的周期相同,相位差90。 Z 相信號作為校準信號，用以消除累積誤差。 若光柵尺正向運動時，A 信號超前B 信號,在A 信號下降沿，B 信號為“1”；當光柵尺反向運動時，A 信號滯后B 信號, 在A 信號下降沿，B 信號為“0”；根據讀到的B 信號的數據并對A 信號的周期進行計數（正向計數或逆向計數）, 就可以測算出總位移[1]。

光柵尺的測量精度受柵線密度的限制。 用電路信號細分的方法可以提高測量精度。 故需設計光柵尺專用的接口電路，完成細分辨向、可逆計數和數據傳輸等任務。

實現上述功能有多種硬件方案可供選擇。 我們采用美國Altera 公司的Cyclone II 系列的EP2C5T144C8N （FPGA 芯片）完成信號處理，采用南京沁恒公司的CH372（USB 總線的接口芯片）實現FPGA 與PC 機的數據傳遞，較好地實現了上述目標。

2 核心電路設計

2.1 細分辨向電路

根據光柵尺的工作原理，動尺每移動一個柵距，其A、B兩路輸出方波變化一個周期。 對位移的測量就轉變為對輸出方波的計數，每當信號有上升沿或下降沿（2 選1）時，產生計數變化。換言之，光柵尺每移動1 個柵距只計1 次數。如果讓計數器在A、B 兩路信號的上升沿以及下降沿均產生計數，則同樣光柵尺移動1 個柵距，會有4 次計數效果。 也就是說，光柵尺在1 個柵距內，每移動1/4 柵距就產生1 次計數，相當于把柵距縮小了4 倍，或者說精度提高了4 倍。 這就是細分電路所要實現的功能[2]。

設計細分電路， 關鍵在于鑒別出信號的上升沿和下降沿。 以A 信號為例，所謂“上升沿”和“下降沿”就是短時間A信號發生了變化（不同）。 據此，我們設計了用D 觸發器構成的2 級移位寄存器，其時鐘由外部提供，頻率遠高于光柵輸出信號。 觸發器不斷對光柵輸出信號進行高速鎖存采樣，寄存器中保存了A 信號最近的兩次采樣值。 同時我們注意到，當光柵尺正向運動時，A 相信號的上升沿發生在B 信號為0時，而下降沿發生在B 信號為1 時。 因此，采用圖2 所示的電路就可檢出正向運動時A 信號的下降沿，采用圖3 所示的電路就可檢出正向運動時A 信號的上升沿。

圖2 正向運動時A 信號下降沿檢出電路

圖3 正向運動時A 信號上升沿檢出電路

正向運動時B 信號的上升沿、下降沿檢出電路也完全類似，而對調AB 信號則可得到反向運動時A 信號、B 信號的上升沿以及下降沿檢出電路。 把上述電路各部分進行合并、整合，即可得到完整的細分電路。 最終設計出的電路如圖4 所示。

圖4 四細分及辨向電路

當光柵尺正向運動時，從CLK_UP 信號端輸出四倍頻脈沖，而CLK_DOWN 端無信號輸出。 當光柵尺反向運動時，從CLK_DOWN 信號端輸出四倍頻脈沖， 而CLK_UP 端無信號輸出。 因此， 兩者就是我們所需的可逆計數器的計數脈沖。CLK_UP 和CLK_DOWN 信號控制RS 觸發器， 產生EN_UP信號，對細分后的信號進行辨向。 只有這樣，才能真正提高測量精度。

2.2 USB 接口電路

外設與PC 機進行信息交換，USB 是最方便的模式。本系統采用了南京沁恒公司的CH372 芯片， 實現了FPGA 與PC機的數據傳遞。

CH372 是一個USB 接口芯片[3]，它內置了USB 通訊的底層協議，因而大大簡化了USB 接口的軟件工作量；同時它具有8 位數據總線和讀、寫、片選控制線和中斷輸出，可以很容易掛到FPGA 控制器的系統總線上；在計算機系統中，CH372所帶有的配套軟件具有簡單的操作接口，很容易與FPGA 進行通信操作。 系統中，CH372 的工作方式為從機方式，即將它作為從機掛接到FPGA 的數據總線上與上位機進行通信。

圖5 FPGA 通過CH372 與計算機接口原理圖

2.3 電路整體結構

光柵尺接口電路整體框圖如圖5 所示。 整個系統包括X、Y 兩個方向的四細分辨向電路、24 位的計數電路、 數據鎖存、地址譯碼、總線控制以及USB 接口電路等組成。

圖6 接口電路整體框圖

3 結束語

本設計的FPGA 部分使用VHDL 編程， 在Quartus II 環境下編譯、仿真通過。用配置芯片EPCS4 保存代碼，每次上電自動對EP2C5T144C8N 進行主動配置。 同時借助于CH372構成的USB 口，與PC 機進行信息交換也快速、方便。 該模塊已成功運用于筆者設計的安全玻璃缺陷光學檢測系統中。 實際使用情況表明，性能穩定可靠，功能符合要求。

［1］王成元，常國祥，夏加寬.基于FPGA 的光柵信號智能接口模塊[J].電氣傳動，2007，4.

［2］金鋒，盧楊，王文松，張玉平.光柵四倍頻細分電路模塊的分析與設計[J].北京理工大學學報，2006，12.

［3］CH372 技術手冊，http://wch.cn[OL].