大行程納米定位平臺的位移數據采集系統*

孫振寧，馬樹元

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

大行程納米定位平臺的位移數據采集系統*

孫振寧，馬樹元

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

針對磁懸浮結構的大行程納米定位平臺的位移數據采集問題進行了研究。高精度的位置傳感器對實現反饋控制起著決定性的作用，能否實現精確的位置數據傳輸，決定了是否能夠準確地控制納米磁懸浮平臺。為了實現磁懸浮平臺準確的數據傳輸，設計了基于USB傳輸芯片以及FPGA的數據采集傳輸系統。采用QEP計數方法，實現了對正交差分信號上升沿的計數工作，通過試驗及仿真，驗證了電路各模塊之間的可行性及有效性，實現了納米定位平臺位移的精確獲取。

激光干涉儀；QEP計數；FT245RL；FPGA

磁懸浮結構的運動平臺不存在機械摩擦，適用于高速和精密的機械運動機構。磁懸浮系統非接觸的特點，決定了其在精密定位和運動中具有獨特的優勢[1]。近年來， 基于磁懸浮技術的納米定位平臺成為了研究的熱點，更高精度和更大行程成為了納米定位平臺的主要研究方向[2-3]。精密定位平臺的控制需要高精度的反饋傳感信息，能否實現高精度的平臺位移信息反饋，是實現位移平臺精確控制的關鍵因素之一。傳統的精密位移測量元件[4](如光柵尺和電容測微器等)都無法同時滿足本精密定位平臺非接觸、大行程以及二維測量的精密位移檢測要求。

為滿足新型平臺位移測量要求，采用雙軸激光干涉儀作為位移測量元件，并基于數字化控制原理，選用I/O口豐富的FPGA構建數據采集系統。采用QEP編碼盤原理，高速處理激光干涉儀輸出精密位移測量信號。應用USB傳輸芯片，使系統通過USB接口完成與PC機的實時通信，大大提高了系統的通用性[5-6]，滿足了新型大行程納米定位平臺對于精密位移測量的要求。

1 納米定位平臺及位移測量系統

本文所研究的大行程磁懸浮式納米二維定位平臺(見圖1)，是由Halbach 永磁陣列以及定子線圈組成的4個直線電動機[7]同時提供豎直的懸浮力和水平驅動力。由于永磁陣列磁場的非線性，磁懸浮平臺中的電磁力是一種典型的非線性力，而且在豎直方向與水平方向上的電磁力互相耦合，因此精確位移測量信號在控制策略中起著非常重要的作用。

圖1 納米定位平臺結構示意圖

光柵測量雖然可以實現納米級精度，但普通光柵尺無法實現二維測量，現有的二維測量光柵尺也無法滿足高精度測量的要求，此外，電容傳感器也只能在微米級量程范圍內保證納米級精度，無法滿足大行程運動平臺的要求；因此，為了實現非接觸式的大行程納米級精度的位移測量及快速的數據傳輸，應采用納米級精度的激光干涉儀作為平臺位移的測量元件。

2 定位平臺位移數據采集及傳輸系統

精確位移測量信號在控制策略中起著決定性的作用，能否完成位移測量信號的傳輸，是定位平臺能否進行精確控制和監視的決定性因素。實時、精確地采集和處理激光干涉儀的數據是實現平臺二維納米運動精度的重要前提。激光干涉儀的分辨率為10 nm，即每經歷10 nm的位移，輸出1個差分信號脈沖。采用QEP計數方式對脈沖進行計數，為滿足平臺50 mm的位移需求，計數脈沖的最大值為50 mm/10 nm，約為222，因此脈沖計數寄存器至少為22位，為滿足大行程測量要求，配置了24位寄存器。FPGA可以通過編程語言的開發配置為用戶所需要的多種功能，為滿足本系統中大行程位移傳輸系統的QEP計數位數要求，選擇了I/O口豐富的CycloneⅣ EPC4CE15 FPGA芯片，其最大I/O口為343，主頻300 MHz，可以滿足位移數據傳輸系統的QEP計數位數以及實時傳輸的要求。FPGA模塊通過QEP計數方法實現對激光干涉儀正交差分信號的處理，并通過FIFO轉USB通信芯片通過USB接口實時上傳數據至上位機中，進行數據的處理和觀察。系統框圖如圖2虛線框中所示。

圖2 系統整體方案框圖

3 基于FPGA的激光干涉儀數據采集原理

激光干涉儀是精確的位移傳感器，用來檢測磁懸浮平臺的XY方向位移。當磁懸浮平臺發生位移時，激光干涉儀將輸出A、B兩相正交差分信號，即位移發生時，2個信號在相位上相差90°，通過這種有相位差信號的個數來記錄被測量對象的位移。差分信號如圖3所示。

圖3 激光干涉儀輸出信號示意圖

差分信號經過MAX3096ESE芯片轉換成TTL邏輯電平，輸入到FPGA模塊中進行處理。FPGA采用編碼盤(QEP)方式進行計數[8]。計數值和激光干涉儀分辨率的乘積即為位移。A、B 兩相信號的超前(滯后)關系決定了計數的增減，同時也確定了位移的方向。當正向移動時，A、B兩相信號電平變化順序為00、10、11、01、00循環；當反向移動時，電平變化順序為00、01、11、10、00，通過檢測差分信號的電平變化實現計數工作。QEP計數示意圖如圖4所示。

圖4 QEP計數示意圖

FPGA內部QEP計數模塊的仿真結果如圖5所示，其中A、B為模擬的激光干涉儀輸入到FPGA中的差分信號，QEP_OUT為輸出計數結果。本文規定，A相差分信號領先90°時計數值增加，B相信號領先90°時計數值減小。仿真結果中數字按照A、B差分信號的相位先后的增減變化，驗證了FPGA中的QEP計數模塊的正確性。

4 USB傳輸電路設計

如前所述，激光干涉儀所測得的位移信號經由正交差分信號輸出，FPGA接收后經QEP模塊計數，而為了實現數據的進一步處理，計數值還需上傳至上位機(PC機)，以便于觀察平臺的位移變化。PC機的USB接口傳輸目前應用非常廣泛，因此FPGA輸出的并行數據轉USB串行數據傳輸芯片是該模塊的核心[9]。選用FTDI公司生產的FT245RL USB通信芯片，它無需編寫片內固件程序，PC機端可使用其驅動程序實現數據傳輸，傳輸速率可達1 MB/s。該芯片可以實現USB串行數據格式與并行數據格式雙向數據傳輸，FPGA可以通過并行方式與其進行通信，同時PC機可直接通過USB接口與FT245RL進行通訊，采用USB總線供電的方式，即可實現本系統的數據通信；同時因為使用USB接口直接進行數據傳輸，大大提高了系統的適用性[10]。其讀寫模塊原理如圖6所示。

圖5 FPGA中QEP模塊計數Moeldsim仿真結果

圖6 FPGA與FT245RL讀寫模塊原理示意圖

FT245RL通過8位并行數據口和4個讀寫狀態控制RXF#，RXF#為FT245RL內部FIFO的滿、空標志信號線，RD#和WR分別為FT245RL的讀和寫標志信號線[11]。為避免在傳輸過程中可能產生的電流沖擊導致FT245RL復位，系統使用了USB6B1芯片作為上位機USB接口與FT245RL芯片之間的數據保護芯片。PC機軟件端的結構圖和流程圖如圖7所示。FPGA向FT245RL芯片傳輸數據的仿真結果如圖9所示，可以看到測試數據TX_data_to_usb被準確傳輸至USB_DATA的數據總線中，驗證了FPGA與FT245RL芯片通信的正確性。

圖7 上位機軟件的結構圖和流程圖

圖8 USB讀寫模塊Modelsim仿真結果

5 激光干涉儀差分信號采集試驗驗證

激光干涉儀輸出的位移信號經過MAX3096ESE電平轉換芯片，轉換為TTL電平信號后由FPGA進行采集。由于激光傳感器精度極高，微小位移變化即可得到輸出的差分信號。通過給予反射鏡微小位移變化，得到轉換的A、B相差分信號在示波器上的波形圖如圖9所示，可以看到在發生微小移動時激光干涉儀輸出的差分信號。

圖9 激光干涉儀輸出的A、B正交差分信號

通過調用FT245RL驅動程序內的動態鏈接庫，編寫USB傳輸芯片PC端接收程序，得到在給予反射鏡微小位移時PC端接收軟件顯示為一個不斷變化的數字(QEP計數值)，試驗驗證了本數據傳輸系統的正確性。

6 結語

針對高精度大行程磁懸浮納米二維定位平臺精確位移反饋的問題，選擇滿足平臺非接觸大量程二維測量的雙路激光干涉儀作為位移檢測元件，進行了相關QEP計數值及其通過USB進行傳輸的研究，構建了基于USB傳輸芯片以及FPGA的數據采集傳輸系統，傳輸系統通過QEP編碼盤原理對激光干涉儀輸出的位移差分方波進行快速準確的計數，并選用FIFO轉USB的FT245RL通信芯片將系統檢測結果傳至上位機中，大大提高了本系統的通用性，滿足了激光干涉儀的正交差分信號處理和傳輸功能，實現了大行程納米定位平臺位移信號的精確測量及傳輸。

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責任編輯馬彤

DesignofDisplacementAquisitionSystemforLongStrokeNano-positioningStage

SUN Zhenning，MA Shuyuan

(School of Machinery and Vehicles, Beijing Institute of Technology, Beijing100081, China)

The key point for a long stroke nano-positioning stage is the accurate positioning, and an accurate displacement aquisition system is very important for feedback control of the long stroke nano-positioning stage. For achieving a high precision data transmission, this paper design a displacement aquisition system based on FPGA and USB transfer chip. By using the theory of QEP counter, the counting of the quadrature signal is done, and by experiment we confirm that this system is viable and valid, so we realize the goal of the achievement of the accurate displacement of long stroke nano-positioning stage.

laser interferometer，QEP，FT245RL，FPGA

TM 935.1

：A

孫振寧(1989-)，男，碩士研究生，主要從事大行程精密定位及控制等方面的研究。

2014-10-21