一種基于IC_NQC的數字振鏡位置檢測方法

廖文鑫，陳光勝

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

振鏡是激光振鏡掃描的核心部件，由于數字振鏡抗干擾能力強，已成為研究激光振鏡掃描的主要方向。在高精度數字振鏡控制系統中，通常采用正余弦編碼器獲取高精度位置數據，但正余弦編碼信號的糾偏和細分效果是影響位置檢測效果的重要因素。現階段常見的細分方法包括CORDIC 反正切算法細分、麥克勞林級數算法細分、閉環跟蹤算法細分、跟蹤環路算法細分等。

王強等［1］提出的CORDIC 反正切算法和李雪等［2］提出的優化CORDIC 反正切算法均在FPGA 上實現，但這類方法都不可避免地需要進行多次角度旋轉、運算迭代來計算細分值，迭代次數越多，細分精度也就越高，但運算處理時間也會隨之增加，造成算法獲取高精度位置周期長、消耗大。劉海龍等［3］提出運用麥克勞林級數展開式反向數據，直接擬合正余旋編碼信號的相位以計算細分值，該方法獲取的細分值精度直接取決于正余旋編碼信號的質量，因此對調理硬件電路設計的要求過高。吳立等［4］提出的閉環跟蹤算法細分和馬澤龍［5］提出的跟蹤環路算法都通過構建閉環結構計算當前角度與辨識角度誤差，以實時調整辨識角度，調整后的辨識角度即為細分值，該類方法的細分數可高達223，但構建的閉環結構十分復雜，運算環節較多，對硬件資源消耗極大。

為在減少算法對FPGA 硬件資源的消耗、簡化電路設計的同時，滿足位置獲取周期的要求。本文運用外部芯片處理正余弦編碼信號糾偏和細分，FPGA 讀取和解碼芯片的位置數據信息。具體的，利用IC_NQC 芯片完成正余弦編碼信號的糾偏和細分，然后利用BISS_C 模塊配置IC_NQC 芯片讀取振鏡位置信息，最后通過解碼模塊獲取振鏡位置。其中，位置獲取精度由配置參數決定，位置獲取速度由BISS_C 通信協議周期決定。

1 IC_NQC

IC_NQC 是IC_Haus 公司出廠，帶信號校準的13 位Sin/D 轉換器，采用BISS_C 協議進行通訊。通過動態糾偏和細分技術，將正余弦編碼信號數字化處理為細分精度可調的位置數據信息。采用數字量動態補償獲取高質量的正余弦編碼信號，首先利用內部集成的A/D 轉換器采樣當前正余弦信號并將數據傳輸至IC_NQC 內部控制器，然后通過控制器測量當前正余弦信號的直流電平、幅值和相位并計算相對應的補償值，接下來將補償值寫入對應的偏置寄存器，最后通過D/A 轉換器調節可編程硬件電路，實現對正余弦編碼信號的糾偏。

糾偏過程需要預先配置寄存器的信號調節類功能位。例如，增益選擇（GAIN）、sin 信號偏移校準（SINOFFS）、cos信號偏移校準位（COSOFFS）等。糾偏后的正余弦信號既需要通過IC_NQC 內置的周期計數器累計正余弦信號個數，還要經過反正切硬件電路進行細分。細分精度由反正切運算精度決定［6］，反正切運算精度由寄存器的分辨率位（SELRES）決定。周期計數器值和反正切值由BISS_C 進行通信傳輸［7］，根據配置寄存器的BISS 類功能位設置協議版本（Protocol Version）、數據輸出選項（M2S）及超時（TIM0）。

2 數字振鏡位置檢測原理

數字振鏡位置檢測原理如圖1 所示。其中，Mecury_1200 相對編碼器一般安裝于振鏡電機底部，當振鏡電機擺動時，Mecury_1200 會輸出差分正弦信號、差分余弦信號和差分零位信號［8］。為提高信號質量，這三組差分信號會分別經過IC_NQC 接口電路進行濾波處理。具體的，由FPGA的IC_NQC 配置模塊發送命令幀，通過BISS_C 通訊模塊的時鐘線MA 將命令幀傳輸至IC_NQC 芯片，復位芯片開始配置寄存器［9］。然后，利用IC_NQC 芯片對差分信號進行數字量動態糾偏，通過硬件電路對信號分別進行計數和反正切細分運算，以取得數字量位置數據信息。最后，通過BISS_C 通信模塊的輸出線（SLO）與零位信號線（Zero）提取數字量位置數據中的周期計數數據（P）、角度數據（A）和零信號數據（Z），并通過位置解碼模塊獲取當前振鏡電機的位置數據。

Fig.1 Principle of digital galvanometer position detection圖1 數字振鏡位置檢測原理

3 IC_NQC通訊與軟件設計

3.1 通訊協議

3.1.1 寄存器寫操作命令幀

為實現IC_NQC 芯片通訊，必須首先配置芯片寄存器功能位［10］。圖2 為利用BISS_C 協議對寄存器執行寫操作的一個命令幀的數據結構。

其中，初始位主要用于等待上一次命令幀的結束，由14bit 組成；起始位（S）、停止位（P）及控制選擇位（CTS）都為1bit，前兩者取1，后者取0；器件地址（IDL）主要為IC_NQC 的確定地址；讀控制位（R）與寫控制位（W）為低電平有效，執行寫操作取1；寄存器地址位（ADR）和寄存器配置數據（DATA）需要根據功能選擇相應的寄存器標志位進行配置；校驗位（CRC）是CRC 校驗的結果值，第一個用于校驗IDL 與ADR 組合數據，后一個是用于校驗DATA數據。

Fig.2 Command frame data structure圖2 命令幀數據結構

3.1.2 寄存器寫操作

寫操作主要將命令幀數據的每一位，通過時鐘線MA的控制數據操作位CDM 發出，命令幀數據的每一位均需要一個BISS_C 單周期傳輸［11］。IC_NQC 芯片寄存器寫操作主要分為以下兩種：

（1）如圖3 所示，IC_NQC 復位寫操作［12］，數據傳輸線SLO 一直為高電平1，時鐘線MA 連續發出4 個脈沖，單個脈沖時間周期范圍為0.1～25us，隨后發送CDM 位的反碼，持續時間要超過30us。

Fig.3 IC_NQC reset write operation BISS_C single cycle sequence圖3 IC_NQC復位寫操作BISS_C單周期時序

（2）如圖4 所示，寄存器配置寫操作［13］，當芯片復位后對IC_NQC 芯片寄存器的其它功能位進行寫操作，在MA的第2 個脈沖上升沿，SLO 進入應答位（ACK）默認為0，第3 個脈沖上升沿進入開始位（Start）默認為0，第4 個脈沖上升沿進入控制數據抓取位（CDS），電平狀態與上一個BISS_C 周期的CDM 位相同，在最后一個脈沖上升沿MA 進入CDM 位，發送CDM 的反碼，SLO 進入超時階段（Time?Out），電平與CDS 位相同，并且保持至少46 個MA 脈沖周期以上，單個MA 脈沖周期最短為0.1us。

Fig.4 Register configuration write operation BISS_C single cycle se?quence圖4 寄存器配置寫操作BISS_C單周期時序

3.1.3 位置數據信息采樣

圖5 為位置數據信息采樣BISS_C 單周期時序圖。時序中，前4 個時鐘線MA 脈沖對應的數據線SLO 變化和MA脈沖周期時間的要求與圖4一致。

在第5 個時鐘上升沿MA 不再進入CDM 位，而是作為采樣時鐘采集單周期數據SCD。單周期數據SCD 主要包括周期計數數據P、角度數據A、錯誤標志位ERROR 和校驗位CRC。其中，錯誤標志位為2 位，周期計數數據位P、細分數據位A 和校驗位CRC 均需通過寄存器數據進行配置。當MA 進入CDM 發送CDM 的反碼時，CDM 電平取0，SLO 進入超時階段（TimeOut），電平取0，并且保持至少46個MA 脈沖周期以上。

Fig.5 Location data information sampling BISS_C single cycle sequence圖5 位置數據信息采樣BISS_C單周期時序

3.2 軟件設計

3.2.1 通訊流程

圖6 為FPGA 與IC_NQC 通訊流程圖，時鐘線MA 波特率設置為5MHZ。首先，通過IC_NQC 進行復位寫操作，BISS_C 通信模塊以圖4 時序方式對IC_NQC 芯片逐位發送復位類寄存器功能位的命令幀。若零位置信號Zero 從高電平轉為低電平時，則代表復位完成，否則重新執行復位操作。復位完成后，對IC_NQC 芯片進行寄存器配置寫操作，即通過BISS_C 通信模塊以圖5 時序方式逐位發送各寄存器功能位的命令幀。若在BISS_C 周期中，數據線SLO的CDS 位與上一周期的CDM 位（設為CDM1）均一致，則代表IC_NQC 寄存器配置完成，否則寄存器配置失敗，需重新回到復位操作。

寄存器配置完成后，通過BISS_C 通信模塊以圖5 時序方式采集IC_NQC 的單周期數據SCD，對周期計數數據位P和細分數據位A 的數據組合進行CRC 校驗（CRC 校驗的多項式由寄存器功能位M2S 決定），若校驗值的二進制表示與CRC 校驗位一致，則代表采集數據無誤，接下來將數據輸入位置解碼模塊進行處理，否則等待數據線SLO 超時階段（TimeOut）結束，進行下一BISS_C 周期位置數據采集。通常在實際應用中，由于CRC 校驗正確代表著檢測錯誤標志位必然正確，因此省略了錯誤標志位E［1：0］檢驗。

Fig.6 FPGA and IC_NQC communication flow chart圖6 FPGA與IC_NQC通訊流程圖

3.2.2 位置解碼

IC_NQC 位置數據由周期計數器P 與角度值A 構成，均為二進制表示。周期計數器P 累計一段弧度經過正余弦個數，為了保證位置坐標的唯一性，周期計數器P 累計最大正余弦個數所表示的弧度必須超過振鏡擺動范圍。

由于采用相對位置編碼器，為了確定唯一坐標，零信號位置對應坐標零點，周期計數器P 應全表示為0［14］。角度值A 為正余弦反正切計算的細分值，角度值A 的單位值代表位置坐標的最小分辨率［15］。振鏡運動方向由周期計數器P 和角度值A 累計的方式予以體現［16-17］，當振鏡運動經過一個正余弦時，順時針周期計數器P 累計遞減，逆時針運動P 累計遞增；當振鏡運動未經過一個正余弦時，順時針角度值A 累計遞減，逆時針角度值A 遞增累計。此外，當零信號位置順時針移動一個正余弦，周期計數器P表示為全1。

為了便于后續處理位置坐標值，需要將位置值表示為32位浮點數。計算公式如式（1）所示。

其中，PF為P 處理后的32 位浮點化值的十進制表示。具體處理過程為：當P 的最高位為1 時，P 作反碼運算，并進行32 位浮點化處理，最后與-1 的32 位浮點數作浮點數減法得到32 位浮點數PF；當P 的最高位為0 時，直接進行32 位浮點化得到PF。AF為A 的32 位浮點數的十進制表示，2N為細分數（N為角度值A 的位數），C為零信號位置與實際位置坐標零點的偏置值，K為編碼器坐標與實際位置坐標轉化的角度系數［18］。圖7為位置解碼流程圖。

Fig.7 Flow chart of location decoding圖7 位置解碼流程圖

4 實驗結果與分析

如圖8 所示，實驗搭建的數字振鏡位置檢測實驗平臺采用某一國產擺動電機并安裝有振鏡片［19］，電機擺動范圍為±0.191 9rad，電機底部安裝Mercury_1200 正余弦相對編碼器，單位正余弦對應的弧度為2.308mrad。控制主板的控制主芯片型號為XlinxSpand6LX45，并安裝有13 位Sin/D轉換器IC_NQC。

Fig.8 Experimental platform圖8 實驗平臺

在ISE14.6 軟件環境下，分別對CORDIC 反正切算法細分檢測方法［20-21］、麥克勞林級數算法細分的檢測方法、閉環跟蹤算法細分的檢測方法及本文采用的IC_NQC 細分檢測方法進行比較，設置以上方法的細分數均為1 024，通過型號為XlinxSpand6LX45 的FPGA 實現并進行綜合編譯。其中，寄存器、查找表和片選等FPGA 核心硬件資源消耗數量如表1所示。

Table 1 Comparison of FPGA hardware resource consumption表1 FPGA硬件資源消耗對照表

由表1 可見，采用IC_NQC 細分方式的檢測方法寄存器和查找表和片選消耗都至少減少了30%。

將IC_NQC 細分檢測方法作為三閉環控制器的位置反饋環，設置細分精度為2.25urad。通過fifo 模塊采集位置數據，UART 串口進行傳輸，由MATLAB 進行數據處理和顯示，采樣時間為28.1us。零點位置波動圖如圖9所示。

Fig.9 Zero position fluctuation圖9 零點位置位置波動

由圖9 可見，控制器的定位誤差為9urad，能夠滿足高精度振鏡控制對重復定位誤差的要求。

通過三閉環控制器將振鏡固定至零點位置，控制振鏡間歇式作20ms 的勻速擺動，單周期勻速運動時間為10ms，速度為4mrad/s，運動位置波動圖如圖10所示。

由圖10 可見，3 個周期勻速運動階段平均速度分別為4.037mrad/s、4.015mrad/s 和4.009mrad/s，最大速度誤差為0.037mrad/s，能夠滿足高精度振鏡控制對速度偏差的要求。

5 結論

通過實踐驗證，IC_NQC 細分方式相較于以往檢測方法，在相同位置檢測精度的條件下，硬件資源消耗至少了減少了30%，位置獲取周期為28.1us，通過1 024 細分方法能夠有效滿足高精度數字振鏡控制對位置獲取及誤差的要求。

Fig.10 40mrad/s constant speed intermittent motion position fluctu?ation圖10 40mrad/s勻速間歇運動位置波動圖