一種基于IC_NQC的數(shù)字振鏡位置檢測方法

廖文鑫，陳光勝

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

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

王強(qiáng)等［1］提出的CORDIC 反正切算法和李雪等［2］提出的優(yōu)化CORDIC 反正切算法均在FPGA 上實現(xiàn)，但這類方法都不可避免地需要進(jìn)行多次角度旋轉(zhuǎn)、運(yùn)算迭代來計算細(xì)分值，迭代次數(shù)越多，細(xì)分精度也就越高，但運(yùn)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(yùn)用麥克勞林級數(shù)展開式反向數(shù)據(jù)，直接擬合正余旋編碼信號的相位以計算細(xì)分值，該方法獲取的細(xì)分值精度直接取決于正余旋編碼信號的質(zhì)量，因此對調(diào)理硬件電路設(shè)計的要求過高。吳立等［4］提出的閉環(huán)跟蹤算法細(xì)分和馬澤龍［5］提出的跟蹤環(huán)路算法都通過構(gòu)建閉環(huán)結(jié)構(gòu)計算當(dāng)前角度與辨識角度誤差，以實時調(diào)整辨識角度，調(diào)整后的辨識角度即為細(xì)分值，該類方法的細(xì)分?jǐn)?shù)可高達(dá)223，但構(gòu)建的閉環(huán)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，運(yùn)算環(huán)節(jié)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(shè)計的同時，滿足位置獲取周期的要求。本文運(yùn)用外部芯片處理正余弦編碼信號糾偏和細(xì)分，F(xiàn)PGA 讀取和解碼芯片的位置數(shù)據(jù)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(xì)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(shù)決定，位置獲取速度由BISS_C 通信協(xié)議周期決定。

1 IC_NQC

IC_NQC 是IC_Haus 公司出廠，帶信號校準(zhǔn)的13 位Sin/D 轉(zhuǎn)換器，采用BISS_C 協(xié)議進(jìn)行通訊。通過動態(tài)糾偏和細(xì)分技術(shù)，將正余弦編碼信號數(shù)字化處理為細(xì)分精度可調(diào)的位置數(shù)據(jù)信息。采用數(shù)字量動態(tài)補(bǔ)償獲取高質(zhì)量的正余弦編碼信號，首先利用內(nèi)部集成的A/D 轉(zhuǎn)換器采樣當(dāng)前正余弦信號并將數(shù)據(jù)傳輸至IC_NQC 內(nèi)部控制器，然后通過控制器測量當(dāng)前正余弦信號的直流電平、幅值和相位并計算相對應(yīng)的補(bǔ)償值，接下來將補(bǔ)償值寫入對應(yīng)的偏置寄存器，最后通過D/A 轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)可編程硬件電路，實現(xiàn)對正余弦編碼信號的糾偏。

糾偏過程需要預(yù)先配置寄存器的信號調(diào)節(jié)類功能位。例如，增益選擇（GAIN）、sin 信號偏移校準(zhǔn)（SINOFFS）、cos信號偏移校準(zhǔn)位（COSOFFS）等。糾偏后的正余弦信號既需要通過IC_NQC 內(nèi)置的周期計數(shù)器累計正余弦信號個數(shù)，還要經(jīng)過反正切硬件電路進(jìn)行細(xì)分。細(xì)分精度由反正切運(yùn)算精度決定［6］，反正切運(yùn)算精度由寄存器的分辨率位（SELRES）決定。周期計數(shù)器值和反正切值由BISS_C 進(jìn)行通信傳輸［7］，根據(jù)配置寄存器的BISS 類功能位設(shè)置協(xié)議版本（Protocol Version）、數(shù)據(jù)輸出選項（M2S）及超時（TIM0）。

2 數(shù)字振鏡位置檢測原理

數(shù)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(jī)底部，當(dāng)振鏡電機(jī)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(zhì)量，這三組差分信號會分別經(jīng)過IC_NQC 接口電路進(jìn)行濾波處理。具體的，由FPGA的IC_NQC 配置模塊發(fā)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(fù)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(jìn)行數(shù)字量動態(tài)糾偏，通過硬件電路對信號分別進(jìn)行計數(shù)和反正切細(xì)分運(yùn)算，以取得數(shù)字量位置數(shù)據(jù)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(shù)字量位置數(shù)據(jù)中的周期計數(shù)數(shù)據(jù)（P）、角度數(shù)據(jù)（A）和零信號數(shù)據(jù)（Z），并通過位置解碼模塊獲取當(dāng)前振鏡電機(jī)的位置數(shù)據(jù)。

Fig.1 Principle of digital galvanometer position detection圖1 數(shù)字振鏡位置檢測原理

3 IC_NQC通訊與軟件設(shè)計

3.1 通訊協(xié)議

3.1.1 寄存器寫操作命令幀

為實現(xiàn)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(xié)議對寄存器執(zhí)行寫操作的一個命令幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

其中，初始位主要用于等待上一次命令幀的結(jié)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(zhí)行寫操作取1；寄存器地址位（ADR）和寄存器配置數(shù)據(jù)（DATA）需要根據(jù)功能選擇相應(yīng)的寄存器標(biāo)志位進(jìn)行配置；校驗位（CRC）是CRC 校驗的結(jié)果值，第一個用于校驗IDL 與ADR 組合數(shù)據(jù)，后一個是用于校驗DATA數(shù)據(jù)。

Fig.2 Command frame data structure圖2 命令幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.1.2 寄存器寫操作

寫操作主要將命令幀數(shù)據(jù)的每一位，通過時鐘線MA的控制數(shù)據(jù)操作位CDM 發(fā)出，命令幀數(shù)據(jù)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(fù)位寫操作［12］，數(shù)據(jù)傳輸線SLO 一直為高電平1，時鐘線MA 連續(xù)發(fā)出4 個脈沖，單個脈沖時間周期范圍為0.1～25us，隨后發(fā)送CDM 位的反碼，持續(xù)時間要超過30us。

Fig.3 IC_NQC reset write operation BISS_C single cycle sequence圖3 IC_NQC復(fù)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(dāng)芯片復(fù)位后對IC_NQC 芯片寄存器的其它功能位進(jìn)行寫操作，在MA的第2 個脈沖上升沿，SLO 進(jìn)入應(yīng)答位（ACK）默認(rèn)為0，第3 個脈沖上升沿進(jìn)入開始位（Start）默認(rèn)為0，第4 個脈沖上升沿進(jìn)入控制數(shù)據(jù)抓取位（CDS），電平狀態(tài)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(jìn)入CDM 位，發(fā)送CDM 的反碼，SLO 進(jìn)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(shù)據(jù)信息采樣

圖5 為位置數(shù)據(jù)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(yīng)的數(shù)據(jù)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(jìn)入CDM 位，而是作為采樣時鐘采集單周期數(shù)據(jù)SCD。單周期數(shù)據(jù)SCD 主要包括周期計數(shù)數(shù)據(jù)P、角度數(shù)據(jù)A、錯誤標(biāo)志位ERROR 和校驗位CRC。其中，錯誤標(biāo)志位為2 位，周期計數(shù)數(shù)據(jù)位P、細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)位A 和校驗位CRC 均需通過寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。當(dāng)MA 進(jìn)入CDM 發(fā)送CDM 的反碼時，CDM 電平取0，SLO 進(jìn)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(shù)據(jù)信息采樣BISS_C單周期時序

3.2 軟件設(shè)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(shè)置為5MHZ。首先，通過IC_NQC 進(jìn)行復(fù)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(fā)送復(fù)位類寄存器功能位的命令幀。若零位置信號Zero 從高電平轉(zhuǎn)為低電平時，則代表復(fù)位完成，否則重新執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位完成后，對IC_NQC 芯片進(jìn)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(fā)送各寄存器功能位的命令幀。若在BISS_C 周期中，數(shù)據(jù)線SLO的CDS 位與上一周期的CDM 位（設(shè)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(fù)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(shù)據(jù)SCD，對周期計數(shù)數(shù)據(jù)位P和細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)位A 的數(shù)據(jù)組合進(jìn)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(jìn)制表示與CRC 校驗位一致，則代表采集數(shù)據(jù)無誤，接下來將數(shù)據(jù)輸入位置解碼模塊進(jìn)行處理，否則等待數(shù)據(jù)線SLO 超時階段（TimeOut）結(jié)束，進(jìn)行下一BISS_C 周期位置數(shù)據(jù)采集。通常在實際應(yīng)用中，由于CRC 校驗正確代表著檢測錯誤標(biāo)志位必然正確，因此省略了錯誤標(biāo)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(shù)據(jù)由周期計數(shù)器P 與角度值A(chǔ) 構(gòu)成，均為二進(jìn)制表示。周期計數(shù)器P 累計一段弧度經(jīng)過正余弦個數(shù)，為了保證位置坐標(biāo)的唯一性，周期計數(shù)器P 累計最大正余弦個數(shù)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(biāo)，零信號位置對應(yīng)坐標(biāo)零點(diǎn)，周期計數(shù)器P 應(yīng)全表示為0［14］。角度值A(chǔ) 為正余弦反正切計算的細(xì)分值，角度值A(chǔ) 的單位值代表位置坐標(biāo)的最小分辨率［15］。振鏡運(yùn)動方向由周期計數(shù)器P 和角度值A(chǔ) 累計的方式予以體現(xiàn)［16-17］，當(dāng)振鏡運(yùn)動經(jīng)過一個正余弦時，順時針周期計數(shù)器P 累計遞減，逆時針運(yùn)動P 累計遞增；當(dāng)振鏡運(yùn)動未經(jīng)過一個正余弦時，順時針角度值A(chǔ) 累計遞減，逆時針角度值A(chǔ) 遞增累計。此外，當(dāng)零信號位置順時針移動一個正余弦，周期計數(shù)器P表示為全1。

為了便于后續(xù)處理位置坐標(biāo)值，需要將位置值表示為32位浮點(diǎn)數(shù)。計算公式如式（1）所示。

其中，PF為P 處理后的32 位浮點(diǎn)化值的十進(jìn)制表示。具體處理過程為：當(dāng)P 的最高位為1 時，P 作反碼運(yùn)算，并進(jìn)行32 位浮點(diǎn)化處理，最后與-1 的32 位浮點(diǎn)數(shù)作浮點(diǎn)數(shù)減法得到32 位浮點(diǎn)數(shù)PF；當(dāng)P 的最高位為0 時，直接進(jìn)行32 位浮點(diǎn)化得到PF。AF為A 的32 位浮點(diǎn)數(shù)的十進(jìn)制表示，2N為細(xì)分?jǐn)?shù)（N為角度值A(chǔ) 的位數(shù)），C為零信號位置與實際位置坐標(biāo)零點(diǎn)的偏置值，K為編碼器坐標(biāo)與實際位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的角度系數(shù)［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(jié)果與分析

如圖8 所示，實驗搭建的數(shù)字振鏡位置檢測實驗平臺采用某一國產(chǎn)擺動電機(jī)并安裝有振鏡片［19］，電機(jī)擺動范圍為±0.191 9rad，電機(jī)底部安裝Mercury_1200 正余弦相對編碼器，單位正余弦對應(yīng)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(zhuǎn)換器IC_NQC。

Fig.8 Experimental platform圖8 實驗平臺

在ISE14.6 軟件環(huán)境下，分別對CORDIC 反正切算法細(xì)分檢測方法［20-21］、麥克勞林級數(shù)算法細(xì)分的檢測方法、閉環(huán)跟蹤算法細(xì)分的檢測方法及本文采用的IC_NQC 細(xì)分檢測方法進(jìn)行比較，設(shè)置以上方法的細(xì)分?jǐn)?shù)均為1 024，通過型號為XlinxSpand6LX45 的FPGA 實現(xiàn)并進(jìn)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(shù)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(xì)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(xì)分檢測方法作為三閉環(huán)控制器的位置反饋環(huán)，設(shè)置細(xì)分精度為2.25urad。通過fifo 模塊采集位置數(shù)據(jù)，UART 串口進(jìn)行傳輸，由MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，采樣時間為28.1us。零點(diǎn)位置波動圖如圖9所示。

Fig.9 Zero position fluctuation圖9 零點(diǎn)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(fù)定位誤差的要求。

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

由圖10 可見，3 個周期勻速運(yùn)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(jié)論

通過實踐驗證，IC_NQC 細(xì)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(xì)分方法能夠有效滿足高精度數(shù)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(yùn)動位置波動圖