基于ARM+FPGA光栅数据采集卡设计 - 实践

为保证转动惯量测量精确度，该文应用FPGA芯片，运用VerilogHDL编程语言，设计一种新型、先进的光栅资料采

集卡系统。首先，在完成系统总体结构设计的基础上，分别设计光栅信号预处理电路、FIFO材料缓存电路、FPGA功能

电路等多个电路。其次，在结束系统制作调试的基础上，对该系统光栅信号进行等距、等时实验。结果表明，该文所设

计的基于FPGA光栅数据采集卡具有精确度高、稳定性高、响应速度快、等距与等时采样功能稳定正常，保证了光栅数据

完整性和安全性，符合安全可靠的设计标准，本研究可以为后期转动惯量精确化测量提供主要的环境帮助。

光栅传感器作为一种新型传感器，是基于莫尔条

纹测量原理研发而成的。运用此传感器，不仅可以提

高测量的精确度，还能获得良好的响应速度和抗干扰

性能。光栅数据采集卡作为连接控制系统与光栅传

感器的重要媒介，发挥着至关重要的作用[1] 。然而，传

统的光栅数据采集卡存在分散元件使用量大、稳定性

低、安全性差等挑战。为此，本文应用FPGA技术，设

计了一种新型、先进的光栅数据采集卡环境。该系统

主要采用光栅尺位移传感器，能够实现对转动惯量等

被测物体的高精度、高稳定性、高安全性的测量，满足

相关企业对于精确化测量的需求[2] 。

1 材料采集卡框架总体结构设计

为确保光栅时间和间距控制的效果，本文设计的

基于FPGA的光栅信息采集卡主要涵盖以下几个组成

部分：光栅信号接收模块、现场可编程门阵列(Field

Programmable Gate Array，FPGA) 模块、外设部件互连

标准(Peripheral Component Interconnect，PCI) 总线接口

模块、先进先出(First In First Out，FIFO) 数据缓存模块。

1.1 光栅信号接收模块

光栅信号接收模块的设计目的是通过差分处理

的方式，将四路方波信号划分为两路正交方波信号。

在设计该模块时，本文选用了50线/mm的雷尼绍光栅

尺和MC3486芯片。该芯片具有抗干扰性强、成本低、

安全性高等优势，能够实现科学的差分处理四路信号

的目的[3] 。

1.2 FPGA模块

在整个素材采集卡的设计中，主要选用了FPGA

芯片来对光栅信号进行差分和计数。这确保了本系

统具有光栅信号相同时间控制能力、相同间距控制功

能以及通信控制功能，为后期光栅信号数据的精确化

采集打下了坚实的基础。FPGA模块器件中，除了静

态存储器外，还包含了可编程单元、逻辑单元阵列等

多个组件[4] 。其中，逻辑单元阵列模块的应用可以实

现对系统运行状态的科学设置。此外，在FPGA模块

中，输入输出模块与引脚进行了有效的连接，并严格

按照相关标准和要求，科学地设置了输入或输出端的

相关参数。同时，还新增和设置了适量的存储电路，

并结合系统的实际应用需求，设计了相应的组合逻辑

电路。为保证各个逻辑电路的连接稳定性，还将金属

线、开关矩阵等单元部署于整个布线区内。FPGA模

块具有引脚连接简单合理、开发成本低、编写灵活高

效、兼容性好等优点[5] 。

1.3 PCI总线接口模块

通过本框架在运行过程中，能够调用上位机对接口数

据进行高速率读取和存储，并采用总线形式设置PCI

总线接口。该接口时钟频率、宽度、传输速度分别为

33MHz、32bit、264MB/s。PCI总线可兼容PC机以及多

个外围设备，最大传输速率可以达到264MB/s，表现出

较高的传输性能。因此，本文平台在具体设计时，为

降低开发成本，提高构建效率，优先选用PCI 协议

芯片。

1.4 FIFO数据缓存模块

为提高本平台的数据采集速率，在设计时首要选

用了IDT7206芯片来设计和实现FIFO数据缓存模块。

通过对IDT7206芯片的深度和宽度进行拓展，可以获

得较高的存储速度，为用户献出全满、全空、半满等多

种缓存服务体验，满足数据高效存储的需求。此外，

在FIFO数据缓存模块中，应用IDT7206芯片进行数据

读取时，无须设置地址线即可直接读取写入之后的数

据，简化了数据缓存和读取的过程。因此，IDT7206芯

片具有性价比高的特点，符合FIFO 数据缓存模块的

经济性设计需求。

2.1 光栅信号预处理电路设计

本体系在选用光栅时，优先选用了雷尼绍光栅

尺，该光栅尺所输出的信号为典型的方波信号。在设

计光栅预处理电路时，技术人员需采用差分处理技

术，结合方波信号特征，将四路信号进行划分，使其划

分为两路信号。此外，还选用MC3486芯片，将方波信

号从原来的四路信号转变为现在的两路信号，然后，

将两路信号发送至FPGA 芯片中，由 FPGA 芯片对这

些两路信号进行统一化处理，对后期智能化控制光栅

信号相同时间采样数据和相同间距采样数据产生积

极影响。数据采集卡电路原理图如图1所示。

在本次实验中，借助转动惯量测量台，对光栅信

号进行等时数据采集实验，具体实验操作如下：将采

样时间设置为50 s，获得如图3所示的采样结果，并采

用周期计算的方式，对各个周期进行计算，经过计算

发现周期标准差达到0.001 3 s，说明应用本系统进行

转动惯量测量可以获得较高的测量精确度。

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