CPLD在时栅位移传感器中的应用

引言 
    智能时栅位移传感器是在文献[1]提出的时空坐标转换理论和文献[2] 提出的“场式运动坐标系”思想指导下，根据智能传感器的特点和设计方法，研制开发的一种全新的位移传感器。“以时间测量空间”的设计原理和思想新颖、独特，已获国家专利。与光栅等传统栅式位移传感器相比，具有制造工艺简单、结构简单、抗干扰能力强、成本低、智能化程度高等显著优势，具有很好的市场前景和竞争力。 
    智能时栅位移传感器的工作原理是：用于拾取信号的动、定测头置于一旋转磁场内，旋转磁场是由按时间120°均分的三相交流电流接到按空间120°均分的三相线圈绕组中产生的。当旋转磁场相继掠动过动、定测头导线时，根据右手定则，将分别感应出电势。这两路信号的相位差反映了两测头所处的空间位置差，相位差再通过时钟插补反映出来，实现以时间测量空间。     
    
    基于CPLD的数字信号处理电路 
    智能时栅位移传感器内部基于CPLD的数字信号处理电路如图1所示。电路采用双MCU＋CPLD结构设计，内部嵌入主从式两块单片机，副MCU负责数据采集与预处理工作，主MCU通过接口电路与外界实现数据交换。动、定测头感应到的微弱信号 经放大、自动增益控制、滤波和整形等预处理电路后，得到供数字电路处理的方波信号。两路方波信号送入CPLD进行处理，CPLD包括双路比相器、脉冲当量计量电路、计数电路、总线收发三态控制电路等4个功能模块。 
    CPLD芯片选用Altera公司的MAX7000S系列器件EPM7128SLC84，它有128个逻辑宏单元，逻辑门数为2500门，在MAX+PLUSII软件环境下，采用VHDL和原理图输入相结合的方法进行设计。设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、布线、延时仿真生成配置文件，最后以4引脚的JTAG接口方式通过ByteBlaster下载电缆对CPLD进行在线编程(ISP)，完成结构功能配置，实现其硬件功能，制成专用芯片。为了避免器件内的设计被他人复制和取出，可通过对MAX7128S内部的一个保密位编程，对设计进行加密。当对器件重新编程时，保密位连同其它的编程数据均能擦除和重写。 
    动、定测头方波信号分别从DO_INPUT和DI_INPUT端输入CPLD，采样信号INT0_OUT由定测头信号DI_INPUT反相得到，通过双路比相器获取动测头信号DO_INPUT的上、下沿至采样时刻的相位差信号。图2中Fai_OUT1、Fai_OUT2信号表示插入高频细分脉冲信号后的相位差信号，高频时钟脉冲由CLK端输入，通过2路带允许端的20位同步计数器分别对插入的细分脉冲进行计数。每一个脉冲所代表的角度大小由脉冲当量计量电路来确定，用于计算脉冲当量的Ti_OUT1信号由DI_INPUT信号二分频得到。 
    EPM7128SLC84输出信号INT0_OUT与副MCU第12脚P3.2相连，每一脉冲下降沿触发副MCU中断一次。通过对图2中各信号逻辑时序的分析，可以看出：动、定测头方波信号频率为50Hz，为保证时栅位移传感器能正常工作，MCU必须每20ms中断一次(若信号频率为400Hz，中断时间间隔为2.5ms)，也就是说MCU用于处理数据的时间只有20ms。MCU做多字节除法、乘法运算时，运行时间较长，且用于单片机与计算机间数据通信的时间就至少需要10ms，因此20ms时间MCU无法处理完全部工作。处理时间不够就会导致死机，传感器无法工作，实践也证明了这一点。 解决这一问题的方法通常是采取硬件分频，信号分频后，相应周期加倍，供MCU处理数据的时间加长。但在本设计中，无论是将动、定测头方波信号同时分频或仅将引起MCU中断的信号分频，均无法保证同时采集到正确的3个数据。 
    基于此，本文提出采用“软件分频”来解决这一问题，这也是采用双MCU的关键原因之一。中断信号INT0_OUT每20ms触发副MCU中断一次，每4次中断采集一次数据，前面3次中断时副MCU通过程序判断中断次数而进行相应处理，为第4次中断时采集数据作准备，第4次中断时在中断服务程序中采集数据，包括φ1、φ2和Ti等3个参数。其中，φ1、φ2和Ti分别代表一个信号周期内插入Fai_OUT1、Fai_OUT2和Ti_OUT1中的时钟脉冲个数。副MCU对数据进行预处理后，通过P3.1脚触发主MCU中断，接收副MCU传送的数据，这样，主MCU每80ms中断一次，供主MCU处理数据的时间增加为80ms，相当于4分频，但并没有改变各信号时序。这一思想在信号频率提高到400Hz或更高后仍然适用，只需对软件作少量改动即可。 
    通过以上分析，不难看出：CPLD逻辑功能仿真波形为硬件电路和程序的正确设计与优化提供了依据，具有逻辑分析仪的功能，为设计者带来了方便，这充分体现了采用CPLD设计数字电路的优点。 
    总线收发三态控制电路实现副MCU在读取φ1、φ2和Ti时分时复用20位数据总线D19～D0。副MCU每读一个数据，先通过使能端EN让计数器停止计数，再通过RD端打开三态门读取数据，读完数据后关闭三态门，并通过CLR端将计数器清零，为下一次读取数据做准备。副MCU对采集到的数据进行预处理后，送给主MCU。图1中，副MCU的P3.0脚与主MCU的P2.0脚相连是为了实现数据传输过程中2块MCU间的通信握手，数据准备就绪后，主MCU打开三态总线缓冲74LS244，从P0口读取数据。 
    
    数据采集与预处理软件设计 
    如前所述，数据采集与预处理在副MCU中断0服务程序内完成，程序流程图如图3所示。程序设计中采用了前面介绍的软件分频技术，流程图中φ代表不受预处理电路中整形芯片门限电压影响的准确相位角。 
    结语 
    EPM7128SLC84在智能时栅位移传感器数字电路设计中取得了很好的应用效果，实现了硬件设计软件化，使用可编程逻辑器件技术避免了复杂的PCB布线，带来不仅在成本、开发周期、可靠性等方面的优势，而且大大增强了硬件模块的柔性，通过编程来很方便地修改硬件电路结构，功耗也大大降低。但在使用CPLD器件时也发现了一些问题，如EPM7128SLC84对信号毛刺很敏感，因此，对信号的前置处理和电路设计提出了更高要求。■