安全玻璃缺陷光学检测系统中的电路设计

安全玻璃缺陷光学检测系统中的电路设计

【摘要】在安全玻璃缺陷光学检测系统中，采用FPGA芯片以及USB接口芯片为光栅尺设计了智能接口模块，不但实现了X 轴及Y光栅信号的细分、辨向、位移测量, 还通过USB口方便快捷实现了与PC机的信息交换。实际应用情况表明，该设计集成度高，使用方便，性能稳定可靠。

【关键词】安全玻璃；缺陷检测；光栅位移传感器；FPGA；USB

０引言

在安全玻璃的缺陷检测中，通常被检对象的尺寸很小，约为40μm数量级。检测系统不仅需要确定缺陷位置，还要精确测定其外形特征，结合光学特征进一步判断缺陷的性质。因此，检测平台的几何尺度测量必须有很高的精度。为之，在设计的检测系统中采用了光栅位移传感器作为测试手段。

光栅位移传感器（即光栅尺）是进行高精度位移测量的最常用的装置，它将位移量通过光栅的透射转换成莫尔条纹的移动，然后经光电转换电路转换成电信号输出。当主光栅与指示光栅相对移动一个条纹距离时，输出的电信号变化一个周期。通过对信号变化周期的测量，进而测出移动的距离。

1光栅尺接口信号及电路功能要求

方波输出的光栅尺，所输出的电信号通常包括有A相、B相和Z相三个方波，其中A相信号为主信号, B相为副信号, 两个信号的周期相同,相位差90。Z 相信号作为校准信号，用以消除累积误差。若光栅尺正向运动时，A信号超前B 信号,在A信号下降沿，B信号为“1”；当光栅尺反向运动时，A信号滞后B信号, 在A信号下降沿，B信号为“0”；根据读到的B信号的数据并对A信号的周期进行计数(正向计数或逆向计数), 就可以测算出总位移[1]。

图1光栅尺的输出信号

光栅尺的测量精度受栅线密度的限制。用电路信号细分的方法可以提高测量精度。故需设计光栅尺专用的接口电路，完成细分辨向、可逆计数和数据传输等任务。

实现上述功能有多种硬件方案可供选择。我们采用美国Altera公司的Cyclone II 系列的EP2C5T144C8N（FPGA芯片）完成信号处理，采用南京沁恒公司的CH372（USB总线的接口芯片）实现FPGA与PC机的数据传递，较好地实现了上述目标。

2核心电路设计

2.1细分辨向电路

根据光栅尺的工作原理，动尺每移动一个栅距，其A、B两路输出方波变化一个周期。对位移的测量就转变为对输出方波的计数，每当信号有上升沿或下降沿（2选1）时，产生计数变化。换言之，光栅尺每移动1个栅距只计1次数。如果让计数器在A、B两路信号的上升沿以及下降沿均产生计数，则同样光栅尺移动1个栅距，会有4次计数效果。也就是说，光栅尺在1个栅距内，每移动1/4栅距就产生1次计数，相当于把栅距缩小了4倍，或者说精度提高了4倍。这就是细分电路所要实现的功能[2]。

设计细分电路，关键在于鉴别出信号的上升沿和下降沿。以A信号为例，所谓“上升沿”和“下降沿”就是短时间A信号发生了变化（不同）。据此，我们设计了用D触发器构成的2级移位寄存器，其时钟由外部提供，频率远高于光栅

输出信号。触发器不断对光栅输出信号进行高速锁存采样，寄存器中保存了A 信号最近的两次采样值。同时我们注意到，当光栅尺正向运动时，A相信号的上升沿发生在B信号为0时，而下降沿发生在B信号为1时。因此，采用图2所示的电路就可检出正向运动时A信号的下降沿，采用图3所示的电路就可检出正向运动时A信号的上升沿。

图2正向运动时A信号下降沿检出电路

图3正向运动时A信号上升沿检出电路

正向运动时B信号的上升沿、下降沿检出电路也完全类似，而对调AB信号则可得到反向运动时A信号、B信号的上升沿以及下降沿检出电路。把上述电路各部分进行合并、整合，即可得到完整的细分电路。最终设计出的电路如图4所示。

图4四细分及辨向电路

当光栅尺正向运动时，从CLK_UP信号端输出四倍频脉冲，而CLK_DOWN 端无信号输出。当光栅尺反向运动时，从CLK_DOWN信号端输出四倍频脉冲，而CLK_UP端无信号输出。因此，两者就是我们所需的可逆计数器的计数脉冲。CLK_UP和CLK_DOWN信号控制RS触发器，产生EN_UP信号，对细分后的信号进行辨向。只有这样，才能真正提高测量精度。

2.2USB接口电路

外设与PC机进行信息交换，USB是最方便的模式。本系统采用了南京沁恒公司的CH372芯片，实现了FPGA与PC机的数据传递。

CH372是一个USB接口芯片[3]，它内置了USB通讯的底层协议，因而大大简化了USB接口的软件工作量；同时它具有8位数据总线和读、写、片选控制线和中断输出，可以很容易挂到FPGA控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372所带有的配套软件具有简单的操作接口，很容易与FPGA进行通信操作。系统中，CH372的工作方式为从机方式，即将它作为从机挂接到FPGA的数据总线上与上位机进行通信。

图5FPGA通过CH372与计算机接口原理图

2.3电路整体结构

光栅尺接口电路整体框图如图5所示。整个系统包括X、Y两个方向的四细分辨向电路、24位的计数电路、数据锁存、地址译码、总线控制以及USB接口电路等组成。

图6接口电路整体框图

3结束语

本设计的FPGA部分使用VHDL编程，在Quartus II环境下编译、仿真通过。用配置芯片EPCS4保存代码，每次上电自动对EP2C5T144C8N进行主动配置。同时借助于CH372构成的USB口，与PC机进行信息交换也快速、方便。该模块已成功运用于笔者设计的安全玻璃缺陷光学检测系统中。实际使用情况表明，性能稳定可靠，功能符合要求。

【参考文献】

［１］王成元，常国祥，夏加宽.基于FPGA的光栅信号智能接口模块[J]．电气传动，2007，4．

［２］金锋，卢杨，王文松，张玉平．光栅四倍频细分电路模块的分析与设计[J]．北京理工大学学报，2006，12．

［３］CH372技术手册，[OL]．