基于SOPC的时栅信号处理系统设计与实现

摘要

位移测量是最基本、最广泛的几何测量。作者所在课题组前期研究的磁场式时栅精密位移传感器，达到了国际先进水平，它的开槽的精度和密度以及信号的抗干扰能力远远不需要和光栅相比。但是仍有以下缺点：一、是信号采用电磁耦合形式，强度难以进一步提高；二、是需要在电机或测头、导轨上均匀开槽，但是受到机械加工精度限制；三、是传感器的定子线圈和感应线圈采用导磁材料，质量较重，制作工艺需要绕线，生产效率低。　　针对上述现有技术不足，提出一种基于交变电场的时栅传感器，它不用精密刻线，不用电阻细分箱，而采用差动平板电容式结构，利用电场耦合原理获取信号，以时钟脉冲作为位移计量基准，功耗低，重量轻，分辨力高，成本低。但是此类时栅位移传感器激励信号和感应信号的频率都比较高，是磁场式时栅激励信号频率的100倍。这就对信号处理提出了更高的要求，提高信号的处理速度成为了解决问题的关键之一。　　本文以频率为40KHz的电场式时栅信号作为研究对象，研究基于交变电场的电行波测量信号产生机理、信号形成质量、控制方法和信号处理技术。设计并实现了前置信号调理电路，大大提高了信号的稳定性。研究电场式时栅的精度理论、误差分离与修正技术，提高了精度。提出基于SOPC技术的解决方案，将信号采集、处理和传输在单片高性能FPGA上实现，简化电路结构设计，降低系统功耗。采用Altera公司的CycloneIIIEP3C25E144I7作为主控制器，使用VHDL硬件描述语言及其IP核在FPGA内部实现了周期计数、相位差计数、数据缓存、中断等功能模块，定制了NiosII指令，提高处理速度，构建了整个基于NiosII软核处理器的时栅信号处理系统。　　本课题组研制出了超高精度的电场式直线时栅位移传感器样机，该信号处理系统已成功应用于该样机，测量精度优于0.7μm。

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1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

2 系统总体设计与误差修正方法研究

2.1 时空测量转换理论

2.2 时栅测量原理

2.3 总体方案设计

2.4 信号处理中的误差分离与修正

2.5 本章小结

3 系统硬件设计

3.1 系统硬件平台电路结构

3.2 直流电源电路设计

3.3 模拟信号调理电路设计

3.4 主控电路设计

3.5 通用接口电路设计

3.6 本章小结

4 系统SOPC设计

4.1 SOPC技术概述

4.2 主要功能模块的设计

4.3 SOPC平台搭建

4.4 系统主控程序设计

4.5 本章小结

5 实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统设计

5.3 上位机软件设计

5.4 稳定性实验

5.5 精度实验

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果