基于ARM+FPGA的光栅尺精密位移加速度测试解决方案
基于ARM+FPGA的光栅尺精密位移加速度测试解决方案，通过融合FPGA的实时信号处理能力和ARM的复杂算法控制，实现高精度、高速位移及加速度测量。以下是核心设计要点：
🧠 一、系统架构
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传感层
- 采用光栅尺作为核心位移传感器，通过莫尔条纹原理输出正交脉冲信号，分辨率可达0.5μm，精度±1μm16。
- 光栅尺的非接触式测量特性可避免机械磨损，抗电磁干扰能力强，适用于高速运动场景912。
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信号处理层（FPGA）
- 实时信号解码：FPGA对光栅尺输出的正交信号进行四倍频细分、方向判定及高速计数，处理延迟控制在微秒级14。
- 加速度计算：通过硬件计时器记录脉冲时间间隔，结合位移变化率实时计算加速度，支持纳秒级时间戳精度414。
- 多通道并行：支持多光栅尺同步采集（如X/Y双轴），FPGA独立处理各通道数据，避免轴间干扰1719。
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控制与计算层（ARM）
- 接收FPGA预处理数据，运行加速度算法（如差分法或卡尔曼滤波），输出位移、速度、加速度三参数47。
- 管理外围模块：包括LCD显示、数据存储（如DDR3）、以太网通信（EtherCAT或万兆以太网）及用户交互接口214。
️ 二、关键技术实现
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高精度位移测量
- 双光栅尺方案：通过信号切换合成技术提升高速运动下的测量精度，克服单光栅尺的速度限制6。
- 动态跟踪细分法：在FPGA中实现动态算法，分辨率达5nm，适用于微位移场景6。
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加速度实时计算
- 硬件加速：FPGA内置硬件计时器记录脉冲间隔，结合位移差值计算瞬时加速度414。
- 抗振动设计：集成自适应陷波滤波器（FPGA实现），抑制机械谐振对加速度数据的干扰，同步误差≤±0.005mm19。
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高速数据传输
- 通过FSMC或高速并行总线实现ARM与FPGA间数据交互，带宽达1GB/s322。
- 支持PCIe 2.0×8或万兆以太网（SFP+），实现32Gbps高速数据上传1718。
三、性能优势
| 指标 | 参数 | 技术支持 |
|---|---|---|
| 位移分辨率 | 0.5μm | 光栅细分+FPGA计数16 |
| 位移精度 | ±1μm | 闭环校准算法710 |
| 加速度响应速度 | ≤5μs | FPGA硬件计时414 |
| 多轴同步误差 | ≤±0.005mm | 光纤时钟分发+陷波滤波19 |
| 采样率 | 100kHz~1MHz（可调节） | 可配置抽取滤波器19 |
🔧 四、扩展应用
- 工业控制：用于数控机床全闭环控制，实时补偿刀具运动误差1219。
- 半导体检测：结合振动分析模块，监测精密运动台微振动811。
- 多设备协同：通过EtherCAT总线支持多卡并行，扩展至16轴同步监测1719。
💡 五、设计要点
- 抗干扰设计：采用差分信号传输、电磁屏蔽层及共模噪声抑制电路，确保强干扰环境下线性度≤0.002%1819。
- 实时性保障：FPGA处理电流环等关键任务，ARM运行轻量级RTOS（如FreeRTOS），双核分工确保确定性响应421。
此方案通过软硬件协同优化，兼顾高精度位移测量与动态加速度分析，适用于精密制造、半导体封装等高要求场景。
数据采集系统
读数头系统
数据流程
1.光栅尺读数头（注意灯的颜色代表安装的好坏）。
2.单片机板，正交信号也接入到了STM32F107VCT6。（将差分422转单端信号）。
3.FPGA采集板（A，B两相信号）。
代码
//正交编码器，雷尼绍正交光栅编码器接口。
//可以滤除信号抖动
module test_code(osc, quadA, quadB);
input osc, quadA, quadB;
reg [2:0] quadA_delayed, quadB_delayed;
reg A,B,DIR;
reg [31:0] position;
wire [31:0] position_w;
assign position_w = position;
always @(posedge osc) quadA_delayed <= {quadA_delayed[1:0], quadA};
always @(posedge osc) quadB_delayed <= {quadB_delayed[1:0], quadB};
wire count_enable = quadA_delayed[1] ^ quadA_delayed[2] ^ quadB_delayed[1] ^ quadB_delayed[2];
wire count_direction = quadA_delayed[1] ^ quadB_delayed[2];
always @(posedge osc)
begin
if(count_enable)
begin
if(count_direction) position<=position+1;
else position<=position-1;
A <= quadA_delayed[2];
B <= quadB_delayed[2];
DIR <= count_direction;
end
end
//xilinx debug ip核，单独跑需要删掉下面代码
ila_0 your_instance_name (
.clk(osc), // input wire clk
.probe0(position_w) // input wire [31:0] probe0
);
endmodule
方法2：基于STM32编码器接口，注意设置计数分频只能是不分频，不然抖动无法消除。
具体就不上代码了。通过对比，两种采集方案数据一致。丝杆电机的进给和光栅反馈的
信号基本一致。每走0.5um差不多最多有0.1um的差距，光栅反馈的精度时50nm，基本
就是1个分辨率的跳动。