專利名稱：基于可編程邏輯器件與usb接口的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光柵尺數(shù)據(jù)處理與采集領(lǐng)域，涉及一種高集成度、高細(xì)分倍數(shù)、可編程的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
光柵數(shù)據(jù)處理模塊是光柵尺測量系統(tǒng)的核心組成之一。在光柵尺測量系統(tǒng)中，光柵數(shù)據(jù)處理模塊用來對光柵尺輸出的正弦信號進(jìn)行細(xì)分、辨向、可逆計數(shù)和傳輸送顯示。光柵數(shù)據(jù)處理模塊的細(xì)分倍數(shù)、精度、工作范圍直接影響到測量的精度、范圍和可靠性。
然而傳統(tǒng)的光柵數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低、體積大、不易和計算機接口。當(dāng)今，以計算機為核心的加工系統(tǒng)、測量系統(tǒng)已漸漸成為主流。通過測量傳感器與計算機的接口，可以利用計算機開發(fā)出功能強大的應(yīng)用軟件，大幅提高測量的效率和加工的自動化程度。因此，尋求一種結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、易于與電腦接口、可方便升級的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器便成為光柵尺測量系統(tǒng)急于解決的問題。
隨著可編程邏輯器件(如FPGA、CPLD等)的發(fā)展，以及通用串行總線(USB)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們開始將注意力轉(zhuǎn)向可編程的大規(guī)模邏輯電路與USB芯片的結(jié)合來設(shè)計新的光柵數(shù)據(jù)處理和采集模塊。由于USB使用靈活，傳輸速度快，占用空間小，在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已逐漸成為主流。但目前結(jié)構(gòu)和性能都比較好的USB光柵數(shù)據(jù)采集板還比較少。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、較高的集成度和細(xì)分倍數(shù)、可同時對多路測量，傳輸速度快、體積小、成本低、使用靈活的基于可編程邏輯器件與USB接口的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的基于可編程邏輯器件與USB接口的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，主要包括帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片、可編程邏輯芯片、存儲器組、內(nèi)置單片機的USB接口芯片以及周邊電路。多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入為多個光柵位移傳感器輸出的多路正弦波信號；輸入信號接到帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片上，經(jīng)選通被轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸出和存儲器組的輸入輸出都接到可編程邏輯芯片上；在可編程邏輯芯片中編程實現(xiàn)對輸入信號的前端數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換。內(nèi)置單片機的USB接口芯片的I/O腳與可編程邏輯芯片的一組I/O腳相連，以獲得處理后的測量結(jié)果，同時作為整個轉(zhuǎn)換器的邏輯主控器件。最后經(jīng)過內(nèi)置單片機的USB接口芯片主機USB口的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。通過本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了對多通道光柵傳感信號的細(xì)分辨向、可逆計數(shù)和USB傳輸。
本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的可編程邏輯芯片集成實現(xiàn)了細(xì)分辨向、計數(shù)、鎖存等模塊的功能，其方式是在可編程邏輯芯片中設(shè)置編程實現(xiàn)的數(shù)據(jù)、細(xì)分及計數(shù)鎖存器，加減信號發(fā)生器和周期可逆計數(shù)器。光柵位移傳感器的輸出信號通過帶多路開關(guān)的A/D芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換接入可編程邏輯芯片，再經(jīng)過編程實現(xiàn)的數(shù)據(jù)鎖存器輸出至存儲器組的地址線端；然后由編程實現(xiàn)的細(xì)分鎖存器對存儲器組的輸出進(jìn)行鎖存，并將結(jié)果的最高兩位通過編程實現(xiàn)的加減信號發(fā)生器產(chǎn)生加減信號，送編程實現(xiàn)的周期可逆計數(shù)器計數(shù)并被編程實現(xiàn)的計數(shù)鎖存器鎖存；以計數(shù)鎖存器輸出為位置信號的高位，細(xì)分鎖存器的輸出為位置信號的低位，將其讀入內(nèi)置單片機的USB芯片的I/O口，最后通過內(nèi)置單片機的USB芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機。
在整個多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上，內(nèi)置單片機的USB芯片是邏輯主控器件。由內(nèi)置單片機的USB芯片發(fā)出邏輯控制信號，經(jīng)可編程邏輯芯片中編程實現(xiàn)的譯碼器譯碼，對內(nèi)置多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換芯片、存儲器組以及周期可逆計數(shù)器計數(shù)值的輸出進(jìn)行控制和選通。
當(dāng)輸入信號為圓光柵或長光柵時，對于本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器只是在周期可逆計數(shù)器的計數(shù)范圍設(shè)置上有所區(qū)別。對于圓光柵信號的輸入，計數(shù)范圍設(shè)置為光柵刻畫線數(shù)×細(xì)分倍數(shù)。對于長光柵信號的輸入，計數(shù)范圍設(shè)置為兩倍的光柵刻畫線數(shù)×細(xì)分倍數(shù)。
本實用新型的優(yōu)點1、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用高集成度的可編程邏輯芯片代替了傳統(tǒng)的低集成度的邏輯芯片，實現(xiàn)了多路光柵位移傳感器信號的前端處理，減少了元器件的數(shù)量，簡化了電路，大大的減小了儀器的體積。
2、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用內(nèi)置單片機的USB芯片實現(xiàn)與計算機的接口，保證了較高的傳輸速度。同時使用方便、靈活，易于與其他設(shè)備接口。
3、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器大量采用通用的貼片元件，如可編程邏輯芯片XC95144、存儲器芯片24LC64、內(nèi)置單片機的USB芯片CY7C68013，進(jìn)一步減小了儀器的體積和降低了儀器的功耗。同時貼片元件自動化加工技術(shù)成熟，適合大批量制作。
4、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的核心器件如可編程邏輯芯片和內(nèi)置單片機的USB芯片均為在線可編程器件，因而系統(tǒng)的柔性較高，能夠根據(jù)具體使用的需要調(diào)整和改變參數(shù)既功能而無需更改電路。
5、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用只讀存儲器細(xì)分法，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的細(xì)分倍數(shù)。而且由于系統(tǒng)參數(shù)可由軟件編程進(jìn)行調(diào)整，細(xì)分倍數(shù)可變。
6、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器本身是一種通用的數(shù)據(jù)采集板，根據(jù)需要改變其內(nèi)部編程，可以適合于各種通用的數(shù)據(jù)處理、采集。
7、本多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器作為一個完整的光柵數(shù)據(jù)處理、采集系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)軟件能很容易的實現(xiàn)多通道光柵傳感器虛擬數(shù)顯。從而構(gòu)成一套基于計算機為核心的測控系統(tǒng)，方便的實現(xiàn)測量顯示、數(shù)據(jù)分析、自動加工控制一體化。


圖1是本實用新型的工作原理框圖圖2是本實用新型的芯片連接圖圖3是本實用新型的電路原理圖圖4是本實用新型在數(shù)據(jù)處理、采集中應(yīng)用的原理框圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的構(gòu)成作進(jìn)一步說明參照附圖1，為本實用新型的工作原理框圖，以三路光柵位移傳感路，六通道輸入為例。圖中1為光柵位移傳感器，2為帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，3為數(shù)據(jù)鎖存器，4為存儲器組，5為細(xì)分鎖存器，6為加減信號發(fā)生器，7為周期可逆計數(shù)器，8為計數(shù)鎖存器，9為內(nèi)置單片機的USB接口芯片，10為邏輯控制器。光柵位移傳感器1的輸出接到帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片2上，經(jīng)選通被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片2的輸出接至存儲器組4的地址線低位，同時經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器3鎖存接至存儲器組4的地址線高位。存儲器組4的輸出經(jīng)細(xì)分鎖存器5鎖存，輸出為D0～D7，接至內(nèi)置單片機的USB接口芯片9的I/O口。
細(xì)分鎖存器5輸出的高兩位D6、D7接入加減信號發(fā)生器6，產(chǎn)生加減信號輸出。然后接至周期可逆計數(shù)器7進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果經(jīng)計數(shù)鎖存器8鎖存輸出為D8～Dn接至內(nèi)置單片機的USB接口芯片9的I/O口。周期可逆計數(shù)器7的清零、置數(shù)信號由邏輯控制器10產(chǎn)生，也可由外接的開關(guān)產(chǎn)生。邏輯控制器10同時還控制帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片2的位選和以及數(shù)據(jù)、細(xì)分及計數(shù)鎖存器3、5、8，存儲器組4、加減信號發(fā)生器6的選通。圖中數(shù)據(jù)、細(xì)分及計數(shù)鎖存器3、5、8和加減信號發(fā)生器6、周期可逆計數(shù)器7均是在可編程邏輯芯片中編程實現(xiàn)。邏輯控制器10由內(nèi)置單片機的USB接口芯片9中的單片機來實現(xiàn)。
本實用新型工作時，主機端的軟件通過接口向內(nèi)置單片機的USB接口芯片9不斷發(fā)出數(shù)據(jù)讀入請求，將內(nèi)置單片機的USB接口芯片9I/O口上的值讀入主機。需要置數(shù)和清零時，主機端的軟件通過接口向內(nèi)置單片機的USB接口芯片9發(fā)出置數(shù)和清零命令和數(shù)據(jù)。內(nèi)置單片機的USB接口芯片9通過控制引腳對周期可逆計數(shù)器7進(jìn)行置數(shù)和清零。
參照附圖2，為本實用新型的芯片連接圖。圖中2為帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，4為存儲器組，11為可編程邏輯芯片，9為內(nèi)置單片機USB接口芯片。光柵傳感器的輸出接帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片2的輸入端，帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片2的輸出接可編程邏輯芯片10。存儲器組4的輸入輸出都接到可編程邏輯芯片10上。內(nèi)置單片機的USB接口芯片9的I/O腳接到可編程邏輯芯片11上，與主機通訊的串行引腳接至主機的USB口。
參見附圖3，為本實用新型的電路圖。在本電路圖中，帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片2由多路開關(guān)X1和A/D轉(zhuǎn)換U1兩塊獨立的芯片連接構(gòu)成。光柵傳感器的信號連至多路開關(guān)的輸入端1C0-1C3和2C0-2C3。輸出1Y和2Y接至A/D轉(zhuǎn)換UI的輸入ANLGIN，A/D轉(zhuǎn)換UI的輸出D0-D7接至可編程邏輯芯片11(圖中CP1)的ADD0-ADD7。可編程邏輯芯片11的ADD0-ADD15與存儲器組4(圖中U2、U3)的地址端ADD0-ADD15相連。存儲器組4的輸出IO0-IO15接至可編程邏輯芯片11的IO0-IO15。可編程邏輯芯片11與內(nèi)置單片機的USB接口芯片9(圖中U4)之間的接口由PA0-PA7、PB0-PB7、PD0-PD7來實現(xiàn)。圖中U5為存儲內(nèi)置單片機的USB接口芯片9中固件程序的EEPROM，X2為與計算機接口的USB插槽，可編程邏輯芯片11的引腳KCP、KC、KX、KY和KCY的外圍開關(guān)電路分別為可編程邏輯芯片11復(fù)位、三通道的周期可逆計數(shù)器清零和內(nèi)置單片機的USB接口芯片9的復(fù)位。上述電路中，可編程邏輯芯片11采用XC95144，內(nèi)置單片機的USB芯片采用CY7C68013，存儲器組4采用24LC64參照附圖4，為本實用新型在數(shù)據(jù)處理、采集中應(yīng)用的原理框圖。圖中1為光柵位移傳感器，12為多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，13為主機。在圖3中，每路光柵位移傳感器1有四根線與多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12相連。其中兩根為電源線VCC和GND，為光柵位移傳感器1內(nèi)的燈泡供電。兩根為信號線，輸出為兩路相位差為90°的正弦電壓信號。多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12對輸入的信號進(jìn)行細(xì)分、辨向、計數(shù)，并把結(jié)果通過USB接口傳入主機13。多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12上有獨立的電源，為光柵位移傳感器1提供供電。主機13和多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12之間通過四根線的USB接口連接，其中兩根為電源線VCC和GND，可以為多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12上的芯片提供電源，另兩根為串行通訊的數(shù)據(jù)線。主機13部分包括與USB接口的驅(qū)動程序和配套的應(yīng)用程序，作用是顯示結(jié)果和分析數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1.基于可編程邏輯器件與USB接口的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，包括帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片(2)，存儲器組(4)，可編程邏輯芯片(11)，內(nèi)置單片機的USB接口芯片(9)以及周邊電路；其特征在于多路光柵位移傳感器輸出的信號接到帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片(2)上，經(jīng)選通被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片(2)的輸出接可編程邏輯芯片(11)，存儲器組(4)的輸入輸出都接到可編程邏輯芯片(11)上，在可編程邏輯芯片(11)中編程實現(xiàn)對輸入信號的前端數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換；內(nèi)置單片機的USB接口芯片(9)的I/O腳接到可編程邏輯芯片(11)上，作為邏輯主控器件，最后信號經(jīng)過內(nèi)置單片機的USB接口芯片(9)接至主機的USB口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于在可編程邏輯芯片(11)中有編程實現(xiàn)的數(shù)據(jù)、細(xì)分、計數(shù)鎖存器(3、5、8)，加減信號發(fā)生器(6)和周期可逆計數(shù)器(7)；數(shù)據(jù)鎖存器(3)輸出接至存儲器組(4)的地址線端，然后由細(xì)分鎖存器(5)對存儲器組(4)的輸出進(jìn)行鎖存，并將結(jié)果的最高兩位接入加減信號發(fā)生器(6)，產(chǎn)生加減信號脈沖輸出，然后接至周期可逆計數(shù)器(7)計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果接入計數(shù)鎖存器(8)鎖存，最后輸出接至內(nèi)置單片機的USB芯片(9)的I/O口；計數(shù)鎖存器(8)輸出為位置信號的高位，細(xì)分鎖存器(5)輸出為位置信號的低位。
專利摘要一種基于可編程邏輯器件與USB接口的多通道光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，通過帶多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換芯片、可編程邏輯芯片與內(nèi)置單片機的USB接口芯片的結(jié)合，在可編程邏輯芯片中編程實現(xiàn)對多路光柵傳感信號的前端數(shù)據(jù)處理，并由USP接口芯片實現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)到計算機的高速傳輸，與相應(yīng)軟件結(jié)合，能在計算機上實現(xiàn)多路光柵位移傳感器測量數(shù)據(jù)的虛擬顯示和測量控制。板上主要器件均可在線編程，系統(tǒng)的柔性較高。由于采用通用的大規(guī)模集成元件，元器件少、電路簡化，不僅減小儀器的體積，而且成本低，使用簡單、易于維護(hù)。本光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器同時也是一種通用的數(shù)據(jù)采集板，根據(jù)需要稍加改變其內(nèi)部編程，可以適合于各種類型的數(shù)據(jù)處理、采集。
文檔編號G06F3/00GK2757220SQ20042006170
公開日2006年2月8日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者王代華, 袁剛 申請人:重慶大學(xué)