CN2757220Y - 基于可编程逻辑器件与usb接口的多通道光栅数据转换器 - Google Patents

Abstract

一种基于可编程逻辑器件与USB接口的多通道光栅数据转换器，通过带多路开关的A/D转换芯片、可编程逻辑芯片与内置单片机的USB接口芯片的结合，在可编程逻辑芯片中编程实现对多路光栅传感信号的前端数据处理，并由USP接口芯片实现结果数据到计算机的高速传输，与相应软件结合，能在计算机上实现多路光栅位移传感器测量数据的虚拟显示和测量控制。板上主要器件均可在线编程，***的柔性较高。由于采用通用的大规模集成元件，元器件少、电路简化，不仅减小仪器的体积，而且成本低，使用简单、易于维护。本光栅数据转换器同时也是一种通用的数据采集板，根据需要稍加改变其内部编程，可以适合于各种类型的数据处理、采集。

Description

基于可编程逻辑器件与USB接口的 多通道光栅数据转换器

技术领域

本实用新型属于光栅尺数据处理与采集领域，涉及一种高集成度、高细分倍数、可编程的多通道光栅数据转换器。

背景技术

光栅数据处理模块是光栅尺测量***的核心组成之一。在光栅尺测量***中，光栅数据处理模块用来对光栅尺输出的正弦信号进行细分、辨向、可逆计数和传输送显示。光栅数据处理模块的细分倍数、精度、工作范围直接影响到测量的精度、范围和可靠性。

然而传统的光栅数据处理模块结构复杂、集成度低、体积大、不易和计算机接口。当今，以计算机为核心的加工***、测量***已渐渐成为主流。通过测量传感器与计算机的接口，可以利用计算机开发出功能强大的应用软件，大幅提高测量的效率和加工的自动化程度。因此，寻求一种结构简单、集成度高、易于与电脑接口、可方便升级的多通道光栅数据转换器便成为光栅尺测量***急于解决的问题。

随着可编程逻辑器件(如FPGA、CPLD等)的发展，以及通用串行总线(USB)技术的广泛应用，人们开始将注意力转向可编程的大规模逻辑电路与USB芯片的结合来设计新的光栅数据处理和采集模块。由于USB使用灵活，传输速度快，占用空间小，在数据采集领域已逐渐成为主流。但目前结构和性能都比较好的USB光栅数据采集板还比较少。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、较高的集成度和细分倍数、可同时对多路测量，传输速度快、体积小、成本低、使用灵活的基于可编程逻辑器件与USB接口的多通道光栅数据转换器。

本实用新型是这样实现的：

基于可编程逻辑器件与USB接口的多通道光栅数据转换器，主要包括带多路开关的A/D转换芯片、可编程逻辑芯片、存储器组、内置单片机的USB接口芯片以及周边电路。多通道光栅数据转换器输入为多个光栅位移传感器输出的多路正弦波信号；输入信号接到带多路开关的A/D转换芯片上，经选通被转换成数字值；带多路开关的A/D转换芯片的输出和存储器组的输入输出都接到可编程逻辑芯片上；在可编程逻辑芯片中编程实现对输入信号的前端数据处理和转换。内置单片机的USB接口芯片的I/O脚与可编程逻辑芯片的一组I/O脚相连，以获得处理后的测量结果，同时作为整个转换器的逻辑主控器件。最后经过内置单片机的USB接口芯片主机USB口的连接实现数据和控制命令的传输。通过本多通道光栅数据转换器，实现了对多通道光栅传感信号的细分辨向、可逆计数和USB传输。

本数据转换器中的可编程逻辑芯片集成实现了细分辨向、计数、锁存等模块的功能，其方式是在可编程逻辑芯片中设置编程实现的数据、细分及计数锁存器，加减信号发生器和周期可逆计数器。光栅位移传感器的输出信号通过带多路开关的A/D芯片模数转换接入可编程逻辑芯片，再经过编程实现的数据锁存器输出至存储器组的地址线端；然后由编程实现的细分锁存器对存储器组的输出进行锁存，并将结果的最高两位通过编程实现的加减信号发生器产生加减信号，送编程实现的周期可逆计数器计数并被编程实现的计数锁存器锁存；以计数锁存器输出为位置信号的高位，细分锁存器的输出为位置信号的低位，将其读入内置单片机的USB芯片的I/O口，最后通过内置单片机的USB芯片将数据发送至主机。

在整个多通道光栅数据转换器上，内置单片机的USB芯片是逻辑主控器件。由内置单片机的USB芯片发出逻辑控制信号，经可编程逻辑芯片中编程实现的译码器译码，对内置多路开关A/D转换芯片、存储器组以及周期可逆计数器计数值的输出进行控制和选通。

当输入信号为圆光栅或长光栅时，对于本多通道光栅数据转换器只是在周期可逆计数器的计数范围设置上有所区别。对于圆光栅信号的输入，计数范围设置为光栅刻画线数×细分倍数。对于长光栅信号的输入，计数范围设置为两倍的光栅刻画线数×细分倍数。

本实用新型的优点：

1、本多通道光栅数据转换器采用高集成度的可编程逻辑芯片代替了传统的低集成度的逻辑芯片，实现了多路光栅位移传感器信号的前端处理，减少了元器件的数量，简化了电路，大大的减小了仪器的体积。

2、本多通道光栅数据转换器采用内置单片机的USB芯片实现与计算机的接口，保证了较高的传输速度。同时使用方便、灵活，易于与其他设备接口。

3、本多通道光栅数据转换器大量采用通用的贴片元件，如可编程逻辑芯片XC95144、存储器芯片24LC64、内置单片机的USB芯片CY7C68013，进一步减小了仪器的体积和降低了仪器的功耗。同时贴片元件自动化加工技术成熟，适合大批量制作。

4、本多通道光栅数据转换器的核心器件如可编程逻辑芯片和内置单片机的USB芯片均为在线可编程器件，因而***的柔性较高，能够根据具体使用的需要调整和改变参数既功能而无需更改电路。

5、本多通道光栅数据转换器采用只读存储器细分法，能够实现较高的细分倍数。而且由于***参数可由软件编程进行调整，细分倍数可变。

6、本多通道光栅数据转换器本身是一种通用的数据采集板，根据需要改变其内部编程，可以适合于各种通用的数据处理、采集。

7、本多通道光栅数据转换器作为一个完整的光栅数据处理、采集***，结合相应软件能很容易的实现多通道光栅传感器虚拟数显。从而构成一套基于计算机为核心的测控***，方便的实现测量显示、数据分析、自动加工控制一体化。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理框图

图2是本实用新型的芯片连接图

图3是本实用新型的电路原理图

图4是本实用新型在数据处理、采集中应用的原理框图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的构成作进一步说明：

参照附图1，为本实用新型的工作原理框图，以三路光栅位移传感路，六通道输入为例。图中1为光栅位移传感器，2为带多路开关的A/D转换芯片，3为数据锁存器，4为存储器组，5为细分锁存器，6为加减信号发生器，7为周期可逆计数器，8为计数锁存器，9为内置单片机的USB接口芯片，10为逻辑控制器。光栅位移传感器1的输出接到带多路开关的A/D转换芯片2上，经选通被转换成数字信号。带多路开关的A/D转换芯片2的输出接至存储器组4的地址线低位，同时经数据锁存器3锁存接至存储器组4的地址线高位。存储器组4的输出经细分锁存器5锁存，输出为D0～D7，接至内置单片机的USB接口芯片9的I/O口。

细分锁存器5输出的高两位D6、D7接入加减信号发生器6，产生加减信号输出。然后接至周期可逆计数器7进行计数，计数的结果经计数锁存器8锁存输出为D8～Dn接至内置单片机的USB接口芯片9的I/O口。周期可逆计数器7的清零、置数信号由逻辑控制器10产生，也可由外接的开关产生。逻辑控制器10同时还控制带多路开关的A/D转换芯片2的位选和以及数据、细分及计数锁存器3、5、8，存储器组4、加减信号发生器6的选通。图中数据、细分及计数锁存器3、5、8和加减信号发生器6、周期可逆计数器7均是在可编程逻辑芯片中编程实现。逻辑控制器10由内置单片机的USB接口芯片9中的单片机来实现。

本实用新型工作时，主机端的软件通过接口向内置单片机的USB接口芯片9不断发出数据读入请求，将内置单片机的USB接口芯片9I/O口上的值读入主机。需要置数和清零时，主机端的软件通过接口向内置单片机的USB接口芯片9发出置数和清零命令和数据。内置单片机的USB接口芯片9通过控制引脚对周期可逆计数器7进行置数和清零。

参照附图2，为本实用新型的芯片连接图。图中2为带多路开关的A/D转换芯片，4为存储器组，11为可编程逻辑芯片，9为内置单片机USB接口芯片。光栅传感器的输出接带多路开关的A/D转换芯片2的输入端，带多路开关的A/D转换芯片2的输出接可编程逻辑芯片10。存储器组4的输入输出都接到可编程逻辑芯片10上。内置单片机的USB接口芯片9的I/O脚接到可编程逻辑芯片11上，与主机通讯的串行引脚接至主机的USB口。

参见附图3，为本实用新型的电路图。在本电路图中，带多路开关的A/D转换芯片2由多路开关X1和A/D转换U1两块独立的芯片连接构成。光栅传感器的信号连至多路开关的输入端1C0-1C3和2C0-2C3。输出1Y和2Y接至A/D转换UI的输入ANLGIN，A/D转换UI的输出D0-D7接至可编程逻辑芯片11(图中CP1)的ADD0-ADD7。可编程逻辑芯片11的ADD0-ADD15与存储器组4(图中U2、U3)的地址端ADD0-ADD15相连。存储器组4的输出IO0-IO15接至可编程逻辑芯片11的IO0-IO15。可编程逻辑芯片11与内置单片机的USB接口芯片9(图中U4)之间的接口由PA0-PA7、PB0-PB7、PD0-PD7来实现。图中U5为存储内置单片机的USB接口芯片9中固件程序的EEPROM，X2为与计算机接口的USB插槽，可编程逻辑芯片11的引脚KCP、KC、KX、KY和KCY的***开关电路分别为可编程逻辑芯片11复位、三通道的周期可逆计数器清零和内置单片机的USB接口芯片9的复位。上述电路中，可编程逻辑芯片11采用XC95144，内置单片机的USB芯片采用CY7C68013，存储器组4采用24LC64

参照附图4，为本实用新型在数据处理、采集中应用的原理框图。图中1为光栅位移传感器，12为多通道光栅数据转换器，13为主机。在图3中，每路光栅位移传感器1有四根线与多通道光栅数据转换器12相连。其中两根为电源线VCC和GND，为光栅位移传感器1内的灯泡供电。两根为信号线，输出为两路相位差为90°的正弦电压信号。多通道光栅数据转换器12对输入的信号进行细分、辨向、计数，并把结果通过USB接口传入主机13。多通道光栅数据转换器12上有独立的电源，为光栅位移传感器1提供供电。主机13和多通道光栅数据转换器12之间通过四根线的USB接口连接，其中两根为电源线VCC和GND，可以为多通道光栅数据转换器12上的芯片提供电源，另两根为串行通讯的数据线。主机13部分包括与USB接口的驱动程序和配套的应用程序，作用是显示结果和分析数据。

Claims (2)

1.基于可编程逻辑器件与USB接口的多通道光栅数据转换器，包括带多路开关的A/D转换芯片(2)，存储器组(4)，可编程逻辑芯片(11)，内置单片机的USB接口芯片(9)以及周边电路；其特征在于：多路光栅位移传感器输出的信号接到带多路开关的A/D转换芯片(2)上，经选通被转换成数字信号；带多路开关的A/D转换芯片(2)的输出接可编程逻辑芯片(11)，存储器组(4)的输入输出都接到可编程逻辑芯片(11)上，在可编程逻辑芯片(11)中编程实现对输入信号的前端数据处理和转换；内置单片机的USB接口芯片(9)的I/O脚接到可编程逻辑芯片(11)上，作为逻辑主控器件，最后信号经过内置单片机的USB接口芯片(9)接至主机的USB口。

2.根据权利要求1所述的多通道光栅数据转换器，其特征在于：在可编程逻辑芯片(11)中有编程实现的数据、细分、计数锁存器(3、5、8)，加减信号发生器(6)和周期可逆计数器(7)；数据锁存器(3)输出接至存储器组(4)的地址线端，然后由细分锁存器(5)对存储器组(4)的输出进行锁存，并将结果的最高两位接入加减信号发生器(6)，产生加减信号脉冲输出，然后接至周期可逆计数器(7)计数，计数的结果接入计数锁存器(8)锁存，最后输出接至内置单片机的USB芯片(9)的I/O口；计数锁存器(8)输出为位置信号的高位，细分锁存器(5)输出为位置信号的低位。

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