摘 要

光栅计量技术在工业计量领域得到了飞速发展，其中光栅传感器在线位移和角位移测量中得到广泛应用。对光栅信号进行处理有很多方法，如传统电路、 单片机或者现场可编程门阵列(FPGA)等。随着电子技术的不断发展，光栅信号处理电路研究也就向着数字化的方向发展，采用可编程逻辑阵列电路，通过语言编程来实现预期功能。目前FPGA进行电路设计已经成为一种最有效、性能最好的设计方法。近几年，对于光栅信号的处理采用CPLD／FPGA技术已成为一种趋势。这篇文章对信号处理电路的研究就是以FPGA为核心来实现。本文简单介绍了光栅的基础知识，详细讲解了光栅测量原理以及莫尔条纹信号的电子细分方法；介绍了FPGA的发展及应用，分析了FPGA的开发流程和硬件描述语言VerilogHDL。

在现代测控技术领域中，光栅位移传感器在线位移、角位移测量中得到了广泛应用。本论文主要研究基于FPGA的光栅位移检测系统。针对通用光栅传感器数据采集系统存在的问题，研究了一种新型的基于FPGA技术和USB接口的光栅传感器数据采集系统。该系统采用现场可编程门阵列FPGA作为主控制器，通过基于CH375的USB接口实现数据传输。文章给出了整个系统的硬件电路设计，包括光栅传感器信号的FPGA处理、USB接口电路设计，并详细介绍了光栅采集USB数据传输的上、下位机的程序设计。该系统已试用于某型号的光栅传感器外壳直线性的测量系统中。

关键词：光栅传感器、FPGA 、USB接口、位移检测

Abstract

Grating measurement technology has been rapid development in the field of industrial measurement, which has been widely used in the grating sensor line displacement and angular displacement measurements. Grating signals to deal with a lot of ways, such as traditional circuit

Microcontroller or field programmable gate array (FPGA). With the continuous development of electronic technology, the grating signal processing circuit also toward the direction of the digital programmable logic array circuit to achieve the desired functionality through programming. FPGA circuit design has become one of the most effective and best performance of the design method. In recent years, the grating signal processing using the CPLD / FPGA technology has become a trend. This article on the signal processing circuit is the FPGA as the core to achieve. This paper briefly introduces the basics of the grating, and detailed electronic subdivision method for grating measurement principle and the moire fringe signal; FPGA development and application of the FPGA development process and hardware description language Verilog HDL.

In this paper, the FPGA grating signal processing circuit of the coordinate measuring machine. The main

A. It identified the grating signal FPGA as the core, subdivision count. In detail Fourth harmonic identified to the circuit, counting circuit design ideas, use of VerilogHDL language 'to complete

The hardware design of the entire circuit. The simulation results show that this design will not only reach the circuit is expected to indicators, and less resource consumption, the program easy to modify.

Two. Upload computer data will be collected through the USB interface circuit to complete the data storage and transmission. USB communication interface to transmit data, high-speed, Plug and Play and supports multi-mode transmission. The design uses the CH372 interface chip. This issue has been completed the design of the FPGA core chip, the grating signal identified, subdivision, count, and USB 121 circuit analysis and select the appropriate interface chip.

Keywords: FPGA; grating; fourth harmonic; identified; the USB

第一章 绪论

1.1课题研究的目的与意义

本课题来源于国家自然科学基金项目——平行双关节坐标测量机的关键技术研究。目的是研发一套光栅信号处理电路系统，以FPGA为核心完成包括光栅编码信号的辨向、细分、计数等功能，以及完成数据存储传输等工作。如今电子系统的设计已不再是利用各种通用集成电路IC进行印刷电路板PCB的设计和调试，而是转向以大规模现场可编程逻辑阵列FPGA(FieldProgrammableGate Array)或专用集成电路ASIC为物理载体的系统级的芯片设计。对于光栅信号的处理电路研究，无论是传统的实现电路还是利用编程语言实现的电路设计，它都主要是由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路等组成。传统的电路它的结构比较繁琐，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降。传统电路一旦制版后，修改就很难，要想修改电路必须重新制版，这样浪费很多资源。由于传统电路器件很多，这样制版后占用的空间很大，对于一些小型仪器来说很困难。为了实现一套系统简单可靠易升级而且板块小巧的光栅信号处理系统电路，所以采用FPGA来实现。FPGA体现很多优越性，已经成为一种设计潮流。FPGA具有很多特点，如体系结构完整、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等。以FPGA作为硬件载体，以HDL硬件语言表达设计意图，以EDA软件作为丌发环境，以计算机为设计丌发工具，以ASIC、SOC和IP技术等为综合设计的方法，已成为硬件设计工程的主要特征。用FPGA实现硬件电路的设计，设计方法结构简单、集成度高、系统功耗降低、抗干扰性增强，减少了传统电路连线、制版等很多麻烦。用VerilogHDL设计电路，改变电路结构只需修改程序即可，且系统维护和升级的便捷性提高。

1.2本论文主要研究工作：

1．光栅信号处理电路的研究，不再是依赖传统电路或者单片机实现，而以FPGA为核心完成包括光栅信号的辨向、细分、计数等功能，实现信号的处理。

2．通过接口电路将采集到的数据上传计算机完成数据存储传输等工作。通 信接口电路的功能是将可逆计数器的计数值传输到计算机，同时接收计算机发

出的控制信号。

1.3论文主要研究内容有：

1)光栅位移传感器的位移测量原理

2)基于FPGA技术的光栅位移传感器在位移检测系统总体方案设 计；

3)光栅位移传感器信号处理电路设计；

4)光栅位移信号数据USB接口采集软件设计。

第二章光栅位移传感器测量原理

2.1光栅的基础知识

光栅是由一系列等宽等间距的平行狭缝组成，在lmm的长度上往往刻有几百条甚至上千条的刻痕。光栅根据不同情况有不同分类，按形成莫尔条纹的原理不同可分为几何光栅和衍射光栅，按光路不同分为透射光栅和反射光栅。几何光栅适用于光米级和亚微米级的光栅测量，当光栅栅距为100,urn至20／．on大于光源光波波长时，两块光栅相对移动产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理为影像原理。衍射光栅适用于纳米级的光栅测量，光栅栅距是4,tan或8um，栅线的宽度与光的波长非常接近，这样就能产生衍射和干涉现象并形成莫尔条纹，其测量原理为干涉原理。

2.2光栅尺的基本原理

常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带，从而便形成了我们所见到的摩尔条纹。

2.2.1光栅尺的测量原理

光栅尺是一种利用光栅的光学原理来工作的测量反馈装置。光栅尺经常用 于角位移或者直线位移的精密测量、位移量同步比较测量，还应用于数控机床

的闭环伺服系统，同时又可作为一种测量振动、应力、应变的检测元件。光栅 尺测量输出的信号为数字脉冲，并且检测范围大，检测精度高，响应速度快。

2.2.2莫尔条纹

以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (右图所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。

W=ω /2* sin（θ/2）=ω /θ 。

莫尔条纹具有以下特征：

(1)莫尔条纹的变化规律

两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。

(2)放大作用

在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系。式中，θ的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sinθ很小，则

W=ω /θ

若ω =0．01mm，θ=0.01rad，则上式可得W=1，即光栅放大了100倍。

2.2.3光栅传感器的工作原理

光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。下面以黑白投射光栅为例说明光栅传感器的工作原理，如图

主光栅和指示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅是光栅测量装置中的主要部件，整个测量装置的精度主要由主光栅的精度来决定。光源和聚光镜组成照明系统，光源放在聚光镜的焦平面上，光线经聚光镜成平行光投向光栅。光源主要有白炽灯的普通光源和砷化镓(GoAs)为主的固态光源。白炽灯的普能光源有较大的输出功率，较高的工作范围，而且价格便宜。但存在着辐射热量大、体积大和不易小型化等弱点，故而应用越来越少。砷化镓发光二极管有很高的转换效率，而且功耗低、散热少、体积小，近年来应用较为普通。光电元件主要有 光电池和光敏晶体管。它把由光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转化为电量输出。光电元件最好选用敏感波长与光源相接近的，以获得较大的输出，一般情况，光敏元件最好选用敏感波长与光源相接近的，以获得较大的输出，一般情况，光敏元件的输出都不是很大，需要同放大器、整形器一起将信号变为要求的输出波形。经过前面的分析可知，莫尔条纹是一个明暗相『自J的带。从图2．5看 出，两条暗带中心线之问的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直至 最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程

当两块光栅(标尺光栅和指示光栅)以微小交角相对倾斜重叠并组成光栅传感器时，在光栅刻痕的垂直方向上可以见到明暗相间的横向莫尔条纹，当指示光栅沿着垂直于刻线的方向移动时，莫尔条纹就沿着垂直于交角平分线的方向移动。因此，可以通过测量莫尔条纹的运动，即对莫尔条纹计数来测量光栅的位移量。在光栅移动中可以将两光栅条纹的明暗变化成两路相位差900的方波信号输出，通过记录此两路方波信号的上下沿的个数来测量实际的位移变化，并由此两路信号的瞬时相位变化测出位移的方向。图2．6是光栅传感器的输出信号示意图系统只要检测出图中所示的变化，可实现I．日J接的对莫尔条纹进行计数，即可确定其位置变化。

第三章基于FPGA的光栅位移检测系统设计

本论文主要研究基于FPGA的光栅位移传感器位移检测系统的总体设计方案

该测量系统主要由光栅位移传感器、基于FPGA的光栅信号处理电路、光栅据与上位机USB接口电路三部分组成。系统基本工作原理是：光栅传感器将位移信息转换为电信号，经信号处理电路FPGA处理，再通过USB接口电路将采集到的光栅传感器位移数据上传计算机完成测量任务。

(1)系统设计中，采用FPGA技术完成系统的总体控制和信号处理功能。目前通用的光栅位移检测系统，一般是采用单片机以及一些定时计数器作为信号处理主件，单纯的单片机系统极易受到外界干扰，使得整个系统存在着不可靠因素，影响着系统的深入应用。随着电子技术的发展，采用ISP(在系统可编程)技术的CPLD(复杂的可编程逻辑器件)代替标准的IC(集成电路)器件，来设计光栅位移检测系统，大大提高了系统的可靠性，节约了设计成本。FPGA是SRAM型的可编程逻辑器件，ALTERACyclone系列的FPGA器件采用了成本优化的全铜、

1．5V、SRAM工艺，集成度从2910到20060个逻辑单元；具有多达294912个比特的嵌入RAM。Cyclone器件支持多种单端I／O标准，如LVTTL(LowVoltageTTL)、LVCMOS、PCI和SSTL·2／3。它具有一个简化的LVDS通道，支持多达129个通道，每个通道的吞吐量可达311Mbps。Cyclone器件具有专用电路实现双数据率(DDR)SDRAM和FCRAM接口。Cyclone器件最多有两个锁相环(PLL)，共有六个输出和层次化时钟结构，为复杂设计提供了强大的时钟管理电路，Cyclone系列FPGA器件的这些高效结构及其优异的性能，使之成

为ASIC最灵活和最划算的替代方案。本系统设计中选用了Cyclone系列的FPGA芯片EPIC3T144C8。它拥有2910个逻辑单元(LE)、13块M4KRAM(4Kbits+奇偶校验)、总共59904比特RAM、1个PLLs和104个最大用户I／O管脚数，并采用40MHz频率的有源晶振作为FPGA的全局时钟。另外，选用ALTERA公司配套的AS模式的配置存储器EPCSl，成本比较低，并且很容易配置。

(2)光栅位移测量系统与上位机采用USB接口方式在USB产生之前，外设与P机的通信主要是通过PC机主板所提供的各种接口来实现的，如ISA接口、PCI接口、PS／2接口、串行接口、并行接口等。存在很多缺陷。

1) 它们是非共享式接口，只支持单个外设的连接，即在同一时刻一个接口只能连接一个外设。而当前PC机接口的数量是有限的，根本无法满足大量外设连接的需要。

2)这些接口的体积庞大。它们几乎占用了PC机主板面积的一半，而硬件厂商不可能无限制地增加主板的面积来扩充这些老式的接口，而且，大体积的接口不利于PC机外设的小型化。

3) 这些接口的规格不一。当用户需要把一些外设连接到PC机时，他们不得不面对种类繁多的I／O扩展槽和外部端口，这会使用户觉得很不方便。

4)这些接口采用传统的I／O模式。外设被映射为CPU的I／O地址空间，并被分配一个指定的IRQ(qh断请求)，或是一个DMA通道。这种模式会带来诸如I／O地址冲突、所指定的mO已被别的外设占用等问题。这时用户需要采用手工的方法设置一些开关和跳线以重新配置这些设备，有时还必须打开机箱盖，而且在设置完毕后，用户必须重新启动计算机，才能使这些新的配置生效。USB接口从传统I／O模式的桎梏中解放出来，开辟了一条外设与PC机连接的新方法。与其他老式PC机接口相比，USB具有如下优点：

①热插拔。用户可以USB外设连接到一台J下在运行的PC机上，操作系统能自动识别，并且用户可以立刻使用，而不需要重新启动PC机。用户也可以在任何时候断开USB外设，而不管计算机是否J下在运行，这都不会损坏PC机和外设。 ②即插即用。USB实现了自动配置，它不需要用户手工配置I／O地址和中断请求(IRQ)。当USB外设接入Pc机时，操作系统会自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。对用户来说，只需稍稍等几秒钟，UsB外设的安装就完成了。

③共享式接口。USB端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式。通过USB集线器，一个USB主控制器上最多可以连接126个外设。

④接口体积小巧。

⑤节省系统资源。在USB系统中，只有USB主控制器需要使用一根IRQ线和一些I／O地址空间。对USB外设来说，它需要的仅仅是USB系统为其分配一个唯一的地址，而这个地址只有USB子系统知道。

⑥灵活。USB支持三种类型的传输速率：1．5Mb／s的低速传输、12Mb／s的全速传输和480Mb／s的高速传输；4种传输类型：块传输、同步传输、中断传输和控制传输，这使其能适合多种外设的需要。

⑦低成本。

⑧性能可靠。USB系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。USB发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大数可能引起数据错误的噪声。在USB协议中包含了数据错误的检测机制，用来确保数据准确无误地发送和接收。

⑨提供电源。USB电缆向外设提供了一根+5V的电源线，电流的大小取决于集线器端口，最小为100mA，最大不会超过500mA，用户可以直接使用这个总线电源。另外，USB支持低功耗模式，如果其连续3ms没有总线活动的话，USB就会自动进入挂起状态，以节省电源消耗。

⑩兼容性。USB规范有良好的向下兼容性，如USB2．0的主控制器就能很好地兼容USBl．1的产品，操作系统在检测到全速USB设备接入时，会自动按照12Mb／s的速率进行传输，而其他高速USB设备，并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率，它们仍可继续使用480Mb／s的速率进行传输。因此，系统设计中，采用USB总线接口作为光栅数据采集系统与计算机之『自J的接口。采用专用接口芯片(如南京沁恒公司的CH375)来设计接口电路，可以大大减少设计者的工作量，缩短设计周期，并能提供给设计者良好的接口。

第四章光栅传感器信号处理电路设计

4．1光栅位移传感器信号的接收

针对光栅位移传感器输出的RS一422差分信号，系统MC3486四路 差分接收器作为光栅位移传感器信号接收器件，如图4-1所示。

RS一422数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在．2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS．485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“O”的第三态。光栅信号采集电接收光栅传感器输出的四路差分信号，接收端 RS-422需要接一电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在近距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

一般终端匹配采用终接电阻方法，即RS．422在总线电缆的远端并接电阻。终接电阻一般在RS-422网络中取looQ。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多

数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Q。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要对于功耗限制比较严格的系统不太适合。因此本电路中采用了比较省电的匹配方式：RC匹配，如图4-2，利用一只电容C隔断直大部分功率。

4.2光栅位移传感器信号的整形及电平转换电路设计

在本设计中，经由MC3486输出的光栅位移传感器信号，再由74HCl4整形、7407进行电平转换后，才能输出给FPGA。如图4-3所示。

施密特触发器(SchmittTrigger)是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特点：

第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。

第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地消除。在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上电容较大时，波形的上升沿将明显变坏。当传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象。当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉波形。因此本设计中采用74HCl4对光栅位移传感器信号进行整形。在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件互相接口时存在以下几个问题：

第一，加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或者分离元件接到Vet。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在3．3V器件的输入端加上5V的信号，则5V电源会向3．3V电源充电，持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。

第二，两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时，3．3V电源降落到0V，大电流将流通到地，这使得总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管在3．3V的工作状态还是在0V的等待状态都不允许电流流向Vet。

第三，接口输入转换门限问题。5V器件和3．3V器件的接口有很多情况，同样TTL和CMOS间的电平转换也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平，并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。

基于上述情况，5V器件和3．3V器件是不能直接接口的。分析各种逻辑电平信号的电特性，会发现有以下五种接口情况：

第一，相同供电电压的TTL器件驱动CMOS器件时，1]几器件的输出高电平可能达不到CMOS器件的输入高电平的最小值。3．3VTTL器件的Vo一是2．4V，

3．3VCMOS器件的V。。是0．8Vcc(3．3Vx0．8=2．64V)；5．0V1vrL器件的V。。是2．4V，5．0VCMOS器件的V。。是0．7Vc(3．5V)。为了可靠地传输

数据，可以将TLL器件的输出端上拉。有些CMOS工艺制造的器件兼容rrL电平，这样就可以与相同供电电压的rrL器件直接接口，不需要上拉。

第二，相同供电电压的CMOS器件驱动rrL器件，电平匹配，数据能可靠地传输。

第三，不同供电电压的TrL器件驱动CMOS器件时，TTL器件的输出高电平也可能达不到CMOS器件的输入高电平的最小值。3．3vTTL器件的Vo“是2．4V，5．0VCMOS器件的v。。是0．7V。。(3．5v)，电平不匹配：5．OVTTL器件的V。。是2．4v，3．3 VCMOS器件的V．。是0．8Vcc(2．64V)，可以将5．0VTTL器件的输出端上拉，达到电平匹配的目的。

第四，不同供电电压的CMOS器件驱动TTL器件时，在输入端具有5V容限的情况下，电平匹配，数据能可靠地传输。

第五，不同供电电压的TTL器件在输入端具有5V容限的情况下可以直接接口；不同供电电压的CMOS器件由于电平不匹配不能直接接口。由以上分析可知，不同逻辑标准的电平信号一般是不能直接接口的。在只有少量信号需要电平转换的情况下，可以考虑上拉电阻或选择具有5V输入容限的器件，甚至可以考虑电阻分压降低输入电压的办法。对于大量信号需要电平转换的情况，为了可靠传输数据，可以采用双电压(一边是3．3V，另一边是5V)供电的双向驱动器来实现电平转换。而本设计中，前端光栅位移传感器信号的硬件处理电路的工作电压为+5V，后端基于FPGA的信号处理电路I／O口的工作电压为+3．3V，因此，采用了7407进行电平转换。

4.3USB总线接口电路

利用FPGA实现光栅位移系统与上位机接口的电路原理框图见图4-9，利用南京沁恒公司的USB总线接口芯片CH375来实现USB接口设计原理图见图4．10

。

CH375是一个USB总线的通用设备接口芯片。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP、MCU、MPU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH375的配套软件提供了简洁易用的操作接口，在本地端的FPGA通讯就如同读写文件。

CH375芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。当使用5V工作电压时，CH375芯片的VCC引脚输入外部5V电源，并且V3引脚应该外接容量为0．01uF左右的电源退耦电容。当使用3.3V工作电压时，CH375芯片的V3引脚应该与VCC引脚相连接，同时输入外部的3.3V电源，并且与CH375芯片相连接的其它电路的工作电压不能超过3.3V。J6是USB端口，USB总线包括一对5V电源线

和一对数据信号线，通常，+5V电源线是红色，接地线是黑色，D+信号线是绿色，D一信号线是白色。USB总线提供的电源电流最大可以达到500mA，一般情况下，低功耗的USB产品可以直接使用USB总线提供的5V电源。如果USB 产品通过其它供电方式提供常备电源，那么CH375应该与FPGA一起使用该常备电源并且断开USB总线的电源；如果需要同时使用USB总线的电源，那么可以通过阻值约为lQ的电阻连接USB总线的5V电源线与USB产品的5V常备电源，并且两者的接地线直接连接。晶体Y1、电容C29和C30用于cH375的时钟振荡电路。Y1的频率是12MHz，C29和C30是容量为15pF的独石或高频瓷片电容。

在设计印刷线路扳PcB时，需要注意：退耦电容C31尽量靠近CH375的相连引脚；使D+和D．信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰；尽量缩短xI和XO引脚相关信号线的长度，为了减少高频时钟对外界的干扰，可以在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。

CH375芯片的CS#、INT拌、A0、RD拌和WR#可以分别连接到FPGA的I／O口。其中CS#用于当FPGA具有多哥外围器件时进行设备选择。INT群输出的中断请求是低电平有效，FPGA可以查询获知中断请求。

当WR#为高电平并且CS#和RD#及A0都为低电平时，CH375中的数据通过D7～D0输出；当RD#为高电平并且CS#和WR#及A0都为低电平时，D7~DO上的数据被写入cH375芯片中；当RD嚣为高电平并且CS#和WR#都为低电平而Al为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写如CH375芯片中。

CH375芯片的UD+和UD一引脚应该直接连接到USB总线上。如果 为了芯片安全而串接保险电阻或者电感，那么交直流等效串联电阻应该 在5Ω之内。

CH375芯片内置了电源上电复位电路，一般情况下，不需要外部提 供复位。

CH375芯片正常工作时需要外部为其提供12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH375内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在XI和XO引脚之间连接一个标称频率为12MHz的晶体，并且分别为xl和XO引脚

对地连接一个高频振荡电容。如果从外部直接输入12MHz时钟信号，那么应该从XI引脚输入，而XO引脚悬空。

4.5电源电路

系统设计中，电源电路采用LM2576芯片。LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1．23V)，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括LM2576(最高输入电压40V)及LM2576HV(最高输入电压60v)二个系列。各系列产品均提供有3．3V(·3_3)、5V(-5．0)、12V(．12)、15V(．15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下：

·最大输出电流：3A；

·最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V；

·输出电压：3．3V、5V、12V、15V和ADJ(可调)等可选；

·振东频率：52kHz；

·转换效率：75％～88％(不同电压输出时的效率不同)；

·控制方式：PWM；

·工作温度范围：40℃～+125℃

·工作模式：低功耗／正常两种模式可外部控制；

·工作模式控制：1YrL电平兼容；

·所需外部元件：仅四个(不可调)或六个(可调)；

·封装形式：1?0．220或TO．263。

LM2576内部包含52kHz振荡器、1．23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通常将比较器的负端接基准电压(1．23V)，正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值。因此，本设计的电源电路中，选用了两片LM2576。

如图4．13所示。图中，U1分别为U3和U4提供+5V的电压；U2分别为电路前端的光栅传感器信号处理电路及光栅传感器工作提供电压

第五章USB接口软件设计

CH375在计算机端提供了应用层接口，应用层接口是由CH375动态链接库DLL提供的面向功能应用的API，所有API在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。CH375动态链接库提供的API包括：设备管理API、数据传输API、中断处理API。

●设备管理API

打开设备：CH3750penDeviee

关闭设备：CH375CloseDeviee

获取USB设备描述符：CI-1375GetDeviceDescr

获取USB配置描述符：CH375GetConfigDescr

复位USB设备：CH375ResetDevice

设置USB数据读写的超时：CH375SetTimeout

设置独占使用当前CH375设备：CH375SetExclusive

设定内部缓冲上传模式：CJ375SetButUpload

查询内部上传缓冲区中的已有数据包个数：

CH375QueryBufUpload

●数据传输API

读取数据块(数据上传)：cH375ReadData

写出数据块(数据下传)：cH375wHteDa诅

放弃数据块读操作：CH375AbortRead

放弃数据块写操作：CH375AbortWrite

写出辅助数据(辅助数据下传)：CH375WriteAuxData

●中断处理API

读取中断数据：CH375ReadInter

放弃中断数据读操作：CH375AbortInter

设定中断服务程序：CH375SetIntRoutine

CH375在计算机应用层与本地端FPGA之问提供了端对端的连接， 在这个基础上，USB产品的设计人员可以选用两种通讯方式：单向数据

流方式、请求加应答方式。Ij{『者使用两个方向相反的单向数据流进行通 讯，具有相对较高的数据传输速率，但是数据不容易同步；后者使用主 动请求和被动应答的查询方式进行通讯，数据自动同步，具有较好的交 互性和可控性，程序设计简单，但是数据传输速率相对较低。

●逻辑结构

CH375V提供了4个相互独立的端对端的逻辑传输通道，分别称为： 数据上传管道、数据下传管道、中断上传管道、辅助数据下传管道。 CH375并未定义各个管道的用途，也未定义其数据格式，所以USB产 品的设计人员可以根据需要自行定义其用途，并在上位机与下位机之间 约定各个传输通道中的数据格式。

结论

该检测系统具有两个显著特点，一是采用FPGA作为主控制器，取代了常用的单片机，使采集速率有效得到提高；二是同时采用USB总线进行数据传输。因此，该系统不仅采集速率高，还具有传输速度快、即插即用、传输可靠等优点。由于USB2．0使数据传输速率提高到480Mbit／s，因此具有USB接口的数据采集必将得到广泛的应用。随着知识经济时代的到来，21世纪将是知识创新日新月异、高新技术与高技术产业突飞猛进的世纪。新方法新原理新技术层出不穷，广泛应用于精密测量领域，加速了光电位移精密测量技术及其设备的发展。因此，它的应用和发展对于国民经济、国防建设和科学技术具有重要意义。

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