基于CCD和FPGA的光栅位移测量系统.pdf

2010正仪表技术与传感器2010
第5期InstrumentTechniqueandSensorNo．5

基于CCD和FPGA的光栅位移测量系统

常丽，李健强
(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110178)

摘要：介绍了一种基于CCD和FPGA的光栅位移测量技术，建立了光栅位移测量系统。系统由线阵CCD采集光栅莫
尔条纹，将检测到的莫尔条纹通过A／D转换器输入FPGA处理器，FPGA处理器对采集到的莫尔条纹信号进行处理，利用
FFr变换求取信号相位的变化，再根据相位的变化求出位移值。文中详细介绍了工作原理的推导过程、CCD驱动控制、信
号预处理以及F丌变换在FPGA中的设计实现。实验验证该系统抗干扰能力强，对光栅信号质量要求不高，能到达较高
的细分数，并且系统集成度高，开发成本低，运行稳定。
关键词：光栅；CCD；FPGA；F丌
中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1002—1841(2010)05—0103—03

GratingDisplacementMeasurementSystemBased0nCCDandFPGA

CHANGLi，LIJian—qiang
(SchoolofInformationScienceandEngineering，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110178，China)

Abstract：ThispaperintroducedthegratingdisplacementmeasurementtechnologybasedonFPGAandCCD，andsetupa

gratingdisplacementmeasurementsystem．ThelinearCCDcollectedthegratingmoirefringeandsentthemoirefringesignalto

A／Dconverter．FPGAprocessoracceptedthemoirefringedirtalsignalsandcarriedoutFFTrtransformprocessthatcouldcalculate
themoirefringephasechange，theaccumlationofphasechangewasthegratingdisplacementvalue．Thepaperdescribedthederiva’

tionprocessoftheworkprinciple．CCDdrivingcontrolandpre—processofsignal，aswellasthedesignofFFrtransformintheFP‘

GAprocessor．Experimentprovesthatthesystemhasbetteranti-interferenceability，lowrequirementforthegratingsignalquality，

thehighersubdivisionnumber，highersystemintegration，lowercost，andstableoperation．

Keywords：grating；CCD；FPGA；FFr

0引言率，即莫尔条纹的基频频率，在此忽略了输出信号中2次及以
计量光栅技术近年来在精密仪器、超精加工、数控机床等上谐波和噪声。
领域得到了广泛的应用I2J。它的基本原理是将直线或角度如果光栅尺移动，莫尔条纹也相应的移动，则CCD输出的
位移量转化为莫尔条纹信号，再对条纹信号进行细分和计数，相邻的两帧数据具有一定的相位差，设相位差为△西，则光栅移
从而得到位移量，细分成为提高位移测量精度的主要途径，目动的位移值为：

前莫尔条纹的细分手段主要有锁相倍频法，正切法。但是：．。d(2z)
随着细分数的增加，无论锁相倍频法细分还是正切法细分，细
式中为位移量；d为光栅的栅距。
分前信号的质量成为制约细分成败的关键，而近年来随着CCD
光栅尺正向移动，△为正，光栅尺反向移动，△为负，最
技术的不断完善和提高，使其作为用于莫尔条纹的拾取工具成
为可能，很大程度提高了信号质量。后将相位差相加，如果总的相位差为正，则光栅尺总体正向移
动，反之，则光栅尺反向移动，根据位移公式(2)，可以得到准确
文中提出了利用CCD拾取莫尔条纹信号，并利用快速傅里
叶变换能够消除噪声和谐波干扰的特性J，求取高精度的相位的位移值。从(2)式可以看出，只要求出相位值，便可间接的得
到位移值，通常测量相位的方法有过零比较法，相关函数法和
差，通过相位差求出位移值。系统选用FPGA作为核心处理器。
傅里叶变换法。当信号受谐波或噪声干扰时，基于过零比较法
1测量原理