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：

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🧠 ‌一、系统架构‌

1. ‌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。

2. ‌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。

3. ‌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。

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️ ‌二、关键技术实现‌

1. ‌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。

2. ‌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。

3. ‌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。

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‌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

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🔧 ‌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。

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💡 ‌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。