【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及位移测量，具体为一种流水线式时栅位移传感信号处理系统。
技术介绍
1、在工业自动化、精密制造及检测等领域，对位移传感器的要求日益提高，不仅要求其具备高精度、高速度，而且还需要具备良好的稳定性和可靠性。然而，现有的位移传感技术在面对复杂多变的工作环境时，往往存在测量精度不高、响应速度慢等问题，难以满足高端应用的需求。尤其是在动态测量场合下，如何实现快速而准确的位移测量成为了亟待解决的问题。
2、时栅传感器实现了高频响、高分辨率的精密位移测量，特别适用于高端数控设备和工业机器人等对精度要求较高的场合。且制造工艺简单，成本相对较低，同时还具备良好的长期稳定性，维护成本较低，适合大规模应用。
3、时栅位移传感器经过多年的发展，与时栅有关的产品也层出不穷，已经应用于各行各业。面对时栅位移传感器高频响与高分辨力兼顾的问题，往往无法达到理想状态或需要较高的成本来实现。往往高频响与高分辨力需要在两者中进行取舍，这使得其应用范围受到了一定的限制。
4、传统位移传感技术主要采用模拟信号处理方式，如使用霍尔效应传感器或电涡流传感器等进行位移测量。这类技术虽然能够实现基本的位移检测功能，但在测量精度、响应时间和抗干扰能力等方面存在明显不足。例如，模拟信号易受噪声影响，导致测量结果不稳定；同时，由于缺乏有效的信号处理手段，对于微小位移变化的检测灵敏度较低。此外，传统方法在处理大量数据时效率低下，无法满足实时性要求较高的应用场景。
5、近年来，随着数字信号处理技术的发展，基于fpga(现场可编程
6、本专利技术所提出的流水线式时栅位移传感信号处理系统，通过优化信号处理流程，采用多级流水线结构有效降低了系统延迟，提高了测量速度和精度。
技术实现思路
1、一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，包括fpga、外部硬件电路；
2、所述fpga内部包括信号发生模块、粗测模块、动态精测结束位解算模块、动态比较电路模块、精测模块、精测值选择模块、位移加权计算模块；
3、所述外部硬件电路用于将fpga输出的数字信号转换为模拟信号，以及将感应信号动态比较后的方波信号输入fpga内部；
4、所述信号发生模块产生测量所需的至少三路激励信号；
5、所述粗测模块分别与信号发生模块、动态精测结束位解算模块、位移加权计算模块相连；
6、所述粗测模块的输入端接入高频激励信号、高频感应信号、高频时钟插补脉冲信号；所述粗测模块的输出端连接动态精测结束位解算模块和位移加权计算模块；
7、所述动态精测结束位解算模块分别与动态比较电路模块和精测值选择模块相连；所述动态精测结束位解算模块的输入端输入粗测的结果，输出端连接动态比较电路模块和精测值选择模块；
8、所述精测模块的输入端输入低频感应信号以及与动态精测结束位解算模块相连，输出端与精测值选择模块相连；
9、所述精测值选择模块分别与动态精测结束位解算模块、精测模块和位移加权计算模块相连，所述精测值选择模块的输入端输入动态精测结束位解算值以及两路低频传感信号测量的精测值，输出端输出给位移加权计算模块；
10、所述位移加权计算模块将最终加权计算的结果经io口输出。
11、优选的，所述信号发生模块生成三路激励信号，包括高频激励信号、低频激励信号1、低频激励信号2；
12、所述高频激励信号的频率是低频激励信号的n倍，n的取值范围为3倍及以上，且n取自然数；
13、所述低频激励信号1与低频激励信号2的低频激励信号频率相同；
14、所述三路激励信号经过电磁耦合生成对应的感应信号；所述三路激励信号中两路低频激励信号始终保持90°相位差。
15、优选的，所述粗测模块利用高频激励信号与高频感应信号完成第一段位移测量，将测量结果输送给动态精测结束位解算模块、位移加权计算模块。
16、优选的，所述动态精测结束位解算模块利用粗测值解算出两个精测结束位标志，并将该值输出给动态比较电路模块和精测值选择模块。
17、优选的，所述动态比较电路模块通过每一路低频感应信号对应的精测结束位解算值经过dac转换成对应的模拟信号；所述动态比较电路模块将每一路由解算值组成的模拟信号经过放大与对应的低频感应信号进行动态比较，生成用于精测模块的方波信号ls1和ls2；
18、所述精测模块的两路方波信号得到两个精测值，输入给精测值选择模块。
19、优选的，所述精测值选择模块利用其中一路低频感应信号对应的动态精测结束位解算值，判断其是否在其低频感应信号的[-π/4,π/4]∪[3π/4,5π/4]内，若在上述区间内就使用当前精测值；否则用另外一路低频感应信号测量的精测值，最终确定精测值，将精测值输入到位移加权计算模块。
20、优选的，所述位移加权计算模块根据公式计算最终位移值，公式如下：
21、x＝c1*e1+c2*e2
22、其中c1为粗测阶段计数的高频插补时钟个数，c2为精测阶段计数的高频插补时钟个数，e1是粗测阶段的高频激励信号的脉冲当量，e2是精测阶段的高频激励信号的脉冲当量；
23、所述其中w是极距，f1是粗测阶段的高频激励信号频率，f2是精测阶段的高频激励信号频率，fcl是时钟脉冲的频率。
24、优选的，所述等级划分通过粗测模块时延作为划分流水线深度的基准并以粗测模块作为一级流水线。
25、优选的，所述划分流水线深度需要确定各个模块的延时情况；所述测量位移的方法一共包含粗测模块、动态精测结束位解算模块、动态比较电路模块、精测模块、精测值选择模块、位移加权计算模块；
26、所述上述模块的延时分别是t1、t2、t3、t4、t5、t6；
27、所述粗测模块的延时为
28、所述动态精测结束位解算模块的延时为其中nis1为动态精测结束位解算模块总指令数，ipc为每周期执行的指令数，tp为并行处理带来的延时减少率，0≤|δt|≤0.5t1；
29、所述动态比较电路模块的延时为t3＝tcomp+trc+ttrs+δt，其中tcomp为比较器本身的响应延时，trc为外部硬件电路的响应时间，ttrs为信号传输路径带来的延时；所述精测模块的延时为
30、所述精测值选择模块的延时为其中nis2精测值选择模块需要执行的指令数；
31、所述位移加权计算模块的延时为nis3为位移加权计算模块需要执行的指令数。
32、优选的，所述将粗测模块、动态精测结束位解算本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，包括FPGA、外部硬件电路；
2.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述信号发生模块生成三路激励信号，包括高频激励信号、低频激励信号1、低频激励信号2；
3.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述粗测模块利用高频激励信号与高频感应信号完成第一段位移测量，将测量结果输送给动态精测结束位解算模块、位移加权计算模块。
4.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述动态精测结束位解算模块利用粗测值解算出两个精测结束位标志，并将该值输出给动态比较电路模块和精测值选择模块。
5.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述动态比较电路模块通过每一路低频感应信号对应的精测结束位解算值经过DAC转换成对应的模拟信号；所述动态比较电路模块将每一路由解算值组成的模拟信号经过放大与对应的低频感应信号进行动态比较，生成用于精测模块的方波信号Ls1和LS2；
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7.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述位移加权计算模块根据公式计算最终位移值，公式如下：
8.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，所述等级划分通过粗测模块时延作为划分流水线深度的基准并以粗测模块作为一级流水线。
9.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，所述划分流水线深度需要确定各个模块的延时情况；所述测量位移的方法一共包含粗测模块、动态精测结束位解算模块、动态比较电路模块、精测模块、精测值选择模块、位移加权计算模块；
10.根据权利要求9所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，所述将粗测模块、动态精测结束位解算模块、动态比较电路模块、精测模块、精测值选择模块、位移加权计算模块组合，实现不同深度的流水线式信号处理系统；
...【技术特征摘要】
1.一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，包括fpga、外部硬件电路；
2.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述信号发生模块生成三路激励信号，包括高频激励信号、低频激励信号1、低频激励信号2；
3.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述粗测模块利用高频激励信号与高频感应信号完成第一段位移测量，将测量结果输送给动态精测结束位解算模块、位移加权计算模块。
4.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述动态精测结束位解算模块利用粗测值解算出两个精测结束位标志，并将该值输出给动态比较电路模块和精测值选择模块。
5.根据权利要求1所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理系统，其特征在于，所述动态比较电路模块通过每一路低频感应信号对应的精测结束位解算值经过dac转换成对应的模拟信号；所述动态比较电路模块将每一路由解算值组成的模拟信号经过放大与对应的低频感应信号进行动态比较，生成用于精测模块的方波信号ls1和ls2；
6.根据权利要求5所述的一种流水线式时栅位移传感信号处理...
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