編碼器四倍頻電路的單片機(jī)高速算法設(shè)計(jì)

1、編碼器四倍頻電路的單片機(jī)高速算法設(shè)計(jì)Fourfold Frequency Circuit Design of Encoder Based on MCU with Speedy Arithmetic 收稿日期：2007-10-16作者簡(jiǎn)介：王子博（1986-）。男，遼寧大連人，大連理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院學(xué)生【摘要】文章針對(duì)增量式光電編碼器輸出信號(hào)的倍頻鑒向處理問(wèn)題，介紹了一種用單片機(jī)設(shè)計(jì)的編碼器四 倍額電路。通過(guò)分析軟件倍頻鑒向的原理，詳細(xì)介紹了一種新穎的高速處理算法。該設(shè)計(jì)不僅電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度也比一般單片機(jī)設(shè)計(jì)方案大為提高?！娟P(guān)鍵詞】編碼器；四倍頻；單片機(jī)；高速算法【引言】增量式光電編碼器

2、是一種高精度的角位置測(cè)量傳感器，具有體積小、精度高、響應(yīng)速度快、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等伺服控制系統(tǒng)中。對(duì)編碼器輸出信號(hào)的 處理，是測(cè)控系統(tǒng)要解決的常見(jiàn)問(wèn)題。編碼器通常有 A相、B相、Z信號(hào)等三路輸出信號(hào)。Z信號(hào)是一個(gè)代表零位的脈沖信號(hào)，可 用于調(diào)零、對(duì)位，一般不須作額外處理。A、B相信號(hào)則包含了被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度等信息，通常要經(jīng)過(guò)倍頻鑒向處理之后再進(jìn)行有效利用。編碼器的A、 B相輸出信號(hào)如圖1所示。A、B相信號(hào)是相位相差 90o的正交方波脈沖串， 每個(gè)脈沖代表被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)A相超前B相，轉(zhuǎn)動(dòng)方

3、向?yàn)檎D(zhuǎn)，當(dāng)B相超前A相，則為反轉(zhuǎn)。對(duì)A、B相信號(hào)典型的處理是： 將信號(hào)四倍頻，并分離出正轉(zhuǎn)脈沖P+與反轉(zhuǎn)脈沖P-,再進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后得到被測(cè)對(duì)象的位置。倍頻鑒向有多種方法，并且各具特色。概括來(lái)講，用數(shù)字電路方案的，速度高，但硬件復(fù)雜；用 單片機(jī)方案的，硬件較簡(jiǎn)單，但響應(yīng)速度較低。本文提出的四倍頻單片機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用了獨(dú)特 的高速算法，結(jié)合功能先進(jìn)速度快的 AVR系列的單片機(jī)，具有硬件電路簡(jiǎn)單，并且響應(yīng)速度高的 雙重優(yōu)點(diǎn)。,TTLo j_ o |TTLq_b o o 11I o i T o »置欣二_JUJUL圖1編碼器的A、B相輸出信號(hào)及倍頻鑒向后的正、反轉(zhuǎn)脈沖輸出【倍頻與鑒向原理】

4、如圖1所示，編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A B相電平狀態(tài)的變化順序?yàn)椋?0->10->11->01->00；編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，變化順序?yàn)椋?0->01->11->10->00。用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)倍頻與鑒向時(shí)，一般算法是：設(shè)定一個(gè)寄存器存放上次電平狀態(tài)，一個(gè)寄存器存放本次電平狀態(tài)，將兩個(gè)寄存器進(jìn)行比較，即 可判斷是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)輸出正向脈沖，或者進(jìn)行加計(jì)數(shù)；反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出反向脈沖，或者 進(jìn)行減計(jì)數(shù)。再將本次電平狀態(tài)存到上次電平狀態(tài)寄存器中，為下次處理作準(zhǔn)備。按此算法設(shè)計(jì) 的程序，由于判斷比較指令較多，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，因而導(dǎo)致總體的響應(yīng)速度較低。為了克服這一 缺點(diǎn)，這

5、里采用了利用先后兩個(gè)電平狀態(tài)組成一個(gè)地址向量，進(jìn)行程序散轉(zhuǎn)的方法。這就去掉了 繁瑣的判斷與比較，使運(yùn)行時(shí)間大大縮短，從而使響應(yīng)速度得到了提高。組成散轉(zhuǎn)地址的方法是：將所有的前一個(gè)AB電平狀態(tài)作為散轉(zhuǎn)地址的高2位，所有后一個(gè)A B電平狀態(tài)作為散轉(zhuǎn)地址的低2位，合在一起共4位，排列組合共有16種狀態(tài)，或者說(shuō)有16個(gè)地址。每個(gè)地址都對(duì)應(yīng)一種輸出處理操作，見(jiàn)表1。其中 00->11, 01->10, 10->01 , 11->00這 4種狀態(tài)屬于異常狀態(tài)，是不應(yīng)該出現(xiàn)的，程序處理時(shí)將其忽略。表1 A B相電平狀態(tài)組合表前一個(gè)AB相電平 狀態(tài)（記為A0B0）舟-個(gè)AB相電平 狀態(tài)

6、（記為A1B1）組成散轉(zhuǎn)地址向量（二/十六進(jìn)制）處理內(nèi)容000000000x00狀態(tài)無(wú)義化，不處理000100010x01輸出反轉(zhuǎn)脈沖P-001000100x02輸出正轉(zhuǎn)脈沖 P+001100110x03異常狀態(tài)，不處理010001000x04輸出正轉(zhuǎn)脈沖 P+010101010x05狀態(tài)無(wú)義化，不處理011001100x06異常狀態(tài)，不處理011101110x07輸出反轉(zhuǎn)脈沖P-100010000x08輸出反轉(zhuǎn)脈沖P-100110010x09異常狀態(tài)，不處理101010100x0A狀態(tài)無(wú)義化，不處理101110110x0B輸出正轉(zhuǎn)脈沖 P+110011000x0C異常狀態(tài)，不處理110111

7、010x0D輸出正轉(zhuǎn)脈沖 P+111011100x0E輸出反轉(zhuǎn)脈沖P-111111110x0F狀態(tài)無(wú)義化，不處理除了要有好的算法之外，指令還要有一定技巧，才能使程序更精簡(jiǎn)。程序流程見(jiàn)圖2。圖2中，16個(gè)散轉(zhuǎn)目標(biāo)地址的處理程序，都按表 1進(jìn)行。雖然限于篇幅僅畫出了3個(gè)，但不影響理解。每個(gè)目標(biāo)地址的處理內(nèi)容雖然都要占用一段程序，指令的總數(shù)比較多，但程序執(zhí)行速 度卻加快很多。這種算法，實(shí)際上是采用了用程序容量來(lái)?yè)Q取執(zhí)行速度的思路。用AVR系列單片機(jī)匯編語(yǔ)言。從頭到尾任何一個(gè)流程（包括子程序返回指令）最長(zhǎng)只需要12條匯編指令，執(zhí)行時(shí) 間不到2us,可見(jiàn)其處理速度是相當(dāng)快的?！镜湫驮O(shè)計(jì)方案】對(duì)于檢測(cè)控制

8、一體的應(yīng)用場(chǎng)合，例如用ATmega32等單片機(jī)實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)，并完成定位輸出功能的，可以采用外部中斷的方案。A B兩相信號(hào)可分別接到單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷輸入口INTO與INT1上。中斷方式設(shè)置為電平變化觸發(fā)中斷。即只要A B相電平狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì)觸發(fā)中 斷。在中斷程序中，采用上述高速算法進(jìn)行處理。與上述不同的是，最后不需要輸出正反轉(zhuǎn)脈沖，而是正轉(zhuǎn)時(shí)位置量加 1,反轉(zhuǎn)時(shí)位置量減 1。|于程序電掰|圖2高速算法子程序流程圖采用AVR系列8引腳的單片機(jī)的 ATtiny13 .結(jié)合上述高速算法，可構(gòu)成硬件電路非常簡(jiǎn)單 的獨(dú)立四倍頻鑒向電路，見(jiàn)圖3。圖中的 CD40106為施密特觸發(fā)器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形處

9、理，使整 個(gè)電路更可靠。如果省略，電路將更簡(jiǎn)單。鬲一4生p»IOM106 改制笈雕 GW JW長(zhǎng)年碼HM106/6圖3 ATtiny13接線圖由于ATtiny13單片機(jī)僅用于倍頻鑒向，沒(méi)有別的任務(wù)，因此可采用反復(fù)循環(huán)掃描A B相電平狀態(tài)的方式。ATtiny13的典型主頻是9.6MHz,采用上述高速算法，利用匯編語(yǔ)言編程，完成一次A B相電平狀態(tài)掃描處理，只需不到 2us的時(shí)間，相當(dāng)于 500KHz的響應(yīng)速度。而 ATtiny13單 片機(jī)的價(jià)格約為5元，可見(jiàn)這是一個(gè)電路簡(jiǎn)單、成本低廉的設(shè)計(jì)方案。而 ATtiny13本身是一款高 性能、高可靠的單片機(jī)，并且內(nèi)含看門狗電路。經(jīng)實(shí)用驗(yàn)證，該電路工作可靠，性能優(yōu)良，是一款不可多得的優(yōu)秀設(shè)計(jì)。【結(jié)束語(yǔ)】本文提出的高速算法，對(duì)任何一款單片機(jī)都是有效的。由于指令少速度快，即使對(duì)運(yùn)行速度較慢的51系列單片機(jī)，也可以取得較好的效果。 對(duì)采用單片機(jī)進(jìn)行四倍頻鑒向的設(shè)計(jì)，具有很好的參考價(jià)值?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 許理、趙英俊.基于單片機(jī)的增量式光電編碼囂接口的設(shè)計(jì)(J).機(jī)械與電子，2006(12):9-11.