增量式光電脈沖編碼器的單片機(jī)計(jì)數(shù)器

1、第10期元器件與應(yīng)用27增量式光電脈沖編碼器的單片機(jī)計(jì)數(shù)器金建新華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院武漢市430074【摘要】文中重點(diǎn)討論基于單片機(jī)的光電脈沖編碼器計(jì)數(shù)器的軟件倍頻和辨向原理,并從編碼盤(pán)條紋和位置檢測(cè)元件的空間分布原理出發(fā)給出了在編碼器輸出A、B正交方波的前提下最多只能4倍頻的結(jié)論,最后介紹了集倍頻、辨向、計(jì)數(shù)于一體的單片機(jī)計(jì)數(shù)器原理,該計(jì)數(shù)器具有消除抖動(dòng)誤計(jì)數(shù)、倍頻數(shù)可選、計(jì)數(shù)長(zhǎng)度無(wú)限制的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:光電脈沖編碼器基于單片機(jī)的計(jì)數(shù)器軟件倍頻軟件辨向TheCounterBasedonEmbed-forIncrementalOpto-EJinSchoolofMechanical,430074A

2、bstract:Thisarticleanddiscerningdirectionwithsoftwaremethodofthe-forincrementalopto-electricencoder,besidesbytheofrelationshipofstripeoftheencoderandthemovementdetect2ingtotheconclusionthatundertheconditionofthattheencoderoutputsonlyA、Bphasesquare,atmostaquadruplefrequencycanbeachieved,thenintroduce

3、sacounterbasedonembed-controller,whichischaracteredbynoshakingerrorcounting,aoptionaldoublefrequencytimeandnolimittothecountinglength,withallthefunctionssuchasdoublefrequency、discerningdirectionandcounting。KeyWords:IcrementalOpto-ElectricEncoder,CounterbasedonEmbed-Controller,DoubleFre2quencybySoftw

4、are,DiscernDirrectionbySoftware1光電脈沖編碼器對(duì)計(jì)數(shù)器的要求光電脈沖編碼器又稱光電脈沖發(fā)生器,現(xiàn)在廣泛地被作為數(shù)控機(jī)床等設(shè)備的位置信息反饋元件。最常1用的兩相光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)原理可見(jiàn)文獻(xiàn)。這里要特別強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn):(1)編碼器輸出的A、B兩相矩形脈沖波是同一個(gè)光電盤(pán)上圓周等分明暗條紋的空間位置通過(guò)兩個(gè)處在不同位置的光敏三極管檢測(cè)后在時(shí)間軸上的映射;(2)A、B兩相矩形脈沖波是正交的,且共同攜帶光電盤(pán)角度位置信息和轉(zhuǎn)動(dòng)方向信息。假設(shè)光電盤(pán)上的圓周等分條紋數(shù)為N,則被測(cè)對(duì)),光電脈沖編碼器的A、象旋轉(zhuǎn)一周(即360°B兩相分別發(fā)出N個(gè)脈沖。那么,A、B兩相的

5、脈沖當(dāng)量P可以寫(xiě)為:(1)P=360°/N收稿日期:1999201214修改稿日期:1999206223通過(guò)一時(shí)鐘脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器記下P的數(shù)量,假定P的數(shù)量為n,則被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)的角度可寫(xiě)為:=nP(2)再假設(shè)在時(shí)間T內(nèi)P的增量為n,則被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)的角速度可以寫(xiě)為:=nP/T(3)通過(guò)上面的分析,可知光電脈沖編碼器工作在數(shù)字形式,可直接用于測(cè)量角位移和角速度,間接用于測(cè)量直線位移和直線速度。因此,要將編碼器作為位置反饋元件,其關(guān)鍵是要(3)式的解碼計(jì)數(shù)電路。對(duì)解有記錄(1)式和計(jì)算(2)、碼計(jì)數(shù)電路的要求是:(1)能夠根據(jù)A、B相脈沖的相位自動(dòng)判別光電脈沖編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。(2)要有倍頻

6、功能,以便充分利用A、B兩相脈沖28儀表技術(shù)與傳感器1999年波共同攜帶的位置信息。(3)計(jì)數(shù)器應(yīng)是可逆的,且計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度要有一定容量。(4)能實(shí)時(shí)以數(shù)字形式或模擬形式輸出位移或速度值,以適應(yīng)不同的需要。2倍頻和辨向的理論基礎(chǔ)A、B脈沖(波形見(jiàn)圖1:明條紋對(duì)應(yīng)1,暗條紋對(duì)應(yīng)0)共同編碼攜帶光電盤(pán)的轉(zhuǎn)向和位置信息,要將這兩種信息識(shí)別出來(lái),其前提是要充分注意A、B是光電盤(pán)的空間位置在時(shí)間軸上的展開(kāi)。顯然,對(duì)于只有A、B兩個(gè)訊號(hào)輸出的光電脈沖編碼器,m=2,故其最小角度計(jì)數(shù)當(dāng)量為P/4。這就是所謂的倍頻,即通過(guò)電路處理可使計(jì)數(shù)器頻率為其中一路訊號(hào)輸出頻率的m倍。212辨向設(shè)光電編碼盤(pán)的輸出信號(hào)經(jīng)

7、過(guò)倍頻后的最小脈沖當(dāng)量為J,則對(duì)于圓周上均布有N條條紋、m相輸出信號(hào)的編碼盤(pán)有:m(4)J=360°/N/2、,J都是矢量,即都是有以上討論的量,如P、方向的量,那么以“+”表示碼盤(pán)正轉(zhuǎn),以“-”表示碼盤(pán)反轉(zhuǎn)。下面以m=2時(shí)為例,討論J的符號(hào)取出問(wèn)題:在圖1中,A、B輸出的訊號(hào)為An、B,且n,;J當(dāng)量時(shí),即J的絕對(duì)值增1,這時(shí)n+,1;依次往下正轉(zhuǎn),An+2=0,Bn+2=1;An+3=0,Bn+3=0;An+4=An=1,Bn+4=Bn=0。同樣,當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)的A、B狀態(tài)變化為:An-1=0,Bn-1=0;An-2=1,Bn-2=0;An-3=1,Bn-3=1;An-4=A

8、n=1,Bn-4=Bn=0。圖1綜上分析,碼盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其A、B訊號(hào)狀態(tài)是按圖2所示的狀態(tài)循環(huán)的。211倍頻由圖1可知,由于A、B脈沖波對(duì)應(yīng)碼盤(pán)明暗條紋的空間位置,其脈沖的上升下降沿(這里,上升還是下降是由編碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向決定的:正轉(zhuǎn)時(shí)的上升沿在反轉(zhuǎn)時(shí)就變成下降沿,反之則反)的相對(duì)位置是固定不變的,將A、B進(jìn)行邏輯半加,可以看出A B的邊沿永遠(yuǎn)不能重疊。該邊沿?cái)y帶了碼盤(pán)的等分位置訊息,在一個(gè)P的距離之內(nèi),包含22有個(gè)邊沿,且邊沿之間的空間距離是相等的,也就是說(shuō)一個(gè)P的距離被4等分了。這個(gè)距離的等分是由如下事實(shí)決定的:碼盤(pán)的明條紋寬度和暗條紋寬度是相等的;A、B光敏三極管之間的距離是明暗條紋寬度

9、的和的1/22,即P/4。由以上的討論可以得出以下結(jié)論:結(jié)論1:拾取A B脈沖的邊沿并計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值代表了碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度,此時(shí)的計(jì)數(shù)角度的脈沖當(dāng)量為P/4。結(jié)論2:在碼盤(pán)等分條紋數(shù)不變的前提下,要想提高分辨率,即減小計(jì)數(shù)角度的脈沖當(dāng)量,唯一的途徑是增加檢測(cè)元件光敏三極管的個(gè)數(shù),即增加編碼器輸出訊號(hào)的數(shù)量;若輸出訊號(hào)的數(shù)量為m,則要求有m個(gè)光敏三極管,這m個(gè)光敏三極管之間的排列距離是mmP/2;這時(shí),其角度計(jì)數(shù)當(dāng)量為P/2。圖2圖2中,Si(i=0,1,2,3)表示編碼盤(pán)輸出信號(hào)A、B的組合狀態(tài):S0表示A=1,B=1;S1表示A=0,B=1;S2表示A=0,B=0;S3表示A=1,B=0;由此可

10、知所謂轉(zhuǎn)向,就是A、B訊號(hào)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,且狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是唯一的。當(dāng)A=1,B=1時(shí),若正轉(zhuǎn),其下一個(gè)A、B訊號(hào)狀態(tài)肯定是A=0,B=1;若反轉(zhuǎn),其下一個(gè)A、B訊號(hào)狀態(tài)肯定是A=1,B=0。因此,根據(jù)A、B訊號(hào)狀態(tài)循環(huán)圖就可以決定J的符號(hào)。為方便起見(jiàn),重新規(guī)定:無(wú)論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),A、B的當(dāng)前狀態(tài)(即現(xiàn)態(tài))為An、Bn,A、B的下一個(gè)狀態(tài)(即次態(tài))為An+1、Bn+1.對(duì)照?qǐng)D3,列出各種情況下J的符號(hào)如下表:第10期表1AnBnAn+1Bn+1元器件與應(yīng)用29J的符號(hào)1001110110010000111001001001+-下面簡(jiǎn)單介紹圖3中所示計(jì)數(shù)器硬件、軟件功能:311硬件功能安排如下(1)

11、hsi.0作為A B的邊沿檢測(cè)器。hsi.0工作在事件觸發(fā)中斷狀態(tài),且正負(fù)邊沿都進(jìn)行觸發(fā);hsi.0中斷級(jí)別應(yīng)設(shè)定為最高。(2)P014、P015、P016作為A、B、Z的狀態(tài)輸入口。(3)PWM口輸出模擬量,指示光電脈沖編碼器的旋轉(zhuǎn)速度。(4)串行口可以和其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊,以輸出速度數(shù)字量或計(jì)數(shù)數(shù)字量,也可以串行Z輸出數(shù)字量供LED進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。(5)P2。(6),如:由用戶。1KC的軟件應(yīng)具有如下功能,hsi.0的上升或下,這保證了對(duì)所有A B信號(hào)正負(fù)邊沿的拾取;(2)根據(jù)需要指定3字節(jié)或任意個(gè)字節(jié)片內(nèi)寄存器作為計(jì)數(shù)器;(3)當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),中斷服務(wù)程序應(yīng)立即讀入A、B的當(dāng)前狀態(tài)作為A

12、n+1、Bn+1,并根據(jù)表1計(jì)算出J的符號(hào),然后根據(jù)J的符號(hào)對(duì)用于計(jì)數(shù)的寄存器進(jìn)行加J或減J運(yùn)算,最后保存A、B的狀態(tài)作為An、Bn以供下次中斷計(jì)算符號(hào)使用;這保證了計(jì)數(shù)脈沖矢量和的正確性;(4)單片機(jī)的主程序即在非中斷狀態(tài)時(shí)可根據(jù)需要將計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工后從串行口、PWM或并行口輸出。由以上討論又可以得出以下結(jié)論:結(jié)論3:為了辨向,必須有m2;脈沖倍頻是辨向信號(hào)的副產(chǎn)品;結(jié)論4:為了避免誤計(jì)數(shù),J必須是單位矢量。在進(jìn)行倍頻和辨向后,將矢量脈沖當(dāng)量J進(jìn)行簡(jiǎn)單代數(shù)累加,即得增量式編碼盤(pán)的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位移量,這個(gè)位移量的取得是使用編碼盤(pán)的唯一目標(biāo),由結(jié)論4可知,當(dāng)碼盤(pán)在某一位置發(fā)生振幅為|nJ|其累

13、加和不變。23基于80196KC動(dòng)位移量,、辨向和累加電路。這可以由時(shí)序邏輯電路組成計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),并且已經(jīng)有了較好的倍頻和辨向電路1。根據(jù)實(shí)際使用的要求,該計(jì)數(shù)器要有24位二進(jìn)制以上的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度,且能可逆計(jì)數(shù)。如果采用一般的集成電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù),將有體積龐大、功能單一等不盡人意的地方;市場(chǎng)上出售的大規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器也只能單向計(jì)數(shù)816位,難以滿足實(shí)際的計(jì)數(shù)要求。采用單片機(jī)作為載體,以硬件和軟件相結(jié)合的辦法,實(shí)現(xiàn)光電脈沖編碼器的計(jì)數(shù),能大幅度提高計(jì)數(shù)電路的性能。由80196KC單片機(jī)組成的光電脈沖編碼器計(jì)數(shù)電路原理如圖3所示:4總結(jié)用80196KC作為計(jì)數(shù)器有以下優(yōu)點(diǎn):(1)由于采用80196KC內(nèi)部

14、寄存器作為軟件計(jì)數(shù)器,因此計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度沒(méi)有限制,可設(shè)定為任意長(zhǎng)度字節(jié)。(2)計(jì)數(shù)器的倍頻、辨向、計(jì)數(shù)全部由軟件實(shí)現(xiàn),不可能出現(xiàn)抖動(dòng)誤計(jì)數(shù)問(wèn)題。(3)計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出靈活多樣,既可輸出角度位移,也可在作簡(jiǎn)單計(jì)算后輸出速度或其他用戶特殊要求的量。(4)由于系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單,沒(méi)有電阻、電容等模擬量元件,加上單片機(jī)本身具有的高品質(zhì),因此計(jì)數(shù)器體積小、價(jià)格低,且使用靈活,可靠性、實(shí)用性大大提高。和任何計(jì)數(shù)器電路一樣,該計(jì)數(shù)器對(duì)A、B兩訊號(hào)圖330儀表技術(shù)與傳感器1999年輸出的最高頻率,即碼盤(pán)的最高轉(zhuǎn)速有一定限制。這機(jī)碼盤(pán)的速度要求。該計(jì)數(shù)器已經(jīng)用在作者研制的3是由80196KC的中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)度決定

15、的?！敖涣鳟惒诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控鍵槽銑床”控制系統(tǒng)中,如果不注意這一點(diǎn),造成中斷響應(yīng)不及時(shí),將造成計(jì)數(shù)經(jīng)長(zhǎng)期在工廠使用,證明性能良好。脈沖的丟失。本文討論的編碼盤(pán)計(jì)數(shù)電路,可以不加改動(dòng)地用假設(shè)中斷服務(wù)程序的最大執(zhí)行時(shí)間為t,在一個(gè)于增量式直線光柵的絕對(duì)位移計(jì)數(shù)中。P內(nèi)要中斷4次,則A或B脈沖的輸入頻率famax=t);根據(jù)筆者使用實(shí)踐,當(dāng)80196KCfbmax=1/(4×ts,這時(shí)的時(shí)鐘為16MHz時(shí),25(5)famax=fbmax=10000Hz100×10-6這樣,計(jì)數(shù)器每秒能計(jì)數(shù)10000次,能滿足一般電(上接第26頁(yè))參考文獻(xiàn)1李福生主編.實(shí)用數(shù)控機(jī)床手冊(cè).北京:北

16、京出版社,1993.2李哲英等編著.MCS96MC68單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,1995.3孫鈺,吳上生,金建新等.交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鍵槽銑床的自學(xué)習(xí)預(yù)報(bào)控制.中國(guó)機(jī)械工程,1996;7(12).這段程序的作用是:接入A3的傳感器信號(hào)被補(bǔ)償?shù)販y(cè)量50次,轉(zhuǎn)換的結(jié)果以BCD格式加載到主工作寄存器FLAC,并將FLAC送液晶顯示。上述程序,個(gè)8位字節(jié)。雖然TSS2400的硬EEPROM尋址最大為2k4儀器功能、411圖2電路設(shè)計(jì)是極為精簡(jiǎn)的,它可實(shí)現(xiàn)如下功能:(1)由于軟件的補(bǔ)償功能,所選用的傳感器可以是一個(gè)非校正的鉑電阻溫度傳感器;(2)全標(biāo)尺非線性±1±112

17、5LSB,通過(guò)補(bǔ)償和校正,可確保12位A/D轉(zhuǎn)換精度;(3)A/D轉(zhuǎn)換同SVDD比例相關(guān),典型的SVDD抑制比為-115LSB/V;(4)單端補(bǔ)償測(cè)量ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間112s(典型);(5)溫度穩(wěn)定度0103LSB(典型)(6)傳感器用EEPROM電源可程控,一枚112Ah的鋰電可使用5年;(7)電池供電帶來(lái)極高的抗干擾性能。412主要特點(diǎn)(1)量程比較寬廣EEPROM,EEPROM中,定期,再存貯新的滿足要求。4(1)工作電壓范圍:216515V;(2)工作溫度范圍:040;(3)功耗(VDD=3V):011AA(OFF方式);4(DONE方式);80A(ACTIVE方式,不進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換);

18、300A(ACTIVE方式,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。5結(jié)論(1)從TSS4002S1的設(shè)計(jì)性能看到,最具特點(diǎn)也由于該儀器幾乎不存在普通傳感器的非線性范圍,因此量程比可調(diào)整到1001以上,也就是說(shuō),用一臺(tái)傳感器即可覆蓋多臺(tái)傳感器的量程。(2)精確度高可以達(dá)到±011%的精確度。(3)溫度特性好由于傳感器已經(jīng)以對(duì)應(yīng)環(huán)境變化的固有特性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了補(bǔ)償運(yùn)算,從而使傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。(4)具有靈活性和通用性是最關(guān)鍵的在于它的高精度、超低功耗和編程效率、極高的宏編程語(yǔ)言。采用宏編程序用戶在幾天甚至幾小時(shí)開(kāi)發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序是很實(shí)際的。(2)由于TSS4002S1有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行自動(dòng)校正、非線性補(bǔ)償、數(shù)字濾波等修正和克服由傳感器、放大器等引進(jìn)的誤差和干擾。從而大大提高了儀器的精度和其它性能指標(biāo)。(3)能自身測(cè)試功能是否正常,自行診斷是否存在故障及故障的部位,提高了儀器的可靠性,