基于FPGA的高精度光電編碼器接口電路的設(shè)計(jì)_圖文

1、第卷年第期西北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（）基于的高精度光電編碼器接口電路的設(shè)計(jì)馬永杰，董秀娟，王軻（西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院。甘肅蘭州；，蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅蘭州）搐要：為了提高光電編碼器測量的精度。在內(nèi)利用語言，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了一種高精度的光電編碼器接口電路。實(shí)現(xiàn)了鑒相、四倍煩、計(jì)數(shù)、鎖存并通過發(fā)送到機(jī)終端顯示等功能通過在下進(jìn)行軟件仿真和在豫公司系列芯片上進(jìn)行硬件測試，結(jié)果表明，該方案實(shí)現(xiàn)的光電編碼器的角位移測量精度可以提高倍關(guān)鍵詞：光電編碼器；語言；接口電路中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：卜（）一一一，（，。，）：，：卜；光電編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出

2、軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成一串脈沖或數(shù)字量的傳感器，在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，它與電機(jī)同軸連接，常用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和位置通常，光電編碼器可分為絕對式和增量式兩種本文選用的是歐姆龍（一）增量式光電編碼器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在高分辨率和大量程角速率、位移測量系統(tǒng)中更具優(yōu)越性由于增量式光電編碼器不具有計(jì)數(shù)和接口電路，本文設(shè)計(jì)了一個基于的高精度增量式光電編碼器的接口電路，具有硬件鑒相、四倍頻細(xì)分、計(jì)數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)鎖存經(jīng)過發(fā)送給顯示終端等功能；在運(yùn)算處理之前用鎖存電路來消除硬件電路延時所可能引起的計(jì)數(shù)累計(jì)誤差，同時用編程時為了盡量消除電路中的毛刺現(xiàn)象

3、，使用狀態(tài)機(jī)克服純硬件數(shù)字系統(tǒng)控制不靈活的缺點(diǎn)，狀態(tài)切換時間短暫，響應(yīng)速度快，提高了系統(tǒng)的可靠性收稿日期：；修改稿收到日期：基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)研究基金計(jì)劃項(xiàng)目（）；甘肅省教育廳科研項(xiàng)目（昏）作者簡介：馬永杰（一），男，甘肅靈臺人，教授，博士主要研究方向?yàn)橹悄芸刂疲何鞅睅煼洞髮W(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（）第卷接口電路總體方案設(shè)計(jì)增量式光電編碼器利用雙光柵疊柵條紋技術(shù)將空間位置進(jìn)行光學(xué)放大，通過光電接收器輸出相位互差。的、信號及相基準(zhǔn)相位信號、兩相信號的脈沖數(shù)標(biāo)志碼盤軸所轉(zhuǎn)過的角度，根據(jù)、的相位關(guān)系判斷光電編碼器是正傳還是反（）編碼器正轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)選用的歐姆龍（一）增量式光電編碼器的、相每轉(zhuǎn)輸出個脈沖

4、，相輸出一個脈沖，相用于校正每轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，進(jìn)一步將誤差控制在每一轉(zhuǎn)之內(nèi)，避免累積誤差的產(chǎn)生如圖所示，若相超前于相，對應(yīng)正轉(zhuǎn)；若相超前于相，對應(yīng)反轉(zhuǎn)光電編碼器輸出供電，其輸入先通過電容（）編碼器反轉(zhuǎn)輸出圖光電編碼器輸出信號器消除高頻噪聲的干擾，然后通過差分整形電路整塊、計(jì)數(shù)和結(jié)果鎖存模塊、通過發(fā)送到形，最后送入管腳，再由內(nèi)部邏輯模塊處機(jī)顯示終端模塊個部分圖中是接口的理采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)是接口電路全局時鐘，、是光電編碼器輸出的三相信的核心，如圖，主要包括信號鑒相、四倍頻模號經(jīng)過差分整形電路整形之后得到的方波信號圖接口總體框圖光電編碼器接口電路在上的實(shí)現(xiàn)用一個觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)鑒相，如圖所

5、示，仿真結(jié)果如圖所示光電編碼器正轉(zhuǎn)時，信號超前信號。，通過一個觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）輸出（波形）為高電平，（波形）為低電平，此時，計(jì)數(shù)器的為高電平，在采樣脈沖（，四倍頻后的結(jié)果）上升沿到來時加計(jì)數(shù)光電編碼器反轉(zhuǎn)時情況相反，信號超前。，觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）輸出（波形）為低電平，（波形）為高電平，此時，計(jì)數(shù)器的為高電平，在采樣脈沖（，四倍頻后的結(jié)果）上升沿到來時加計(jì)數(shù)定義是一個位的計(jì)數(shù)器，正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)范圍是編碼器每轉(zhuǎn)一周同時也會輸出一個標(biāo)記窄脈沖，可用于調(diào)零和對位和輸出的脈沖個數(shù)與被測角位移變化量成線性關(guān)系，因此，通過對脈沖個數(shù)計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的角位移在中設(shè)計(jì)一個倍頻電路來提高光電編碼器的分辨率由于

6、在一個信號周期內(nèi)相、相信號共經(jīng)過次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即正轉(zhuǎn)時電平狀年第期馬永杰等：基于的高精度光電編碼器接口電路的設(shè)計(jì)圖接口頂層電路圖態(tài)是一一一，反轉(zhuǎn)時電平狀態(tài)是（；）實(shí)現(xiàn)倍頻，其中，一一，所以一個周期內(nèi)至少要進(jìn)行次采；，；，：一；采用全數(shù)字反饋樣才能準(zhǔn)確地得到相信號和相信號的電平狀電路的設(shè)計(jì)方法，由于倍頻、鑒相電路設(shè)計(jì)在同一態(tài)變化情況，采樣時鐘的頻率至少大于光芯片上，一方面，芯片內(nèi)部的門電路、觸發(fā)器的參電角度編碼器輸出脈沖最大頻率的倍，較數(shù)特性完全一致，能保證在相同轉(zhuǎn)速下四倍頻脈沖高的對于準(zhǔn)確可靠采樣數(shù)據(jù)是有利的，能夠提信號的周期保持一致，另一方面，是板級芯高測量精度在本系統(tǒng)中，歐姆龍光電編碼器輸出

7、片，電路做在芯片內(nèi)部，其抗干擾能力比分離器件的信號頻率為，采樣時鐘頻率為，有了很大提高同時，由于現(xiàn)場可編程，可以方便即采樣時鐘為輸出脈沖的倍，從而使光電編碼器實(shí)現(xiàn)對電路的重新設(shè)計(jì)或修改，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活的角位移測量精度提高了倍性、通用性和可靠性如圖所示。相、相兩如圖所示，采用個觸發(fā)器鎖存輸入信相信號經(jīng)個或門和個與門后輸出的正反向四倍號、的當(dāng)前狀態(tài)及原狀態(tài)，通過（？：）頻計(jì)數(shù)脈沖和西北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（）第卷睜卜口婦膏圖鑒相、四倍頻電路仿真波形圖鑒相后的信號和，四倍頻后的信號串行鏈路上進(jìn)行全雙工通信使用語言編和通過二選一選擇器（）后，程所需要的電路模塊，將功能集成到送到計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行正

8、反轉(zhuǎn)計(jì)內(nèi)部，簡化了電路，避免了浪費(fèi)數(shù)信號是采樣時鐘，用以控制接口電路對輸一次接收發(fā)送位數(shù)據(jù)位，波特率設(shè)為，人的、兩路信號進(jìn)行采樣當(dāng)上升沿到來所以要發(fā)送一個位的數(shù)據(jù)，要發(fā)送兩次，先發(fā)時，若為高電平，正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)“一）反低位再發(fā)高位設(shè)置發(fā)送器的分頻器系數(shù)為：之，當(dāng)上升沿到來時，若為高電平，反轉(zhuǎn)（），其中板載時鐘是計(jì)數(shù)（）把要發(fā)送的數(shù)據(jù)先放在發(fā)送緩存器中，計(jì)數(shù)器工作時存在時間的延時，如果還未準(zhǔn)備等待的引腳變?yōu)榈碗娖介_始發(fā)送數(shù)據(jù)，好就來讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)將是錯誤的為了避顯示終端開始接收采集到的測量數(shù)據(jù)酒免錯誤，這里設(shè)計(jì)了一個數(shù)據(jù)鎖存電路的硬件電路主要由串口模塊、（）鎖存器的觸發(fā)窄脈沖比計(jì)數(shù)脈沖延時和組成

9、，電路如圖所示數(shù)據(jù)半個周期，當(dāng)計(jì)數(shù)器未穩(wěn)定時，其輸出的數(shù)據(jù)不會從的端進(jìn)入，經(jīng)過進(jìn)行電平通過鎖存器轉(zhuǎn)換后由串口模塊中的端進(jìn)入，進(jìn)行需要與上位機(jī)進(jìn)行通信，選擇串并轉(zhuǎn)換后由數(shù)據(jù)總線進(jìn)入的其他模塊（即，通數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由數(shù)據(jù)總線進(jìn)入串口模塊，用異步收發(fā)器）的孓接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在其中進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后由端輸出到是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，允許在中，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后由昏的端輸出圖硬件電路圖仿真波形結(jié)束語鑒相、四倍頻、計(jì)數(shù)、鎖存、等功能模塊在上實(shí)現(xiàn)，這里采用公司系列芯片，在下仿真，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，仿真結(jié)果如圖所示本文設(shè)計(jì)了基于的高精度光電編碼器接口電路，將信號處理等大量功能集成在中進(jìn)行處理，將待測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成測量光電

10、編碼器旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)和對應(yīng)的角位移，經(jīng)過四倍頻細(xì)分電路和鎖存電路提高了測量精度，實(shí)現(xiàn)了小型化集成化年第期馬永杰等：基于的高精度光電編碼器接口電路的設(shè)計(jì)一高頻率數(shù)據(jù)處理，并可與機(jī)或并行通訊參考文獻(xiàn)：”一。、豁。，觸，畦啊口山秘雛囅瓣弧赫麟簟瓤乓蟹。耋鋒懈毫疊麟毛礴，基一氛毫肆轟鋒壁睪鑲蝴吣舢咖刪朋吣柵棚朋肌呻唧咖舢哪舢哪咖棚咖腑咖咖唧廣幾。門幾幾。幾廠門廣門幾；門；一：廠；。廠；門門。廠門；一門門門門門一：廣。門門廠門門。：；：；：！，；：！：；?。?；?。?；：；：?。喊耍喊藦V：八八：八：幾八九訂幾：丌丌。門；訂：門玎；訂九；。幾八八：幾幾廠幾訂日門日口幾丌幾九八八八八幾門門九門幾門九門固匹匹（互題×旺嘲】：；一）圖正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)仿真波形圖陳贊，趙興國基于總線的單圈絕對式光電軸角編碼器實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)光子學(xué)報，。（）：卜李海平，孔祥成的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中國科學(xué)院研究生學(xué)報，（）：楊曉慧，楊旭系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例北京；人民郵電出版社，：孫延騰吳艷霞，顧國昌基于語言的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用。（）：高曉青，楊瑞峰基于的總線串口卡設(shè)計(jì)電子技術(shù)應(yīng)用，（）：（責(zé)任編輯馬宇鳩）（上接第頁）