絕對式光電編碼器的接口裝置設計與應用

1、Equipment Manufactring Technology NO.5, 2007絕對式光電編碼器的接口裝置設計與應用蔣利勇 , 李偉光(華南理工大學機械工程學院 , 廣東 廣州 510640摘要 :介紹了一種基于 A T 89C 52單片機的接口裝置的硬件及軟件設計 , 實現(xiàn)對絕對式光電編碼器的數(shù)據(jù)采集、 轉(zhuǎn)換、 顯示及輸出。 關(guān)鍵詞 :絕對式光電編碼器 ; 同步串行接口 ; 接口裝置 中圖分類號 :TP 21文獻標識碼 :A文章編號 :1672-545X (2007 05-0062-03光電編碼器又稱軸編碼器 , 它以高精度計量圓光柵為檢測 元件 , 通過光電轉(zhuǎn)換將輸入軸的角位移信息

2、轉(zhuǎn)換為相應數(shù)字代 碼。因其結(jié)構(gòu)簡單、 計量精度高、 壽命長等優(yōu)點 , 近年來在數(shù)控 機床的精密定位方面使用較多。 絕對式編碼器因在分辨力區(qū)間 輸出與其碼盤機械位置相對應惟一的數(shù)字編碼而得名 , 其信號 輸出形式有并行和串行輸出兩種 , 其中串行輸出以 SSI 接口 (同步串行接口 數(shù)據(jù)連線少、 可靠度高的性能優(yōu)勢而得到較多 應 用 。 筆 者 以 A T89C52單 片 機 為 核 心 , 針 對 海 德 漢 公 司 的R O Q 425(SSI 絕對式光電編碼器進行接口裝置的設計 , 以實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集、 顯示及傳輸。1絕對式光電編碼器的工作原理絕對式光電編碼器的結(jié)構(gòu)如圖 1所示 ,

3、主要由光源、 光柵 付、 光敏元件、 碼盤、 電子處理電路等部件組成。碼盤一側(cè)的光 源發(fā)出的平行光經(jīng)過光柵付照射到碼盤的透明和不透明區(qū)段 , 在透明區(qū)段光線會穿過碼盤 , 在不透明區(qū)段則不會。在碼盤另 一側(cè)的光敏元件 , 接受到從透明區(qū)段透過的光線 , 經(jīng)過光電轉(zhuǎn) 換及電子處理電路的調(diào)制后將位置信息以數(shù)字信號形式輸出。 根據(jù)碼盤上透明區(qū)段刻劃規(guī)律的不同 , 絕對式編碼器輸出的數(shù) 字信號的編碼類型也不同 , 主要有二進制碼與格雷碼兩種。相 對于二進制碼 , 格雷碼是單位變化碼 , 即從一個位置到相鄰位 置僅有一位變化 , 可提高位置檢測的可靠性。 因此 , 大多數(shù)絕對 式編碼器都采用格雷碼方式編

4、碼。圖 1絕對式編碼器結(jié)構(gòu)與原理圖絕對式光電編碼器又可分為單轉(zhuǎn)型與多轉(zhuǎn)型 , 單轉(zhuǎn)型絕對 編碼器將碼盤的一周分成若干個測量步 , 對應每一步都有惟一 確定的碼值 , 由于這些碼值在每一轉(zhuǎn)都會重復 , 因而單轉(zhuǎn)型絕 對編碼器多用于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)量不超過一轉(zhuǎn)的角度測量 ; 多轉(zhuǎn)型 絕對編碼器不僅能夠?qū)σ晦D(zhuǎn)內(nèi)每一個確定的角位置進行編碼 , 還能夠?qū)D(zhuǎn)數(shù)進行編碼 , 因而適用于旋轉(zhuǎn)軸的多轉(zhuǎn)角度測量。R O Q 425絕對式光電編碼器是多轉(zhuǎn)型絕對式編碼器 , 共有 4096(12位 圈 , 每圈有 8192(13位 個位置值 , 其電器參數(shù)為 , 工作 電壓 :10V 30V ; 輸出碼 :格雷碼 ; 信號

5、輸入 :TTL 時鐘信號 ; 信 號輸出 :同步串行信號(SSI 。其讀數(shù)時序如圖 2所示。 圖 2編碼器讀數(shù)時序圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示 :圖 3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖2. 1中央處理器中央處理器是系統(tǒng)的控制核心部件 , 系統(tǒng)選用 A TM EL 公 司 的 89系 列 單 片 機 A T89C52, 其 內(nèi) 部 含 有 8K 的 電 可 擦 除 Fl ash 程序存儲器 , 可方便地裝載或修改系統(tǒng)程序。根據(jù)設計要 求 , 可實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換處理、 鍵盤掃描及顯示等 功能。收稿日期 :2007-03-26作者簡介 :蔣利勇 (1978 , 男 , 湖南耒陽人 ,

6、 華南理工大學機械工程學院碩士研究生 , 研究方向 :制造系統(tǒng)的計算機控制 ; 李偉光 (1958 男 , 江 西永豐 , 華南理工大學機械工程學院 , 教授 , 研究方向 :制造自動化與機電一體化。光敏元件光柵付 光源碼盤 軸C l ockTT pT aD at aM S BLS BD n D n-1D n-2D n-3D 2D 1S 數(shù)據(jù)采集模塊按鍵電路看門狗與E E P R O MC P U數(shù)字量輸出液晶顯示62裝備制造技術(shù) 2007年第 5期2. 2數(shù)據(jù)采集模塊由 于 編 碼 器 R O Q 425的 輸 出 信 號 是 符 合 R S-485協(xié) 議 的 電平 , 因而需將其轉(zhuǎn)換成可以

7、輸入單片機的電平。能完成這種 轉(zhuǎn)換的芯片很多 , 大致有兩類 :全雙工和半雙工。 由編碼器讀數(shù) 時序圖 , 我們知道數(shù)據(jù)的輸出在時鐘信號下降沿轉(zhuǎn)換 , 在時鐘 信號上升沿傳送 , 因此應該選用全雙工的轉(zhuǎn)換芯片。我們選用 的 M ax491芯片 , 是一種用于 R S-485和 R S-422通信的低功率 收發(fā)器 , 它的芯片中包含一個驅(qū)動器和一個接收器 , 并且可以 以 2.5M bps 速率進行傳輸。數(shù)據(jù)采集電路圖如圖 4。在該電路 中 , 我們用單片機的 P1. 4口來模擬產(chǎn)生絕對式編碼器讀數(shù)時 所需的同步時鐘信號 , 用 P1. 5口接收數(shù)據(jù) , 同時為了減少電路 前后的干擾 , 在電路

8、中裝上了兩個光耦器件進行光電隔離。圖 4數(shù)據(jù)采集電路圖2. 3看門狗與 E E P R O M系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境下運行時 , 抗干擾能力是評價其性能的一 個重要指標。看門狗電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證 , 我 們采用 X i cor 公司的 X 25045芯片將 EEPR O M 、 看門狗定時器、 電壓監(jiān)控三種功能集中到單個芯片內(nèi) , 大大簡化了硬件設計 , 提高了系統(tǒng)的可靠性。其硬件連接圖如圖 5所示 :圖 5芯片 X 25045與單片機硬件連接圖單片機的復位信號共有 3個 :上電復位 (C1、 R 2 , 人工復位 (S 、 R 1、 R 2 和看門狗復位 (C2、 R 3 。 X 25

9、045內(nèi)看門狗電路的定 時時間可由具體應用程序的循環(huán)周期決定 , 通常比系統(tǒng)正常工 作時最大循環(huán)周期的時間略長即可。編程時 , 在軟件的合適地 方加一條喂狗指令 , 使看門狗的定時時間永遠達不到預置時 間 , 系統(tǒng)就不會復位而正常工作。 當系統(tǒng)跑飛 , 用軟件陷阱等別 的方法無法捕捉回程序時 , 則看門狗定時時間很快增長到預置 時間 , 迫使系統(tǒng)復位。 X 25045內(nèi) 512字節(jié)的串行 EEPR O M 可 為用戶的特殊應用提供便利 , 如保存用戶的設定值。2. 4液晶顯示與按鍵電路系 統(tǒng) 人 機 交 互 界 面 采 用 通 用 液 晶 模 塊 12232系 列 的12232F 圖形點陣液晶

10、顯示器與 4鍵獨立式鍵盤。 12232F 液晶顯 示 器 內(nèi) 置 8192個 16×16點 漢 字 庫 和 128個 16×8點 A SCI I 字符集 , 主要由行驅(qū) 動 器 、列 驅(qū) 動 器 及 128×32全 點 陣 液晶顯示屏組成 , 可顯示圖形及漢字 , 實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與當前測 量值的顯示。 4鍵獨立式鍵盤用于實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設定及功能 切換。2. 5數(shù)字量輸出接 口 裝 置 的 數(shù) 字 量 輸 出 模 塊 通 過 采 用 M A X 202與M A X 483芯片實現(xiàn) R S-232、 R S-422與 R S-485輸出 , 以便實現(xiàn)上位機及其他外部設備

11、同 SSI 接口絕對式編碼器的數(shù)據(jù)通信。3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)接口裝置在系統(tǒng)軟件的控制下 , 實現(xiàn)對 SSI 接口光電編碼器的數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 顯示及輸出等操作。 系統(tǒng)軟件設計過 程中充分利用模塊化設計思想 , 以實現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化 , 減少主 程序運行時間 , 保證一定的采樣頻率。3. 1主控程序主控程序主要對系統(tǒng)進行初始化、 設置參數(shù)讀入及根據(jù)用 戶需要調(diào)用相關(guān)功能模塊。主控程序流程圖如圖 6所示 :圖 6主控程序流程圖3. 2數(shù)據(jù)采集由編碼器 R O Q 425讀數(shù)時序圖可以看出 , 編碼器的絕對位 置值由時鐘信號觸發(fā) , 從最高位(M SB 開始輸出與時鐘信號同 步的串行信號 , SSI

12、標準的信號為 25位(12位圈數(shù) +13位單圈 位置值 串行。當不傳送信號時 , 時鐘和數(shù)據(jù)位均為高電平 , 在 時鐘信號第一個下降沿 , 當前值開始儲存 , 從時鐘信號上升沿 開始傳送數(shù)據(jù)信號。部分采集程序如下 :SJCJ:SETB P1. 4SETB P1. 5CPL P1. 4N O P ; 第一個下降沿開始存儲數(shù)據(jù) N O P SETB P1. 4N O P ; 第一個上升沿開始發(fā)送數(shù)據(jù)最高位 M O V C,P1. 5CPL P1. 4M O V 2FH . 0,C ; 將最高位存入 2FH 單元第 0位 N O P1234567D A TA +D A TA -C LO C K +C

13、 LO C K -N . C . A B Z Y N . C . N . C .R O R E D E D 1G N D G N DM A X 491V ccH I I L2R 30. 5KR 40. 5K R 10. 5KR 10. 5KV cc P 1. 5H I I L1P 1. 4V ccSR 11K R 210K R 310K C 122F 74LS 320.1F P 1. 3P 1. 2P 1. 189C 52P 1. 012345678X 25045R E S E TS C K S IC 2S O W P V ss R E S E T C S V ss ! 1開始 按鍵處理程序數(shù)

14、據(jù)輸出系統(tǒng)初始化 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 按鍵 ?YN 63Equipment Manufactring Technology NO.5, 2007! 6結(jié)束語目前在我國數(shù)控技術(shù)正迅速向各工業(yè)部門滲透 , 隨著電子 技術(shù)的發(fā)展 , 數(shù)控技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位也就隨之提高 , 那 么對于數(shù)控技術(shù)重要組成部分 數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)也應迅 速適應數(shù)控技術(shù)飛速發(fā)展的要求 , 作為一名數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù) 人員 , 就應該不斷地學習和掌握新的知識與技術(shù) , 尋找新的維 修診斷方法和手段 , 為推動數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)的發(fā)展做出應有 的貢獻。參考文獻 :12345678The D i agnos i s and M ai

15、 nt enance Technol ogy i n M oder n N C M achi ne Tool sLIBo 1,JID ong-wei2(1.X i an A er ospace W or kerU ni ver s i t y,X i an 710021,Chi na;2.Col l ege ofM echani calEngi neer i ng,G uangxiU ni ver si t y,N anni ng 530004,Chi naA bst r act :A tpr esent ,t he appl i cat i on ofN C t echnol ogy i s

16、 m or e and m or e wi despr ead.The m et hod ofm ai nt ai ni ng N C m achi ne t ool s i s di s-cus sed by t he aspect s oft he s t r uct ur e and char act er i st i cs oft he N C syst em ,f aul tdi agnosi s and anal ysi s,f aul tel i m i nat i on and so on. K ey w or ds :N C m achi ne t ool s ; M ai

17、 nt enance m et hod ; Faul tdi agnosi s張寶林 . 數(shù)控技術(shù) M .北京 :機械工業(yè)出版社 , 1997. 鄒兆東 , 賀艷 . 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢 J . 機械研究與應用 , 2006, (01 :24-27.董淳 . 數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展新趨勢 J . 可編程控制器與工廠自動化 , 2006, (01 :15-18.魯方霞 , 鄧朝暉 . 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢及國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 J . 工具技術(shù) ,2006, (03 :9-12.張楊林 . 我國數(shù)控技術(shù)的進展及發(fā)展趨勢 J . 輕工機械 , 2006, (01 :42-43.舒志兵 , 嚴彩忠 , 黃益群 ,

18、張海榮 . 數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)和發(fā)展綜述J . 伺服控制 ,2006, (01 :35-37.蔡燕琴 . 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向 J . 機械制造與自動化 ,2006, (01 :9-11盛伯浩 . 數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展 J . 機電新產(chǎn)品導報 ,2006, (01 :15-18. SETB P1. 4N O P ; 第 25個上升沿開始發(fā)送最數(shù)據(jù)低位 M O V C,P1. 5CPL P1. 4M O V 2CH . 0,C ; 將最低位存入 2CH 單元第 0位 N O P SETB P1. 4R ET3. 3數(shù)據(jù)處理與按鍵處理模塊該模塊將采集到的格雷碼數(shù)據(jù)進行編碼轉(zhuǎn)換 , 將轉(zhuǎn)換后得 到的

19、BCD 碼傳送至 12232F 的顯示緩存 , 以顯示當前編碼器檢 測到的 絕 對 位 置 值 , 并 通 過 按 鍵 判 斷 后 將 數(shù) 據(jù) 保 存 至 EEP-R O M 或通過數(shù)字量輸出單元傳送給上位機及其他外部設備。4結(jié)束語該接口裝置融編碼器數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理及顯示功能于一 體 , 可 作 為 R O Q 425(SSI 絕 對 式 光 電 編 碼 器 的 二 次 儀 表 使 用 , 通過適當?shù)挠布c軟件修改后亦可用作解決數(shù)控系統(tǒng)中上位 機及其他外部設備與 SSI 接口絕對式編碼器的接口匹配問題。參考文獻 :123D esi gn and A ppl i cat i on ofI nt er f ace D evi ce f orA bsol ut e O pt i calE ncoderJI A N G Li -yong , LIW ei -guang(SchoolofM echani calEngi neer i ng,Sout h Chi na U ni ver si t y ofTechnol ogy,G uangzhou 510640,Chi naA bst r act :I n som e