基于FPGA的新型絕對式編碼器

1、    基于FPGA的新型絕對式編碼器    電子技術應用    邱 成， 薛寒光， 朱衡君 時間:2008年03月27日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        摘要：關鍵詞： 絕對式編碼器 FPGA 硬件描述語言隨著制造業(yè)和自動化技術的迅速發(fā)展，編

2、碼器作為一種融合數(shù)字技術的精密測角裝置已被廣泛應用于數(shù)控機床、機器人、自動化儀表等領域。編碼器將機械運動中的角度、位移、轉速等物理量轉變成數(shù)字信號輸出，因此將它與數(shù)字信號處理技術、計算機技術相結合，可實現(xiàn)快速、及時、準確的位置檢測與控制。根據(jù)形成代碼方式的不同，編碼器可分為增量式和絕對式兩類。傳統(tǒng)絕對式編碼器如果要反映2n精度，其碼盤上至少要有n道碼道，每道對應于一個讀碼元件。這種結構比較復雜，制作困難，碼盤徑向尺寸較大，難以實現(xiàn)小型化、集成化，成為絕對式編碼器進一步發(fā)展的障礙14。本文介紹一種新型絕對式編碼器，采用一個光敏元件讀取單圈串行編碼碼道，采用兩個光敏元件讀取同步碼道獲得辨向信息，并

3、且利用FPGA器件來實現(xiàn)辨向和譯碼，從而獲得位置信息。該編碼器可以實現(xiàn)絕對位置的準確測量，具有結構緊湊、集成度高的優(yōu)點，為絕對式編碼器的小型化開辟了一條有效的途徑。1 基于FPGA的系統(tǒng)總體方案設計本文實現(xiàn)了10位絕對式編碼器，在碼盤的圓周上有1024個編碼位置。與傳統(tǒng)絕對式編碼器不同，碼盤上只有兩個碼道。內圈為編碼碼道，由1024個透光或遮光的窗口組成，透光窗口用1來表示，遮光窗口用0來表示；采用一個光敏元件串行讀取編碼碼道來獲得惟一的絕對位置編碼，絕對位置編碼由相鄰的10個編碼位置上的二值信息組成；編碼碼道的布置方式既可以通過計算機編程的方法尋找，也可以通過對m序列進行適當?shù)奶幚韥慝@得。碼

4、盤的外圈為同步碼道，由相對于每一個編碼位置的透光窗口組成；在同步碼道上設置兩個光敏元件，其中一路作為同步信號觸發(fā)編碼碼道上的光敏元件讀碼，兩路信號結合起來用于判斷碼盤的旋轉方向。 2 FPGA內部各功能模塊設計2.1 辨向模塊在碼盤同步碼道上設置的兩個光敏元件輸出兩路方波信號（a信號和b信號），周期均為T，在安裝時保證相位差為90°。圖3給出了碼盤在換向旋轉時a、b信號的波形圖，在a信號的上升沿采集b信號，就可以判斷碼盤的旋轉方向。當碼盤按逆時針方向旋轉時，a信號比b信號超前，在a信號的上升沿時b信號為0；當碼盤按順時針方向旋轉時，a信號比b信號滯后，在a信號的上升沿時b信

5、號為1。利用VHDL編程實現(xiàn)辨向模塊的設計。2.2 串/并轉換模塊編碼碼道上光敏元件串行輸出包含絕對位置編碼信息的信號，而譯碼模塊需要的是10位并行絕對位置二進制碼，利用VHDL語言設計了10位雙向移位寄存器實現(xiàn)串/并轉換，具有清零、左移、右移、并行置數(shù)等功能。如圖2所示，移位寄存器的時鐘信號CLK采用同步碼道上光敏元件輸出的a信號，串行輸入信號SI是編碼碼道上光敏元件輸出信號incode；方向信號DIR是辨向模塊的輸出信號DIROUT，碼盤逆時針旋轉時DIR為高電平，移位寄存器右移，碼盤順時針旋轉時DIR為低電平，移位寄存器左移；其他控制信號CE、CLR、SET和LOAD均由Nios處理器軟

6、核控制，均設置為高電平有效；串/并轉換模塊的輸出信號DATAOUT9.0將用作下一步查表的地址信號。2.3 FIFO模塊利用雙口RAM和讀寫地址模塊來實現(xiàn)FIFO模塊，其內部模塊圖和接口信號如圖4所示。FIFO的接口信號包括寫時鐘（wr_clk）和讀時鐘（rd_clk）、與寫時鐘同步的寫有效（wen）和寫數(shù)據(jù)（wr_data）、與讀時鐘同步的讀有效（rden）和讀數(shù)據(jù)（rd_data）。為了實現(xiàn)準確的讀寫和避免FIFO上溢或下溢，還應給出與讀時鐘和寫時鐘同步的空標志（empty）和滿標志（full）,以禁止讀寫操作。寫地址產生模塊根據(jù)寫時鐘和寫有效信號產生遞增的寫地址，讀地址產生模塊根據(jù)讀時鐘

7、和讀有效信號產生遞增的讀地址。FIFO的操作如下：在寫時鐘wr_clk的上升沿，當wren有效時，將wr_data寫入雙口RAM中與寫地址對應的單元；始終將雙口RAM中與讀地址對應的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上。2.4 譯碼模塊將串/并轉換模塊輸出信號DATAOUT9.0 作為查表地址，通過查找絕對位置編碼與角度對應表實現(xiàn)絕對位置測量。配置了256KB的SRAM及2M的Flash，SRAM用來為Nios運行程序和存儲相關數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash用來存儲絕對位置編碼與角度對應表。譯碼時先以串/并轉換模塊輸出信號DATAOUT9.0作為地址訪問Flash，通過查表獲得所需要的那一列數(shù)據(jù)，然后將它讀出并寫入FPGA的

8、塊RAM中。存儲在Flash中的表格為10×1024×1024bit,即占用1M×10bit的空間，當讀出其中的一列時,其大小為10×1024bit。FPGA中有專門的雙口讀/寫同步片內塊RAM，每個RAM有4096個存儲單元，本文將讀出的10×1024bit數(shù)據(jù)寫入四個塊內RAM中，并配置成16×256bit。利用VHDL語言實現(xiàn)查表譯碼程序。2.5 Nios軟核CPU為了縮短開發(fā)周期且高效利用FPGA資源，系統(tǒng)采用了Nios軟核處理器。它是Altera公司推出的一款32/16位精簡指令處理器軟核，可以實現(xiàn)SOPC（System O

9、n a Programmable Chip）集成5。根據(jù)實際需要，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性，Nios軟核CPU主要包括以下幾部分：FIFO采集控制信號接口、辨向控制信號接口、譯碼控制信號接口、Flash控制器和LCD控制接口。本文實現(xiàn)了一種基于FPGA的新型10位絕對式編碼器，應用于直流牽引電動機下刻機自動定位系統(tǒng)中。實驗結果表明：在換向器圓周上定位精度達到1mm，較好地滿足了工程實際需要。參考文獻1 董莉莉，熊經(jīng)武，萬秋華. 光電軸角編碼器的發(fā)展動態(tài)J. 光學精密工程，2000;8（2）：1982022 湯天瑾，曹向群，林 斌. 光電軸角編碼器發(fā)展現(xiàn)狀分析及展望J. 光學儀器，2005;27（1）：90963 郁有文，常 健. 絕對碼編碼器中一種新型的編碼方法J.儀器儀