基于CPLD的編碼器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

２０１２年儀表技術(shù)與傳感器ＩⅡｓｔｍｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ２０１２Ｎｏ．４第４期基于ＣＰＬＤ的編碼器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)蔣利兵，張玉，吳剛，譚或（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京ｌＯＯ明３）摘要：基于ＣＰＬＤ芯片，對(duì)增量式編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了編碼器信號(hào)的整形濾波、倍頻和鑒相。為了提高編碼器的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了一種４倍頻脈沖輸出電路，提高了編碼器的分辨率，并設(shè)計(jì)了鏊相電路，實(shí)現(xiàn)正反向的角度或速度測(cè)量。文中給出了Ｑｕａｒｔｕｓ原理圈輸八電路、時(shí)序仿真結(jié)果，以及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。文中的研究在角度位移等測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：ＣＰＬＤ；編碼器；倍頻；鑒相中圈分類號(hào)：ＴＭｌ３文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：１００２—１８４ｌ（２０１２）０４一Ｏ（】９１—０３ＯｎＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎｏｆＥｎｃｏｄｅｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＢａｓｅｄＪｌＡＮＧＬｉ．ｂｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕ，ＷＵ（；ａｎｇ，ＴａｎＹ“ＣＰＬＤ（ｃｏＩｌｅｇｅ０ｆＥｎｇ．哪∞ｄｎｇ，ｃｈｉｎａＡ咖ｌｔｕ叫ｕｎｉｖｅ哪ｔｙ，Ｂ刪ｉｎｇ１０００８３ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒ群ｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｌｌｔｒＤｄｕｃｅｄ＆ｍｅｔｈｏｄｂ勰ｅｄ０ｎｃＰＬＤｃｈｉｐｏｆＡ【胍ＲＡｃｏｍｐ衄ｙｗｈｉｃｈｄｅａｌｅｄｗ油Ｉｌｌｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌ０ｆｉｎｃ姍ｅＩｌｔａｌｃａＩＩｅｎｃｏｄｅｒａｎｄａｃｈｊｅｖｅｄｃｊｒｃｕｉｌｍｕｌｄｐＪｉｃａｌｉｏ“ｐｕｌｓｅｏｕｔｐｕｔ６ＩⅫｎｇ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄ０山ｉｎｇａｎｄｐｈａｓｅ‰ｄｌＩｌｉ聃ｔｉｎｇ０ｆｔｈｅ３ｉ冀ｒ】ａ１．Ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄ４“ｑ咖ｃｙｗｈｉｃｈｉｍｐ內(nèi)ｖｅｄｔｌｌｅａｃｃ哪ｃｙｏｆｔｈｅｅｎｃｏｄ盯ｍｅａｓｕｒｅ硼ｅｎＩ．Ｔ１ｗｃｉｒｃｕｈ０ｆｐｈａｓｅｄｉｓｃ打ｍｉｎａｔｉｏｎａｏｒａｃｃ砌ｐｌｉｓｈｔｈｅｐｏｓ；６ｖｅ柚ｄｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｍｅ踮ｕｒｅｍｅｎｔｏｆ８ｎｇｌｅｓｉｍＩＩｌａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ．ＴｂｉｓｐａｐｅｒａＩｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄｔｂｅｃａｎＱｕａｒｔｕｓｓｃｈｅｍａｔｌｃ０ｆａｎ—ｅ，ｄｉ鏟ｂ１０ｃｋｄｉａ刪ｎ，ｔｉｍｊｎｇｓ０ｐｉｃｔｌ此，如ｄ岫ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅ曲ｅｎ“ｔｅ８ｔ．Ｔｈ選ｒｅｓｅａｒｅｈｂｅｕｓｅｄｔ０ｍｅａｓｕｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔａＩＩｄＫｅｙｏｎ，誣ｈａｓ謝ｄｅａｐｐｌｉｃ缸ｉ０Ｔｌｖａｌｌｌｅｉｎｔｈｅｍｅ幽ｕｒｅＩｎｃｎｔ６ｅＩｄ．ｗｏｒｄｓ：ＣＰＩＤ；ｅｎｃｏｄｅｒ；肺ｑｕｅｎｃ）ｒｍｕｌｌｉｐｌｉｃ８６０ｎ；ｐｈａｓｅｄｉｓｃｄｍｉｎａｔｉｏｎ０引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于ＥＤＡ技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)已成為ｏｍ廣］ｎｎ廠］ｏｍ廠］廠］廠］廣?？S］圖１編碼器的輸出信號(hào)１．２信號(hào)的整形設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。可編程邏輯器件ｃＰＬＤ廣泛應(yīng)用于各種專用集成電路中，與傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法相比具有研制周期短、成本低、涉及靈滔等特點(diǎn)，從而使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。編碼器在機(jī)器人（手）檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛，增量式編碼器是一種把在數(shù)字系統(tǒng)巾，脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，可用施密特觸發(fā)器整形獲得理想的脈沖。將ＯｕＴＡ、ＯｕＴＢ相和時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)２反向個(gè)施密特觸發(fā)器，濾去噪聲電平，完成對(duì)編碼器信號(hào)的整形。１．３信號(hào)的倍頻設(shè)計(jì)為了提高測(cè)量精度，可采取對(duì)編碼器信號(hào)４倍增頻。增頻角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置，當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出相應(yīng)的脈沖．計(jì)數(shù)起點(diǎn)可任意沒(méi)定，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量。當(dāng)需要提高分辨率時(shí)，可利用９０。相位差的ＯＵＴＡ、ＯＵＴＢ兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻實(shí)現(xiàn)。正反轉(zhuǎn)都需要檢測(cè)時(shí)就要對(duì)ＯＵＴＡ和ＯＵＴＢ相進(jìn)行鑒相處理，辨別方向。文中主要討論基于ｃＰＬＤ的增量式編碼器信號(hào)倍頻鑒相的處理。１編碼器信號(hào)與硬件處理電路１．１編碼器的輸出信號(hào)原理如圖２所示。正轉(zhuǎn)時(shí)，分析編碼器的脈沖信號(hào)，將編碼器的上一次信號(hào)存儲(chǔ)，對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行４倍增頻，正轉(zhuǎn)時(shí)分解信號(hào)見(jiàn)圖２。增量式編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出３組脈沖信號(hào)，０【ＪＴＡ、ＯｕＴＢ和ＯｕＴｚ相。ＯｕＴＡ、ｏＩＪＴＢ是相位相差９０。的正交方渡信號(hào)，ＯｕＴＡ相或０ｕＴＢ相的每個(gè)脈沖代表被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)了一定的角度。ＯｕＴＡ相和ｏｕＴＢ相的相位關(guān)系則反應(yīng)了被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向，若ＯＵＴＡ超前０ｕＴＢ相，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn)，若ＯｕＴＢ超前ＯＵＴＡ相，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)。０ｕＴｚ是基準(zhǔn)定位信號(hào)．是一個(gè)代表零位的脈沖信號(hào)，可用于調(diào)零、對(duì)位。編碼器的信號(hào)如圖Ｉ所示。收稿日期：２們１—０６一】３收修改稿日期：２０１１—１ｌ—１５。ｔｍ卅持一精塒博礦（ａ）（ｂ）圈２編碼器正轉(zhuǎn)信號(hào)的四倍增頻鼢ｔ辯羚。ｍ鼾抖萬(wàn)方數(shù)據(jù)ＩＩＩｓｍ塒１ｅｎｔＴｅｃｈｎｉａｕｅ蛐ｄＳｅｎ帥ｒＡｐｒ２０１２則輸出函數(shù)表達(dá)式為：Ｆ．＝ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ式中：只為正轉(zhuǎn)時(shí)輸出為１的信號(hào)，符合其中任意一項(xiàng)因子，輸出為ｌ，否則輸出為０。同理反轉(zhuǎn)時(shí)，將信號(hào)進(jìn)行４倍分解增頻，反轉(zhuǎn)信號(hào)見(jiàn)圖３。。Ⅷ封鼾ｏＵＴＢ一：Ｈ｛一；Ｈ｝帆。她蚣呱、她姚啪卅壯（ａ）（ｂ）圖３編碼器反轉(zhuǎn)信號(hào)的四倍增頻輸出函數(shù)表示式為：凡＝ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ式中：Ｒ為反轉(zhuǎn)時(shí)輸出為１的信號(hào)，符合其中任意一項(xiàng)因子，輸出為１，否則輸出為０。綜合正反轉(zhuǎn)的函數(shù)關(guān)系，得出輸出表達(dá)式：Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝ＡＢａＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ經(jīng)過(guò)化衙后可表示為Ｆ＝（ＡＯＤ）（ＢＯＣ）＋（ＡＯＤ）（ＢＯＣ）采用Ｄ觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)編碼器信號(hào)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)功能，其硬件原理見(jiàn)圖４，編碼器出來(lái)Ｏｕ弘、０ｕ豫相信號(hào)經(jīng)過(guò)２個(gè)Ｄ觸發(fā)器后分別變?yōu)椋阈盘?hào)和Ｄ信號(hào)，將這４組電平信號(hào)經(jīng)過(guò)上式的邏輯運(yùn)算之后，就可以得到４倍頻后的脈沖信號(hào)。Ｕ３ＨＣＣＵ４Ｂ《‰ｊ蘑Ｄ姒々ｆ毒ｒ士口圈４Ｄ觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)存儲(chǔ)的硬件原理圈１．４鑒相電路的設(shè)計(jì)鑒相電路的硬件原理圖見(jiàn)圖Ｓ。將編碼器的信號(hào)上拉到高電平，輸人司１個(gè)Ｄ觸發(fā)器中，由編碼器出來(lái)的ＯＵｌＡ、０ＵｒＢ萬(wàn)方數(shù)據(jù)相信號(hào)相位相差９０?？芍?。正轉(zhuǎn)時(shí)ＯＵｌｍ相信號(hào)上升沿時(shí)，ＯＵＴＡ相信號(hào)是處于低電平狀態(tài)，同理反轉(zhuǎn)，０ｕＴＢ相信號(hào)到達(dá)上升沿時(shí)，ＯｕＴＡ相處于高電平狀態(tài)，因此Ｄ觸發(fā)器輸出狀態(tài)只有高低電平，得到的是編碼器的方向信號(hào)ＤＩＲ．匿５釜榴電路垂奇磋件原理雷在試驗(yàn)中采用ｃＰＬＤ原理圖輸入法完成該電路圖的設(shè)計(jì)。２編碼器信號(hào)處理的ＣＰＬＤ實(shí)現(xiàn)２．１Ｃ扎Ｄ軟件設(shè)計(jì)Ｑｕａｒ【ＩＩｓ中支持文件格式的編程輸人和原理圖格式的輸人（圖６），由于鑒相倍頻電路中所用的門電路比較多，故采用原理圖輸入法，不僅提高輸人速度，也增加了程序的可讀性，由于ｃＰＬＤ使用晶振頻率為１２ＭＨｚ，輸出的脈沖寬度較小，所以對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了５０００分頻，編碼器出來(lái)的ｏＵＴＡ、ＯＵＴＢ信號(hào)經(jīng)過(guò)４個(gè)Ｄ觸發(fā)器，完成對(duì)信號(hào)的狀態(tài)存儲(chǔ)和四倍頻設(shè)計(jì)，再通過(guò)１個(gè)一系列邏輯電路，完成信號(hào)的四倍頻脈沖信號(hào)的輔出，最后得到一路四倍頻后脈沖信號(hào)。２．２仿真結(jié)果與分析軟件設(shè)計(jì)完成之后，用Ｑｕ硼?ｍ自帶的仿真功能，新建波形文件，輸入ｏｕＴＡ、０ｕＴＢ相和時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的頻率要求至少是輸入信號(hào)頻率的４倍以上，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器信號(hào)的倍頻檢測(cè)功能，正轉(zhuǎn)時(shí)，Ａ槽超前Ｂ相９０。，見(jiàn)臣７。輸入對(duì)鐘信號(hào)，輸出的波形為一路四倍頻的脈沖信號(hào)ＰＩ幾和一路方向信號(hào)ＤＩＲ．反轉(zhuǎn)時(shí)，Ｂ相超前直榴９０。，見(jiàn)緝８，輸八時(shí)鐘痿號(hào)，輸出的波形為一路四倍頻后的脈沖信號(hào)ＰＵＬ和一路方向脈沖信號(hào)ＤＩＲ。仿真波形見(jiàn)圖８。上３試驗(yàn)與分析試驗(yàn)采用的編碼器型號(hào)為ｓｃ姒一１０２４ＢＭ—Ｇ５—２４ｃ，使用雙通道的示波器觀察信號(hào)輸出波形。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)結(jié)果如圖９（８）所示，上面的是ＯＵｌＨ相輸人信號(hào)，下面是經(jīng)過(guò)４倍頻后信號(hào)，在Ａ相信號(hào)的１個(gè)周期內(nèi)，輸出信號(hào)是輸入的４倍。即４倍頻信號(hào)。圖９（ｂ）圖上面的是Ａ相輸入信號(hào)，下面是鑒相后的方向信號(hào)，正轉(zhuǎn)時(shí)始終為高電平。當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出倍頻波形與圖９（Ｂ）一樣．只是鑒褶后輸出始終為低電平。這樣就可以區(qū)別正向和反向，實(shí)現(xiàn)正反向的測(cè)量。對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)兩者是一致的，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的ｃＰＬＤ軟件是正確的，能夠?qū)崿F(xiàn)編碼器的倍頻鑒相信號(hào)處理。在機(jī)器人上采用ＣＰＬＤ能夠準(zhǔn)確地對(duì)４個(gè)編碼器進(jìn)行了倍頻、鑒裙和計(jì)數(shù)．經(jīng)換算得到足球機(jī)器入的運(yùn)動(dòng)速度。第４期蔣利兵等：基于ｃＰＬＤ的編碼器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)圈６ＱⅡａ竹ｕｓ軟件鑒相倍頻原理圖圈８反轉(zhuǎn)時(shí)仿真波形圖３結(jié)束語(yǔ)旋轉(zhuǎn)式編碼器把角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可應(yīng)用于角度、位移、長(zhǎng)度等測(cè)量領(lǐng)域。設(shè)計(jì)采用ＥＰＭ口１２８為ｃ腫開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用Ｑｍｒｔｌｌｓ自帶的仿真功能完成了仿真分析，經(jīng)試驗(yàn)證明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)鑒相倍頻功能，可同時(shí)采用ｃＰＬＤ對(duì)鑒相倍頻后信號(hào)的進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)或測(cè)速，提高了測(cè)試精度，節(jié)省了硬件資源，方便靈活適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)足球機(jī)器人的速度進(jìn)行了準(zhǔn)確地檢測(cè)。參考文獻(xiàn)：［１］朱海洋，歐陽(yáng)明星．基于ｃＰＬＤ的旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用．機(jī)電工程技術(shù)，２００９，３８（５）：８６—８８；１２５．［２］夏冬梅。孫林．基于ｃＰＬＤ的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路模塊設(shè)計(jì)．機(jī)械制造與自動(dòng)化，２００９（５）：１５６—１５７；１６０．（ｂ）圈９正轉(zhuǎn)試驗(yàn)波形圈［３］楊其華．袁月峰，郝敬思．一種基于ｃＰＬＤ的數(shù)據(jù)采集控制板的設(shè)計(jì)．電子技術(shù)應(yīng)用，２００５（８）：７５—７８．［４］張高記，羅朗霞．基于ｃＰＬＤ的ｃＢｃＨ碼編／譯碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，２０１０，１５（５）：３０一３３作者簡(jiǎn)介：蔣利兵（１９８６一），在讀研究生，Ｅｍａｉｌ：豇鋤螭９３＠１６３．啪．通訊作者：譚或，教授，博士導(dǎo)師，主要從事智能控制及機(jī)電一體化技術(shù)研究。Ｅ一恥ｌｉｌ：ｌａｌｌｎ０２＠婦．咖［８］李科，安連鎖．沈國(guó)清，等．偽隨機(jī)序列在聲學(xué)測(cè)溫中的應(yīng)用研究．（上接第９０頁(yè)）［４］礬咖ｃＫＨＪ，珊吼ＲＡ．偽隨機(jī)信號(hào)處理一理論與應(yīng)用．甘良華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，２００７，３４（６）：４７—５０．［９］楊祥良。安連鎖，沈國(guó)清．單路徑聲學(xué)高溫計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐爐膛煙溫的試驗(yàn)研究．動(dòng)力工程．２００９，２９（４）：３７９—３８３．［１０］張曉東，高渡．宋之平．互相關(guān)函數(shù)法在聲學(xué)瀏溫技術(shù)中的應(yīng)用研究．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，２００３，２３（４）：１８５—１８８．［１１］趙小川，羅慶生，韓寶玲．基于偽髓機(jī)序列自相關(guān)性的新型超聲波測(cè)距系統(tǒng)．壓電與聲光．２００９，３１（６）：８５６—８６１．才。譯．北京：電子工業(yè)出版社．２晰．［５］程曉暢．蘇紹