基于MCU+CPLD雙片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新型光電軸角編碼器的應(yīng)用方案

基于MCU+CPLD雙片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新型光電軸角編碼器的應(yīng)用方案引言光電軸角編碼器是一種采用光電方法，將機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號輸出的數(shù)字測角裝置。它可以和顯示裝置或計算機相連，實現(xiàn)動態(tài)測量和實時控制。也可以利用它實現(xiàn)直線位移、轉(zhuǎn)速等其它物理量的測量。目前，單片機已廣泛應(yīng)用到光電軸角編碼器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計中，通過靈活的設(shè)計，單片機的軟件可以實現(xiàn)各種不同的邏輯運算和控制功能，但是在以單片機為主構(gòu)成的系統(tǒng)中還需要大量的中、小規(guī)模數(shù)字集成電路。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，采用具有ISP（系統(tǒng)內(nèi)編程）功能的CPLD（復(fù)雜的可編程邏輯器件）取代傳統(tǒng)單片機外圍的中、小規(guī)模的集成電路已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。這種器件無需拆卸即可在系統(tǒng)內(nèi)重新配置邏輯功能，使數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)生了革命性變化。新研制的光電軸角編碼器結(jié)合單片機和CPLD器件的各自優(yōu)點，以MCU+CPLD雙片結(jié)構(gòu)設(shè)計了A／D數(shù)據(jù)采集、處理和顯示系統(tǒng)。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主要由80C196KC單片機，ALTERA公司的EPM7128SLC84—15，編碼器信號放大、整形電路和顯示電路構(gòu)成。單片機按照系統(tǒng)的要求，根據(jù)算法編寫相應(yīng)的軟件程序，處理由CPLD傳送過來的數(shù)據(jù)，并把處理結(jié)果送入CPLD構(gòu)造的顯示緩存中，由CPLD完成數(shù)據(jù)的動態(tài)掃描顯示。2.1信號放大與整形電路如圖2所示，光電編碼器讀數(shù)頭輸出為弱電流信號，需經(jīng)對地電阻（電位器P1）形成電壓信號后經(jīng)放大器（LM124）與比較器（LM139）轉(zhuǎn)換成能被微處理器處理的TTL電平。對不同的信號可以調(diào)整電位器的電阻來改變放大倍數(shù)。2.2基于CPLD的I/O接口電路EPM7128SLC84—15是ALTERA公司的MAX7000S系列CPLD，它采用CMOS工藝，并以第二代矩陣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，此器件內(nèi)集成了6000門，其中典型可用門為2500個，有128個邏輯單元，60個可用I／0口。ALTERA公司的CPLD開發(fā)工具MAX+plusⅡ，支持多種輸入方式，給設(shè)計開發(fā)提供了極大的方便，因此本系統(tǒng)采用MAX+plusⅡ進行設(shè)計。系統(tǒng)的主體部分用原理圖輸入方式，由于庫中提供現(xiàn)成的芯片，所以使用很方便。原理圖輸入部分如圖3所示，主要完成以下邏輯功能：①分別由2片244及2片373實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出鎖存；②用3-8線性譯碼器和邏輯門電路實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)得輸入和處理后二進制角度的輸出控制，單片機80C196KC通過控制總線選通各個鎖存器，讀入輸入的粗碼值，單片機完成實時處理后，由CPLD內(nèi)部74LS373鎖存器輸出16位二進制角度代碼。由于系統(tǒng)使用了低成本的CPLD，將系統(tǒng)所需的硬件資源進行了整合集成，提高了系統(tǒng)硬件的配置能力和可靠性，并且充分利用了單片機的軟件資源優(yōu)勢。主要特點：①可靠性高，傳統(tǒng)的系統(tǒng)除了單片機外還有大量的中小規(guī)模集成電路，在高速、強電磁干擾等惡劣條件下，芯片的數(shù)量越多受到干擾的可能性就越大，造成單片機頻繁出現(xiàn)程序跑飛、系統(tǒng)復(fù)位。采用CPLD器件可減少系統(tǒng)受干擾的幾率，顯著提高系統(tǒng)的可靠性。盡管在功能開發(fā)上，CPLD器件通過EDA軟件實現(xiàn)，但物理機制卻像一片74LS373那樣屬純硬件電路，十分可靠。通過合理設(shè)計，在大多數(shù)應(yīng)用中無須考慮復(fù)雜的復(fù)位和初始化，設(shè)計中只須利用簡單的語句將閑置狀態(tài)導(dǎo)入同一初始入口，就能有效防止任何可能的“死機”現(xiàn)象。②開發(fā)周期短，系統(tǒng)具有可升級性。由于CPLD的最大特點就是可以通過軟件編程對其器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，能隨時進行調(diào)整以滿足產(chǎn)品升級的需要。采用EDA的方法對系統(tǒng)進行設(shè)計，用戶不僅可通過直接對芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能，而且由于管腳定義的靈活性，減輕了電路圖設(shè)計和電路板設(shè)計的工作量和難度，硬件設(shè)計可以如軟件設(shè)計一樣方便快捷，改變了傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)及用單片機構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計過程，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。3系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用MCS96匯編語言編程，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各個功能子塊獨立，調(diào)試方便，并容易根據(jù)需要擴展。圖4為系統(tǒng)程序總框圖，初始化程序包括系統(tǒng)配置、A/D復(fù)位等；數(shù)據(jù)采集子程序包括采集精碼及矩陣碼（編碼器碼盤采用矩陣碼）、A/D轉(zhuǎn)換；細分程序包括偏移碼處理、象限判別、除法運算、細分查表。由于制作粗碼允許較低的精度，粗碼道某一些端面位置偏離了理論位置（即有位置偏差），從而使精度降低、甚至錯碼，這時可以用一組精度較高的精碼道來發(fā)現(xiàn)它，并校正這個偏差，即為精粗校正子程序。最后通過并口或RS232實現(xiàn)二進制角度代碼的輸出。4結(jié)束語該系統(tǒng)以MCU+CpLD雙片結(jié)構(gòu)為核心的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，在EDA工具的協(xié)助下采用自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計方法，縮短了開發(fā)周