基于MCU+CPLD雙片結構實現新型光電軸角編碼器的應用方案

基于MCU+CPLD雙片結構實現新型光電軸角編碼器的應用方案引言光電軸角編碼器是一種采用光電方法，將機械轉角轉換成數字電信號輸出的數字測角裝置。它可以和顯示裝置或計算機相連，實現動態(tài)測量和實時控制。也可以利用它實現直線位移、轉速等其它物理量的測量。目前，單片機已廣泛應用到光電軸角編碼器數據處理系統設計中，通過靈活的設計，單片機的軟件可以實現各種不同的邏輯運算和控制功能，但是在以單片機為主構成的系統中還需要大量的中、小規(guī)模數字集成電路。隨著電子技術的高速發(fā)展，采用具有ISP（系統內編程）功能的CPLD（復雜的可編程邏輯器件）取代傳統單片機外圍的中、小規(guī)模的集成電路已經成為技術發(fā)展的必然趨勢。這種器件無需拆卸即可在系統內重新配置邏輯功能，使數字系統的設計發(fā)生了革命性變化。新研制的光電軸角編碼器結合單片機和CPLD器件的各自優(yōu)點，以MCU+CPLD雙片結構設計了A／D數據采集、處理和顯示系統。2系統的硬件設計如圖1所示，系統主要由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成。單片機按照系統的要求，根據算法編寫相應的軟件程序，處理由CPLD傳送過來的數據，并把處理結果送入CPLD構造的顯示緩存中，由CPLD完成數據的動態(tài)掃描顯示。2.1信號放大與整形電路如圖2所示，光電編碼器讀數頭輸出為弱電流信號，需經對地電阻（電位器P1）形成電壓信號后經放大器（LM124）與比較器（LM139）轉換成能被微處理器處理的TTL電平。對不同的信號可以調整電位器的電阻來改變放大倍數。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，并以第二代矩陣結構為基礎，此器件內集成了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，給設計開發(fā)提供了極大的方便，因此本系統采用MAX+plusⅡ進行設計。系統的主體部分用原理圖輸入方式，由于庫中提供現成的芯片，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實現數據的輸入輸出鎖存；②用3-8線性譯碼器和邏輯門電路實現原始數據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內部74LS373鎖存器輸出16位二進制角度代碼。由于系統使用了低成本的CPLD，將系統所需的硬件資源進行了整合集成，提高了系統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，傳統的系統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，芯片的數量越多受到干擾的可能性就越大，造成單片機頻繁出現程序跑飛、系統復位。采用CPLD器件可減少系統受干擾的幾率，顯著提高系統的可靠性。盡管在功能開發(fā)上，CPLD器件通過EDA軟件實現，但物理機制卻像一片74LS373那樣屬純硬件電路，十分可靠。通過合理設計，在大多數應用中無須考慮復雜的復位和初始化，設計中只須利用簡單的語句將閑置狀態(tài)導入同一初始入口，就能有效防止任何可能的“死機”現象。②開發(fā)周期短，系統具有可升級性。由于CPLD的最大特點就是可以通過軟件編程對其器件的結構和工作方式進行重構，能隨時進行調整以滿足產品升級的需要。采用EDA的方法對系統進行設計，用戶不僅可通過直接對芯片結構的設計實現多種數字邏輯系統功能，而且由于管腳定義的靈活性，減輕了電路圖設計和電路板設計的工作量和難度，硬件設計可以如軟件設計一樣方便快捷，改變了傳統數字系統及用單片機構成的數字系統的設計方法、設計過程，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。3系統的軟件設計系統軟件采用MCS96匯編語言編程，采用模塊化結構設計，各個功能子塊獨立，調試方便，并容易根據需要擴展。圖4為系統程序總框圖，初始化程序包括系統配置、A/D復位等；數據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實現二進制角度代碼的輸出。4結束語該系統以MCU+CpLD雙片結構為核心的數據采集處理系統，在EDA工具的協助下采用自頂向下的系統設計方法，縮短了開發(fā)周