增量式光電脈沖編碼器的單片機(jī)計(jì)數(shù)器

1、第10期元器件與應(yīng)用27增量式光電脈沖編碼器的單片機(jī)計(jì)數(shù)器金建新華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院武漢市430074【摘要】文中重點(diǎn)討論基于單片機(jī)的光電脈沖編碼器計(jì)數(shù)器的軟件倍頻和辨向原理,并從編碼盤條紋和位置檢測元件的空間分布原理出發(fā)給出了在編碼器輸出A、B正交方波的前提下最多只能4倍頻的結(jié)論,最后介紹了集倍頻、辨向、計(jì)數(shù)于一體的單片機(jī)計(jì)數(shù)器原理,該計(jì)數(shù)器具有消除抖動誤計(jì)數(shù)、倍頻數(shù)可選、計(jì)數(shù)長度無限制的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:光電脈沖編碼器基于單片機(jī)的計(jì)數(shù)器軟件倍頻軟件辨向TheCounterBasedonEmbed-forIncrementalOpto-EJinSchoolofMechanical,430074A

2、bstract:Thisarticleanddiscerningdirectionwithsoftwaremethodofthe-forincrementalopto-electricencoder,besidesbytheofrelationshipofstripeoftheencoderandthemovementdetect2ingtotheconclusionthatundertheconditionofthattheencoderoutputsonlyA、Bphasesquare,atmostaquadruplefrequencycanbeachieved,thenintroduce

3、sacounterbasedonembed-controller,whichischaracteredbynoshakingerrorcounting,aoptionaldoublefrequencytimeandnolimittothecountinglength,withallthefunctionssuchasdoublefrequency、discerningdirectionandcounting。KeyWords:IcrementalOpto-ElectricEncoder,CounterbasedonEmbed-Controller,DoubleFre2quencybySoftw

4、are,DiscernDirrectionbySoftware1光電脈沖編碼器對計(jì)數(shù)器的要求光電脈沖編碼器又稱光電脈沖發(fā)生器,現(xiàn)在廣泛地被作為數(shù)控機(jī)床等設(shè)備的位置信息反饋元件。最常1用的兩相光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)原理可見文獻(xiàn)。這里要特別強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn):(1)編碼器輸出的A、B兩相矩形脈沖波是同一個光電盤上圓周等分明暗條紋的空間位置通過兩個處在不同位置的光敏三極管檢測后在時間軸上的映射;(2)A、B兩相矩形脈沖波是正交的,且共同攜帶光電盤角度位置信息和轉(zhuǎn)動方向信息。假設(shè)光電盤上的圓周等分條紋數(shù)為N,則被測對),光電脈沖編碼器的A、象旋轉(zhuǎn)一周(即360°B兩相分別發(fā)出N個脈沖。那么,A、B兩相的

5、脈沖當(dāng)量P可以寫為:(1)P=360°/N收稿日期:1999201214修改稿日期:1999206223通過一時鐘脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器記下P的數(shù)量,假定P的數(shù)量為n,則被測對象旋轉(zhuǎn)的角度可寫為:=nP(2)再假設(shè)在時間T內(nèi)P的增量為n,則被測對象旋轉(zhuǎn)的角速度可以寫為:=nP/T(3)通過上面的分析,可知光電脈沖編碼器工作在數(shù)字形式,可直接用于測量角位移和角速度,間接用于測量直線位移和直線速度。因此,要將編碼器作為位置反饋元件,其關(guān)鍵是要(3)式的解碼計(jì)數(shù)電路。對解有記錄(1)式和計(jì)算(2)、碼計(jì)數(shù)電路的要求是:(1)能夠根據(jù)A、B相脈沖的相位自動判別光電脈沖編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。(2)要有倍頻

6、功能,以便充分利用A、B兩相脈沖28儀表技術(shù)與傳感器1999年波共同攜帶的位置信息。(3)計(jì)數(shù)器應(yīng)是可逆的,且計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長度要有一定容量。(4)能實(shí)時以數(shù)字形式或模擬形式輸出位移或速度值,以適應(yīng)不同的需要。2倍頻和辨向的理論基礎(chǔ)A、B脈沖(波形見圖1:明條紋對應(yīng)1,暗條紋對應(yīng)0)共同編碼攜帶光電盤的轉(zhuǎn)向和位置信息,要將這兩種信息識別出來,其前提是要充分注意A、B是光電盤的空間位置在時間軸上的展開。顯然,對于只有A、B兩個訊號輸出的光電脈沖編碼器,m=2,故其最小角度計(jì)數(shù)當(dāng)量為P/4。這就是所謂的倍頻,即通過電路處理可使計(jì)數(shù)器頻率為其中一路訊號輸出頻率的m倍。212辨向設(shè)光電編碼盤的輸出信號經(jīng)

7、過倍頻后的最小脈沖當(dāng)量為J,則對于圓周上均布有N條條紋、m相輸出信號的編碼盤有:m(4)J=360°/N/2、,J都是矢量,即都是有以上討論的量,如P、方向的量,那么以“+”表示碼盤正轉(zhuǎn),以“-”表示碼盤反轉(zhuǎn)。下面以m=2時為例,討論J的符號取出問題:在圖1中,A、B輸出的訊號為An、B,且n,;J當(dāng)量時,即J的絕對值增1,這時n+,1;依次往下正轉(zhuǎn),An+2=0,Bn+2=1;An+3=0,Bn+3=0;An+4=An=1,Bn+4=Bn=0。同樣,當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時,對應(yīng)的A、B狀態(tài)變化為:An-1=0,Bn-1=0;An-2=1,Bn-2=0;An-3=1,Bn-3=1;An-4=A

8、n=1,Bn-4=Bn=0。圖1綜上分析,碼盤在轉(zhuǎn)動時,其A、B訊號狀態(tài)是按圖2所示的狀態(tài)循環(huán)的。211倍頻由圖1可知,由于A、B脈沖波對應(yīng)碼盤明暗條紋的空間位置,其脈沖的上升下降沿(這里,上升還是下降是由編碼盤的轉(zhuǎn)動方向決定的:正轉(zhuǎn)時的上升沿在反轉(zhuǎn)時就變成下降沿,反之則反)的相對位置是固定不變的,將A、B進(jìn)行邏輯半加,可以看出A B的邊沿永遠(yuǎn)不能重疊。該邊沿攜帶了碼盤的等分位置訊息,在一個P的距離之內(nèi),包含22有個邊沿,且邊沿之間的空間距離是相等的,也就是說一個P的距離被4等分了。這個距離的等分是由如下事實(shí)決定的:碼盤的明條紋寬度和暗條紋寬度是相等的;A、B光敏三極管之間的距離是明暗條紋寬度

9、的和的1/22,即P/4。由以上的討論可以得出以下結(jié)論:結(jié)論1:拾取A B脈沖的邊沿并計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值代表了碼盤轉(zhuǎn)過的角度,此時的計(jì)數(shù)角度的脈沖當(dāng)量為P/4。結(jié)論2:在碼盤等分條紋數(shù)不變的前提下,要想提高分辨率,即減小計(jì)數(shù)角度的脈沖當(dāng)量,唯一的途徑是增加檢測元件光敏三極管的個數(shù),即增加編碼器輸出訊號的數(shù)量;若輸出訊號的數(shù)量為m,則要求有m個光敏三極管,這m個光敏三極管之間的排列距離是mmP/2;這時,其角度計(jì)數(shù)當(dāng)量為P/2。圖2圖2中,Si(i=0,1,2,3)表示編碼盤輸出信號A、B的組合狀態(tài):S0表示A=1,B=1;S1表示A=0,B=1;S2表示A=0,B=0;S3表示A=1,B=0;由此可

10、知所謂轉(zhuǎn)向,就是A、B訊號狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,且狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是唯一的。當(dāng)A=1,B=1時,若正轉(zhuǎn),其下一個A、B訊號狀態(tài)肯定是A=0,B=1;若反轉(zhuǎn),其下一個A、B訊號狀態(tài)肯定是A=1,B=0。因此,根據(jù)A、B訊號狀態(tài)循環(huán)圖就可以決定J的符號。為方便起見,重新規(guī)定:無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),A、B的當(dāng)前狀態(tài)(即現(xiàn)態(tài))為An、Bn,A、B的下一個狀態(tài)(即次態(tài))為An+1、Bn+1.對照圖3,列出各種情況下J的符號如下表:第10期表1AnBnAn+1Bn+1元器件與應(yīng)用29J的符號1(1)hsi.0作為A B的邊沿檢測器。hsi.0工作在事件觸發(fā)中斷狀態(tài),且正負(fù)邊沿都進(jìn)行觸發(fā);hsi.0中斷級別應(yīng)設(shè)定為最高。(

11、2)P014、P015、P016作為A、B、Z的狀態(tài)輸入口。(3)PWM口輸出模擬量,指示光電脈沖編碼器的旋轉(zhuǎn)速度。(4)串行口可以和其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊,以輸出速度數(shù)字量或計(jì)數(shù)數(shù)字量,也可以串行Z輸出數(shù)字量供LED進(jìn)行實(shí)時顯示。(5)P2。(6),如:由用戶。1KC的軟件應(yīng)具有如下功能,hsi.0的上升或下,這保證了對所有A B信號正負(fù)邊沿的拾取;(2)根據(jù)需要指定3字節(jié)或任意個字節(jié)片內(nèi)寄存器作為計(jì)數(shù)器;(3)當(dāng)中斷發(fā)生時,中斷服務(wù)程序應(yīng)立即讀入A、B的當(dāng)前狀態(tài)作為An+1、Bn+1,并根據(jù)表1計(jì)算出J的符號,然后根據(jù)J的符號對用于計(jì)數(shù)的寄存器進(jìn)行加J或減J運(yùn)算,最后保存A、B的狀態(tài)作為A

12、n、Bn以供下次中斷計(jì)算符號使用;這保證了計(jì)數(shù)脈沖矢量和的正確性;(4)單片機(jī)的主程序即在非中斷狀態(tài)時可根據(jù)需要將計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工后從串行口、PWM或并行口輸出。由以上討論又可以得出以下結(jié)論:結(jié)論3:為了辨向,必須有m2;脈沖倍頻是辨向信號的副產(chǎn)品;結(jié)論4:為了避免誤計(jì)數(shù),J必須是單位矢量。在進(jìn)行倍頻和辨向后,將矢量脈沖當(dāng)量J進(jìn)行簡單代數(shù)累加,即得增量式編碼盤的絕對轉(zhuǎn)動位移量,這個位移量的取得是使用編碼盤的唯一目標(biāo),由結(jié)論4可知,當(dāng)碼盤在某一位置發(fā)生振幅為|nJ|其累加和不變。23基于80196KC動位移量,、辨向和累加電路。這可以由時序邏輯電路組成計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),并且已經(jīng)有了較好的倍頻和辨向

13、電路1。根據(jù)實(shí)際使用的要求,該計(jì)數(shù)器要有24位二進(jìn)制以上的計(jì)數(shù)長度,且能可逆計(jì)數(shù)。如果采用一般的集成電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù),將有體積龐大、功能單一等不盡人意的地方;市場上出售的大規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器也只能單向計(jì)數(shù)816位,難以滿足實(shí)際的計(jì)數(shù)要求。采用單片機(jī)作為載體,以硬件和軟件相結(jié)合的辦法,實(shí)現(xiàn)光電脈沖編碼器的計(jì)數(shù),能大幅度提高計(jì)數(shù)電路的性能。由80196KC單片機(jī)組成的光電脈沖編碼器計(jì)數(shù)電路原理如圖3所示:4總結(jié)用80196KC作為計(jì)數(shù)器有以下優(yōu)點(diǎn):(1)由于采用80196KC內(nèi)部寄存器作為軟件計(jì)數(shù)器,因此計(jì)數(shù)器的長度沒有限制,可設(shè)定為任意長度字節(jié)。(2)計(jì)數(shù)器的倍頻、辨向、計(jì)數(shù)全部由軟件實(shí)現(xiàn),不可能出

14、現(xiàn)抖動誤計(jì)數(shù)問題。(3)計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出靈活多樣,既可輸出角度位移,也可在作簡單計(jì)算后輸出速度或其他用戶特殊要求的量。(4)由于系統(tǒng)硬件簡單,沒有電阻、電容等模擬量元件,加上單片機(jī)本身具有的高品質(zhì),因此計(jì)數(shù)器體積小、價格低,且使用靈活,可靠性、實(shí)用性大大提高。和任何計(jì)數(shù)器電路一樣,該計(jì)數(shù)器對A、B兩訊號圖330儀表技術(shù)與傳感器1999年輸出的最高頻率,即碼盤的最高轉(zhuǎn)速有一定限制。這機(jī)碼盤的速度要求。該計(jì)數(shù)器已經(jīng)用在作者研制的3是由80196KC的中斷服務(wù)程序執(zhí)行時間長度決定的?！敖涣鳟惒诫姍C(jī)驅(qū)動的數(shù)控鍵槽銑床”控制系統(tǒng)中,如果不注意這一點(diǎn),造成中斷響應(yīng)不及時,將造成計(jì)數(shù)經(jīng)長期在工廠使用,證明性能

15、良好。脈沖的丟失。本文討論的編碼盤計(jì)數(shù)電路,可以不加改動地用假設(shè)中斷服務(wù)程序的最大執(zhí)行時間為t,在一個于增量式直線光柵的絕對位移計(jì)數(shù)中。P內(nèi)要中斷4次,則A或B脈沖的輸入頻率famax=t);根據(jù)筆者使用實(shí)踐,當(dāng)80196KCfbmax=1/(4×ts,這時的時鐘為16MHz時,25(5)famax=fbmax=10000Hz100×10-6這樣,計(jì)數(shù)器每秒能計(jì)數(shù)10000次,能滿足一般電(上接第26頁)參考文獻(xiàn)版社,1995.3孫鈺,吳上生,金建新等.交流異步電機(jī)驅(qū)動的鍵槽銑床的自學(xué)習(xí)預(yù)報控制.中國機(jī)械工程,1996;7(12).這段程序的作用是:接入A3的傳感器信號被補(bǔ)

16、償?shù)販y量50次,轉(zhuǎn)換的結(jié)果以BCD格式加載到主工作寄存器FLAC,并將FLAC送液晶顯示。上述程序,個8位字節(jié)。雖然TSS2400的硬EEPROM尋址最大為2k4儀器功能、411圖2電路設(shè)計(jì)是極為精簡的,它可實(shí)現(xiàn)如下功能:(1)由于軟件的補(bǔ)償功能,所選用的傳感器可以是一個非校正的鉑電阻溫度傳感器;(2)全標(biāo)尺非線性±1±1125LSB,通過補(bǔ)償和校正,可確保12位A/D轉(zhuǎn)換精度;(3)A/D轉(zhuǎn)換同SVDD比例相關(guān),典型的SVDD抑制比為-115LSB/V;(4)單端補(bǔ)償測量ADC轉(zhuǎn)換時間112s(典型);(5)溫度穩(wěn)定度0103LSB(典型)(6)傳感器用EEPROM電源可

17、程控,一枚112Ah的鋰電可使用5年;(7)電池供電帶來極高的抗干擾性能。412主要特點(diǎn)(1)量程比較寬廣EEPROM,EEPROM中,定期,再存貯新的滿足要求。4(1)工作電壓范圍:216515V;(2)工作溫度范圍:040;(3)功耗(VDD=3V):011AA(OFF方式);4(DONE方式);80A(ACTIVE方式,不進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換);300A(ACTIVE方式,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。5結(jié)論(1)從TSS4002S1的設(shè)計(jì)性能看到,最具特點(diǎn)也由于該儀器幾乎不存在普通傳感器的非線性范圍,因此量程比可調(diào)整到1001以上,也就是說,用一臺傳感器即可覆蓋多臺傳感器的量程。(2)精確度高可以達(dá)到±011%的精確度。(3)溫度特性好由于傳感器已經(jīng)以對應(yīng)環(huán)境變化的固有特性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了補(bǔ)償運(yùn)算,從而使傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。(4)具有靈活性和通用性是最關(guān)鍵的在于它的高精度、超低功耗和編程效率、極高的宏編程語言。采用宏編程序用戶在幾天甚至幾小時開發(fā)一個應(yīng)用程序是很實(shí)際的。(2)由于TSS4002S