基于FPGA的高精度光電編碼器接口電路的設計_圖文

1、第卷年第期西北師范大學學報（自然科學版）（）基于的高精度光電編碼器接口電路的設計馬永杰，董秀娟，王軻（西北師范大學物理與電子工程學院。甘肅蘭州；，蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅蘭州）搐要：為了提高光電編碼器測量的精度。在內利用語言，采用自頂向下的設計方法。設計了一種高精度的光電編碼器接口電路。實現了鑒相、四倍煩、計數、鎖存并通過發(fā)送到機終端顯示等功能通過在下進行軟件仿真和在豫公司系列芯片上進行硬件測試，結果表明，該方案實現的光電編碼器的角位移測量精度可以提高倍關鍵詞：光電編碼器；語言；接口電路中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：卜（）一一一，（，。，）：，：卜；光電編碼器是通過光電轉換將輸出

2、軸上的機械幾何位移量轉換成一串脈沖或數字量的傳感器，在電機伺服控制系統(tǒng)中，它與電機同軸連接，常用來測量電機轉子的速度和位置通常，光電編碼器可分為絕對式和增量式兩種本文選用的是歐姆龍（一）增量式光電編碼器，它具有結構簡單、體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在高分辨率和大量程角速率、位移測量系統(tǒng)中更具優(yōu)越性由于增量式光電編碼器不具有計數和接口電路，本文設計了一個基于的高精度增量式光電編碼器的接口電路，具有硬件鑒相、四倍頻細分、計數，并將測量數據鎖存經過發(fā)送給顯示終端等功能；在運算處理之前用鎖存電路來消除硬件電路延時所可能引起的計數累計誤差，同時用編程時為了盡量消除電路中的毛刺現象

3、，使用狀態(tài)機克服純硬件數字系統(tǒng)控制不靈活的缺點，狀態(tài)切換時間短暫，響應速度快，提高了系統(tǒng)的可靠性收稿日期：；修改稿收到日期：基金項目：甘肅省自然科學研究基金計劃項目（）；甘肅省教育廳科研項目（昏）作者簡介：馬永杰（一），男，甘肅靈臺人，教授，博士主要研究方向為智能控制：西北師范大學學報（自然科學版）（）第卷接口電路總體方案設計增量式光電編碼器利用雙光柵疊柵條紋技術將空間位置進行光學放大，通過光電接收器輸出相位互差。的、信號及相基準相位信號、兩相信號的脈沖數標志碼盤軸所轉過的角度，根據、的相位關系判斷光電編碼器是正傳還是反（）編碼器正轉輸出轉選用的歐姆龍（一）增量式光電編碼器的、相每轉輸出個脈沖

4、，相輸出一個脈沖，相用于校正每轉編碼器產生的脈沖個數，進一步將誤差控制在每一轉之內，避免累積誤差的產生如圖所示，若相超前于相，對應正轉；若相超前于相，對應反轉光電編碼器輸出供電，其輸入先通過電容（）編碼器反轉輸出圖光電編碼器輸出信號器消除高頻噪聲的干擾，然后通過差分整形電路整塊、計數和結果鎖存模塊、通過發(fā)送到形，最后送入管腳，再由內部邏輯模塊處機顯示終端模塊個部分圖中是接口的理采集到的數據內部邏輯設計是接口電路全局時鐘，、是光電編碼器輸出的三相信的核心，如圖，主要包括信號鑒相、四倍頻模號經過差分整形電路整形之后得到的方波信號圖接口總體框圖光電編碼器接口電路在上的實現用一個觸發(fā)器實現鑒相，如圖所

5、示，仿真結果如圖所示光電編碼器正轉時，信號超前信號。，通過一個觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）輸出（波形）為高電平，（波形）為低電平，此時，計數器的為高電平，在采樣脈沖（，四倍頻后的結果）上升沿到來時加計數光電編碼器反轉時情況相反，信號超前。，觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）輸出（波形）為低電平，（波形）為高電平，此時，計數器的為高電平，在采樣脈沖（，四倍頻后的結果）上升沿到來時加計數定義是一個位的計數器，正反轉計數范圍是編碼器每轉一周同時也會輸出一個標記窄脈沖，可用于調零和對位和輸出的脈沖個數與被測角位移變化量成線性關系，因此，通過對脈沖個數計數就能計算出相應的角位移在中設計一個倍頻電路來提高光電編碼器的分辨率由于

6、在一個信號周期內相、相信號共經過次狀態(tài)轉換，即正轉時電平狀年第期馬永杰等：基于的高精度光電編碼器接口電路的設計圖接口頂層電路圖態(tài)是一一一，反轉時電平狀態(tài)是（；）實現倍頻，其中，一一，所以一個周期內至少要進行次采；，；，：一；采用全數字反饋樣才能準確地得到相信號和相信號的電平狀電路的設計方法，由于倍頻、鑒相電路設計在同一態(tài)變化情況，采樣時鐘的頻率至少大于光芯片上，一方面，芯片內部的門電路、觸發(fā)器的參電角度編碼器輸出脈沖最大頻率的倍，較數特性完全一致，能保證在相同轉速下四倍頻脈沖高的對于準確可靠采樣數據是有利的，能夠提信號的周期保持一致，另一方面，是板級芯高測量精度在本系統(tǒng)中，歐姆龍光電編碼器輸出

7、片，電路做在芯片內部，其抗干擾能力比分離器件的信號頻率為，采樣時鐘頻率為，有了很大提高同時，由于現場可編程，可以方便即采樣時鐘為輸出脈沖的倍，從而使光電編碼器實現對電路的重新設計或修改，增強了系統(tǒng)的靈活的角位移測量精度提高了倍性、通用性和可靠性如圖所示。相、相兩如圖所示，采用個觸發(fā)器鎖存輸入信相信號經個或門和個與門后輸出的正反向四倍號、的當前狀態(tài)及原狀態(tài)，通過（？：）頻計數脈沖和西北師范大學學報（自然科學版）（）第卷睜卜口婦膏圖鑒相、四倍頻電路仿真波形圖鑒相后的信號和，四倍頻后的信號串行鏈路上進行全雙工通信使用語言編和通過二選一選擇器（）后，程所需要的電路模塊，將功能集成到送到計數器分別進行正

8、反轉計內部，簡化了電路，避免了浪費數信號是采樣時鐘，用以控制接口電路對輸一次接收發(fā)送位數據位，波特率設為，人的、兩路信號進行采樣當上升沿到來所以要發(fā)送一個位的數據，要發(fā)送兩次，先發(fā)時，若為高電平，正轉計數“一）反低位再發(fā)高位設置發(fā)送器的分頻器系數為：之，當上升沿到來時，若為高電平，反轉（），其中板載時鐘是計數（）把要發(fā)送的數據先放在發(fā)送緩存器中，計數器工作時存在時間的延時，如果還未準備等待的引腳變?yōu)榈碗娖介_始發(fā)送數據，好就來讀取數據，讀取的數據將是錯誤的為了避顯示終端開始接收采集到的測量數據酒免錯誤，這里設計了一個數據鎖存電路的硬件電路主要由串口模塊、（）鎖存器的觸發(fā)窄脈沖比計數脈沖延時和組成

9、，電路如圖所示數據半個周期，當計數器未穩(wěn)定時，其輸出的數據不會從的端進入，經過進行電平通過鎖存器轉換后由串口模塊中的端進入，進行需要與上位機進行通信，選擇串并轉換后由數據總線進入的其他模塊（即，通數據處理后經由數據總線進入串口模塊，用異步收發(fā)器）的孓接口標準規(guī)范，在其中進行并串轉換后由端輸出到是廣泛使用的串行數據傳輸協(xié)議，允許在中，經電平轉換后由昏的端輸出圖硬件電路圖仿真波形結束語鑒相、四倍頻、計數、鎖存、等功能模塊在上實現，這里采用公司系列芯片，在下仿真，進行正反轉計數，仿真結果如圖所示本文設計了基于的高精度光電編碼器接口電路，將信號處理等大量功能集成在中進行處理，將待測量數據轉換成測量光電

10、編碼器旋轉的轉數和對應的角位移，經過四倍頻細分電路和鎖存電路提高了測量精度，實現了小型化集成化年第期馬永杰等：基于的高精度光電編碼器接口電路的設計一高頻率數據處理，并可與機或并行通訊參考文獻：”一。、豁。，觸，畦啊口山秘雛囅瓣弧赫麟簟瓤乓蟹。耋鋒懈毫疊麟毛礴，基一氛毫肆轟鋒壁睪鑲蝴吣舢咖刪朋吣柵棚朋肌呻唧咖舢哪舢哪咖棚咖腑咖咖唧廣幾。門幾幾。幾廠門廣門幾；門；一：廠；。廠；門門。廠門；一門門門門門一：廣。門門廠門門。：；：；：！，；：?。海唬。?；?。海唬?；：！：八：八廣：八八：八：幾八九訂幾：丌丌。門；訂：門玎；訂九；。幾八八：幾幾廠幾訂日門日口幾丌幾九八八八八幾門門九門幾門九門固匹匹（互題×旺嘲】：；一）圖正反轉計數仿真波形圖陳贊，趙興國基于總線的單圈絕對式光電軸角編碼器實時數據采集系統(tǒng)光子學報，。（）：卜李海平，孔祥成的設計與實現中國科學院研究生學報，（）：楊曉慧，楊旭系統(tǒng)設計與實例北京；人民郵電出版社，：孫延騰吳艷霞，顧國昌基于語言的參數化設計方法計算機工程應用。（）：高曉青，楊瑞峰基于的總線串口卡設計電子技術應用，（）：（責任編輯馬宇鳩）（上接第頁）