基于FPGA的光電編碼器四倍頻電路設(shè)計(jì)_圖文

1、 收稿日期:2006-11作者簡介:鈔靖(1983 , 女, 碩士研究生, 研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制等?；贔PG A 的光電編碼器四倍頻電路設(shè)計(jì)鈔靖, 王小椿, 姜虹(北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 北京100044摘要:分析光電編碼器四倍頻原理, 提出了一種基于可編程邏輯器件FPG A 對光電編碼器輸出信號倍頻、鑒相、計(jì)數(shù)的具體方法, 有利于提高被控對象的測量精度和控制精度。關(guān)鍵詞:FPG A; 光電編碼器; 四倍頻中圖分類號:TP212. 14文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1006-2394(2007 06-0017-02Fourfold Frequency M ulti pli ca ti

2、on C i rcu it D esi gn of I ncre m en t a lO pto 2electr i c Encoder Ba sed on FPGACHAO J ing, WANG Xiao 2chun, J I A NG Hong(Mechanical and Electrical Contr ol Engineering Depart m ent, Beijing J iaot ong University, Beijing 100044, China Abstract:This article researches on the incre mental op t o

3、2electric and analyze f frequency multi 2p licati on p rinci p le, it gives a method based on FPG A t o multi p ly the t encoder, dif 2ferentiates its phase and counts its nu mber, the contr on ol be heightened .Key words:FPG A; incre p licati on1引言光電編碼器是一種高精度的角位置測量傳感器, 由于其具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn),

4、被廣泛應(yīng)用于電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中。通常, 光電編碼器可分為絕對式和增量式兩種2。在數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)的位置檢測裝置中一般采用增量式光電編碼器, 將其安裝在電機(jī)軸的非負(fù)載端, 跟隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng), 其反饋信號則通過驅(qū)動(dòng)器傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器, 構(gòu)成對伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。本文根據(jù)四倍頻的基本原理, 利用可編程邏輯器件FPG A 設(shè)計(jì)了一種對于增量式光電編碼器的四倍頻電路, 其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠, 可提高被控對象的測量精度和控制精度。2四倍頻電路設(shè)計(jì)原理增量式光電編碼器實(shí)際上是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置, 它根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角度, 輸出一系列脈沖, 能將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖, 其輸出信號如圖1所示。A 、B 兩相信

5、號是相位相差90°的正交方波脈沖串, 每個(gè)脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度, A 、B 之間的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向, 即當(dāng)A 相超前B 相, 轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn); 當(dāng)B 相超前A 相, 轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)。Z 信號是一個(gè)代表零位的脈沖信號, 可用于調(diào)零、對位 。(a 編碼器正轉(zhuǎn)輸出 (b 編碼器反轉(zhuǎn)輸出圖1光電編碼器輸出信號對于每個(gè)確定的編碼器, 每轉(zhuǎn)過固定角位移, 就對應(yīng)一個(gè)脈沖信號, 故其量化誤差為/2。若將A 或B 信號四倍頻, 則在此角位移內(nèi), 就會產(chǎn)生4個(gè)脈沖信號, 其量化誤差下降為/8, 從而使光電編碼器的角位移測量精度提高4倍。由于伺服系統(tǒng)中編碼器的轉(zhuǎn)速具有不可預(yù)

6、見性, 造成脈沖周期T 具有不確定的特點(diǎn), 從而無法使用鎖相環(huán)等常用倍頻方案。詳細(xì)觀察圖1可發(fā)現(xiàn), 在脈沖周期T 內(nèi), A 、B 兩相信號共產(chǎn)生了四次變化, 盡管T 不確定, 但由于A 、B 兩相方波信號之間相位關(guān)系確定, 使這四次變化在相位上平均分布。712007年第6期儀表技術(shù) 圖4四倍頻、 鑒相及計(jì)數(shù)電路原理圖圖5四倍頻及鑒相電路仿真波形(下轉(zhuǎn)第21頁如果利用這四次變化產(chǎn)生四倍頻信號, 則可以實(shí)現(xiàn)光電編碼器測量精度的提高。分析發(fā)現(xiàn), 四倍頻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于鑒別出A 、B 信號的上升沿和下降沿。鑒別信號上升沿和下降沿的方法很多, 但其實(shí)質(zhì)都一樣, 其原理如圖2所示。輸入信號與其延時(shí)信號異或后

7、, 就可得到倍頻信號。而對于延時(shí)的處理方法也很多, 如圖3所示。微分型電路其信噪比小, 抗干擾性差, 積分型電路可以提高信噪比, 但和微分型電路一樣有致命的缺點(diǎn):當(dāng)輸入信號頻率高時(shí), 電容充放電不及時(shí), 導(dǎo)致輸出信號嚴(yán)重變形; 對于各路倍頻電路來說, 電阻和電容的參數(shù)不可能完全一致, 所以倍頻后的各路脈沖寬度不等, 而且寬度的調(diào)節(jié)也比較困難。本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)字型延時(shí)電路(寄存器延時(shí) 可以很好地克服以上延時(shí)電路的缺點(diǎn), 延時(shí)的時(shí)間和各路倍頻的脈沖寬度由時(shí)鐘控制, 倍頻后的脈沖寬度均勻一致 。(a 倍頻原理 b (a 微分型 (b 積分型 (c 數(shù)字型圖3延時(shí)電路3光電編碼器四倍頻電路設(shè)計(jì)在FPG

8、 A 中設(shè)計(jì)4倍頻、鑒相電路一般有兩種方法:一種是兩路輸出:一路輸出方向, 一路輸出脈沖; 另一種也是兩路輸出, 一路輸出正向脈沖, 一路輸出反向脈沖。本文采用的是后一種方法, 這種方法可以方便的利用FPG A 中參數(shù)化宏功能模塊庫LP M 中的計(jì)數(shù)器l pm _counter 對經(jīng)過倍頻、鑒相后的脈沖計(jì)數(shù)。如圖4所示, 這里我們采用4個(gè)D 觸發(fā)器鎖存輸入信號A 、B 的當(dāng)前狀態(tài)及原狀態(tài), CLK 為周期至少小于編碼器脈沖最小周期1/4的同步時(shí)鐘, 經(jīng)三個(gè)異或門和兩個(gè)與門后輸出的正反向四倍頻計(jì)數(shù)脈沖AOUT 及BOUT 的邏輯表達(dá)式為:AOUT=(Q n +11 Q n +14 &(Q

9、 n +11 Q n +14 (Q n +12 Q n +13 BOUT=(Q n +12 Q n +13 &(Q n +11 Q n +14 (Q n +12 Q n +13 其中:Q n +11=AQ n +13=BQ n +12=Qn 1Q n +14=Qn3如前所述, 這里通過(Q n +11 Q n +14 (Q n +12Q n +13這三個(gè)異或運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)4倍頻, 對應(yīng)的兩個(gè)與門用來實(shí)現(xiàn)鑒相。將經(jīng)過倍頻、鑒相后的脈沖信號作為l pm _counter計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號, 就可實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的計(jì)數(shù)。4仿真結(jié)果利用ALTERA 的開發(fā)工具M(jìn)ax +p lus , 輸入電路原理圖,

10、 編譯后仿真圖形如圖5所示, 仿真中CLK 周期為A 、B 。當(dāng)A 相超前B . . 0為編碼器正, DB 7. . 。利用DA 7. . 0與DB 7. . 0就可方便的實(shí)現(xiàn)編碼器的可逆計(jì)數(shù)。81儀表技術(shù)2007年第6期 4. 1壓縮比該算法將12bit 的波形采樣數(shù)據(jù)壓縮為6bit, 壓縮比為2。4. 2壓縮時(shí)間測井儀采用AT89C52單片機(jī), 工作頻率為16MHz, 單字節(jié)指令運(yùn)行時(shí)間為(1/16 ×12=0. 75s 。工作時(shí), 單片機(jī)在發(fā)送一個(gè)字的時(shí)間內(nèi), 大約可以執(zhí)行230條指令。除去發(fā)送和讀數(shù)的開銷, 還有160條指令的空余度。使用上述編碼壓縮一個(gè)字約需要130條單字節(jié)

11、指令(僅考慮壓縮和數(shù)據(jù)整理的開銷 , 滿足單片機(jī)的運(yùn)算能力要求, 能夠完成實(shí)時(shí)壓縮的要求。4. 3失真度的要求通過對采集的多個(gè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 使用本壓縮算法而造成的失真數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于7. 62%。由圖4的誤差曲線觀察(上面兩個(gè)波形分別為原始波形和解壓縮后的波形, 下面的波形為誤差曲線 , 失真度很小。我們已對部分測井資料采用該方法壓縮, 并由測井公司對其進(jìn)行資料解釋, 其結(jié)果符合使用要求 。圖46bit ADPC M 編碼從圖5可以看到普通的ADPC M 編碼無法阻止誤差的傳播(上面兩個(gè)波形為原始波形和解壓縮后的波形, 下面的波形為誤差曲線。為了能在圖中突出體現(xiàn)傳播效應(yīng), 加入誤碼時(shí)采取極端

12、措施, 在某一點(diǎn)處連續(xù)加入大量的大數(shù)值誤碼 , 圖6采用過零檢測后可以使誤差的傳播限制在一個(gè)很小的區(qū)間里, 但這是以犧牲壓縮率(增加一位極性位 為代價(jià)的 。圖5不帶過零檢測的ADPC M 編碼圖6帶過零檢測的ADPC M 編碼綜上, 采用過零檢測技術(shù)的6bit A DPC M (包括一位極性位 碼能夠?qū)崟r(shí)有效壓縮測井?dāng)?shù)據(jù), 并能夠抑制ADPC M 編碼的誤差傳播現(xiàn)象。參考文獻(xiàn):1吳樂南. 數(shù)據(jù)壓縮的原理和應(yīng)用M:電子工業(yè)出版, 1996.2, 卿. 片機(jī)原理及應(yīng)用:, 2002.3C M.北京:清華大學(xué)出版社, 1998. 4馬忠梅, 等. 單片機(jī)的C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大

13、學(xué)出版社, 1998.(許雪軍編發(fā)(上接第18頁 5結(jié)束語可以看出, 利用FPG A 設(shè)計(jì)光電編碼器信號處理模塊, 無論是設(shè)計(jì)過程, 還是電路結(jié)構(gòu)、都變得更加簡潔。另外, 在應(yīng)用中注意FPG A 的時(shí)鐘周期應(yīng)小于編碼器脈沖的1/4,只是通常FPG A 的時(shí)鐘已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于編碼器脈沖周期, 故在FPG A 中進(jìn)行處理與計(jì)數(shù)是沒有問題的。參考文獻(xiàn):1韓壯志, 李偉. 光電碼盤四倍頻分析J .自動(dòng)化與儀器儀表, 2000, (12 .2王立錦, 劉亞東, 焦讓, 朱逢吾. 磁旋轉(zhuǎn)編碼器四倍頻電路分析與集成化設(shè)計(jì)J .電子器件, 2005, 28(2 .3葉東, 周志煒, 張飚, 彭國茂. 基于FPG A 的多路光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J .傳感器與微系統(tǒng), 2006, 25(5 .4許永華, 李鋼. 數(shù)控機(jī)床中光電編碼器計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)J .制造計(jì)數(shù)與機(jī)床, 2000, (1 .5Rovati L, Bonaiuti M , Pavan P . Design of a high -per