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高可靠性增量式光電編碼器接口電路設(shè)計高可靠性增量式光電編碼器接口電路設(shè)計蔣晶,蔣東方,高航(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,陜西西安710072)摘要:針對目前增量式光電編碼器辨向計數(shù)電路脈沖或抖動干擾抑制能力差的問題,提出了一種基于有限狀態(tài)機的編碼器接口電路設(shè)計方案,并給出了硬件實現(xiàn)。首先將光電編碼器輸出的A、B兩路信號在每個脈沖周期內(nèi)的電平變化細分為4個子段,總結(jié)出正、反向旋轉(zhuǎn)時A、B信號電平的正常變化規(guī)律,并引入有限狀態(tài)機方法進行描述;再利用狀態(tài)機機制,檢測出光電編碼器輸出的信號的各種有效、錯誤和無效狀態(tài),同時正確輸出轉(zhuǎn)速計數(shù)脈沖、旋轉(zhuǎn)方向、出錯報警3路信號,以滿足高準(zhǔn)確度和高容錯性計數(shù)的要求,增強角位置測量系統(tǒng)的可靠性;最后介紹了采用EPROM完成狀態(tài)機時序電路實現(xiàn)的具體方法。關(guān)鍵詞:角位置/速率測量系統(tǒng);增量式光電編碼器;辨向計數(shù)電路;有限狀態(tài)機;抖動抑制中圖分類號:TP212文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1000—8829(2009)02—000l一04AHighAccuracyInterfaceCircuitDesignforIncrementalPhotoelectricEncoderJIANGJing,JIANGDong—fang,GAOHang(CollegeofAutomation,NorthwesternPolytechniealUniversity,Xi’?。罚保埃埃罚玻茫瑁椋睿幔粒猓螅簦颍幔悖簦海裕铮铮觯澹颍悖铮恚澹簦瑁澹螅瑁铮颍簦悖铮恚椋睿纾螅螅酰悖瑁幔螅欤铮鳎簦铮欤澹颍幔睿悖澹椋睿穑酰欤螅澹洌椋螅簦酰颍猓幔睿悖澹幔睿洌螅瑁幔耄椋睿纾颍铮簦幔簦椋睿纾澹颍颍铮颍颍澹辏澹悖簦椋铮睿澹椋螅簦澹洌椋睿悖酰颍颍澹睿簦椋睿簦澹颍妫幔悖澹悖椋颍悖酰椋簦妫铮颍椋睿悖颍澹恚澹睿簦幔欤穑瑁铮簦铩澹欤澹悖簦颍椋悖澹睿悖铮洌澹?,afinite—statemachinebasedencoderinterfacecircuitdesigneveryanditsimplementationisproposed.TheencoderoutputtedA,Bsignalswithinpulsecyclearearedividedintofoursub—segment,theirtranslatinglawsinpositiveandnegativerotatingdi—rectionextractedanddescribedwithfinite—statemachineatfirst.Latter,withhelpofstate—machine,normalencoderpulse,rotatedirection,errorstate/invalidstatearedetectedfromtheencodersignals.Threeoutputsig—nalsaregeneratedrespectivelyforsatisfyinghighaccuracyandhighen.ortolerancepulsecounting.angleposi—tionmeasurementrequirement.TheEEPROMbasedimplementationofthestate-machineisintroducedatlast.Keywords:angleposition/velocitymeasurementsystem;incrementalphotoelectricencoder;directionrecogni—tionandpulsecountingcircuit;finitestatemachine;shakingrejection光電編碼器是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的角位移或角速率測量傳感器,分為絕對式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器以體積小、價格低、精度高、響應(yīng)速做額外處理。A、B信號包含了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速率等信息。當(dāng)檢測對象旋轉(zhuǎn)時,同軸或關(guān)聯(lián)安裝的光電編碼器便會輸出A、B兩路相位相差900的數(shù)度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,應(yīng)用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速彰位移測量系統(tǒng)中,增量式光電編碼器更具優(yōu)越性。增量式光電編碼器一般輸出A、B、Z3路字脈沖信號。圖l給出了編碼器正反轉(zhuǎn)時A、B信號的波形及其時序關(guān)系,當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時A信號的相位超前B信號90。,如圖1(a)所示,反轉(zhuǎn)時則B信號相位超前A信號90。,如圖1(b)所示。A和B輸出的脈沖個數(shù)與被測角位移變化量成線性關(guān)系,因此,通過對脈沖信號。光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈z信號端輸出僅一個脈沖,故z信號主要用于同步或調(diào)零,一般不需收稿日期:2008—09—22脈沖個數(shù)計數(shù)就能計算出相應(yīng)的角位移。根據(jù)A和B之問的這種關(guān)系正確地解調(diào)出被測機械的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角位移/速率就是所謂的脈沖辨向和計數(shù)。脈沖作者簡介:蔣晶(198l一),男,湖北省孝感人,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域為智能儀器、光電傳感器與非接觸式測量技術(shù);蔣東方(1968一),男,湖北省漢川市人,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域為嵌入式系統(tǒng)、穩(wěn)定與隨動控制系統(tǒng)、微信號提純;的辨向和計數(shù)既可用軟件實現(xiàn)也可用硬件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)嚴重占用CPU計算時間,故目前應(yīng)用上更多地采用硬件方法,也就是使用辨向和計數(shù)接口電路。高航(1983一),男,河北省石家莊市人,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域為穩(wěn)定與隨動控制系統(tǒng)、集成測試與控制系統(tǒng)。目前,增量式光電編碼器常見的接口電路一般都萬方數(shù)據(jù)?2.====::::::=:=============================================================================================《測控技術(shù))2009年第28卷第2期器等(a)正轉(zhuǎn)(b)反轉(zhuǎn)圖1編碼器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)波形是根據(jù)A或B信號在一個脈沖周期中的某一特定跳變沿時刻另一個信號的電平高低來進行辨向和計數(shù)的¨qJ。這些方法抗干擾能力較差。一旦因外界干擾引起A、B相的錯誤跳變,方向判斷就極易出錯H1,從而引起位置計數(shù)器的錯誤計數(shù)。此外,如果光電編碼器在A或B相信號的跳變沿位置來回旋轉(zhuǎn)(對應(yīng)0轉(zhuǎn)速附近旋轉(zhuǎn)方向的反復(fù)切換),則盡管被測機械沒有角位移積累,而這種抖動卻可以在A或B信號端產(chǎn)生很多個跳變沿,使得位置計數(shù)器連續(xù)地計數(shù)而造成嚴重的計數(shù)錯誤舊’3J,而且這類錯誤在現(xiàn)有的接口電路中沒有設(shè)置報警指示,因而影響位置控制等實際應(yīng)用。針對以上問題,介紹了一種基于有限狀態(tài)機的增量式光電編碼器辨向和計數(shù)接口電路,解決現(xiàn)有的一些接口電路中存在的抗噪聲干擾和消除抖動影響能力差的問題。并介紹采用EPROM實現(xiàn)有關(guān)時序電路的方法郾】。1有限狀態(tài)機設(shè)計從圖1不難看出,信號跳變沿是A和B兩路信號的電平變化次序,則可以克服以上問題。如圖l(a)所電平為高、信號B電平為低這種狀態(tài),則編碼器正轉(zhuǎn)將A、B兩路信號電平的變化次序用有限狀態(tài)機萬方數(shù)據(jù)圖2有限狀態(tài)機圖中,eA、eB是狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件,表示A、B兩相輸入信號的當(dāng)前電平,用“0”表示低電平,用“1”表示高電平。PT是脈沖輸出信號,F/R是轉(zhuǎn)動方向輸出信號。F/R=1和F/R=0分別表示正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。S0一S8為不同的狀態(tài)。記起始狀態(tài)為S0,不失一般性,設(shè)F/R=0。圖中虛線將平面區(qū)域分成4個象限,上下兩(F/R=1為正轉(zhuǎn),F/R=0為反轉(zhuǎn)),當(dāng)編碼器從初始態(tài)向一個方向轉(zhuǎn)動并轉(zhuǎn)過一個脈沖周期對應(yīng)的角度時,只有A、B兩相構(gòu)成的狀態(tài)切換按正確次序循環(huán)一圖3(a)中給出了編碼器正轉(zhuǎn)時A相信號在t。時圖3(b)中給出了正轉(zhuǎn)時A相信號在上升沿處來So時對A、B的記憶電平均為0,且Error=0,PT=0,個半?yún)^(qū)分別表示編碼器反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況關(guān)鍵參考時刻點,而短脈沖型干擾很容易引入虛假的跳變沿,從而導(dǎo)致位置或速率計數(shù)錯誤。若將這里對A、B兩相信號的跳變沿檢測改為采樣A、B兩相信號周,即反轉(zhuǎn)時狀態(tài)轉(zhuǎn)移次序為s0_+S1_+S2_+s3_s4,正轉(zhuǎn)時狀態(tài)轉(zhuǎn)移次序為S0-+S5一S6一s7一S8,接口電路才輸出一個轉(zhuǎn)角脈沖(PT=1),同時將S4或S8視作下一個脈沖周期起始狀態(tài)。按照圖2的狀態(tài)機設(shè)計,在每個輸入脈沖周期內(nèi)的任何時刻出現(xiàn)噪聲干擾或抖動都不會使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移到第二象限,也就不會有計數(shù)信號的輸出,從而可達到干擾抑制的目的。1.2噪聲和抖動干擾抑制原理示,當(dāng)光電編碼器正轉(zhuǎn)時,編碼器輸出的A相信號超前B相。在一個脈沖周期內(nèi),A、B兩相信號共經(jīng)歷4個階段,對應(yīng)4種狀態(tài)。在圖l(a)中‘l、t2、t,、t。時刻點能依次檢測到這4種狀態(tài)。若用“10”表示信號A刻受噪聲干擾而出現(xiàn)一個正向跳變沿的情況。若采用常見的簡單計數(shù)方法,則會在t。時刻檢測到A相的上跳沿,B相為低電平,計數(shù)器將進行加1操作,從而導(dǎo)時在一個脈沖周期內(nèi)A、B兩相對應(yīng)的狀態(tài)變化次序為:00一+10—1l枷1。當(dāng)光電編碼器反轉(zhuǎn)時,一個脈沖周期內(nèi)A、B兩相對應(yīng)的狀態(tài)變化為:00_+01_÷11_+致計數(shù)錯誤。若采用上節(jié)介紹的方法,t。時刻前后A、B信號電平的采樣情況為00一lO—00,從圖2的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中可以看出,t,處的干擾將使?fàn)顟B(tài)機在狀態(tài)S0lO。只有依次經(jīng)歷這4種狀態(tài),才表示被測機械轉(zhuǎn)動了一個光電脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角。當(dāng)編碼器和線路受到干擾或出現(xiàn)故障時,A、B信號的電平狀態(tài)將不同于以上兩種變化次序,即可判斷為出錯或有干擾,可以進行適當(dāng)?shù)奶幚恚保庇邢逘顟B(tài)機設(shè)計和s5之間轉(zhuǎn)移一次又回到S0,不能到達S4或S8,也就不會有計數(shù)信號的輸出。其他時刻出現(xiàn)噪聲干擾而被抑制的原理與此類似?;囟秳拥那闆r,按照其他計數(shù)接口設(shè)計方法,在£。到t:間會檢測到A相信號的許多上升沿跳變,而B相信號始終保持低電平,位置計數(shù)器將進行多次加1操作,導(dǎo)來描述,該有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。高可靠性增量式光電編碼器接口電路設(shè)計致位移測量計數(shù)錯誤。若采用本方法,在時刻t。到t:間的電平采樣值為:00—10—00—10—00—10一00……,對比圖2發(fā)現(xiàn)抖動過程中電路的狀態(tài)始終在So和S5間轉(zhuǎn)移,不能到達s4或S8,即不能完成完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)移周期,因此不會有計數(shù)信號輸出,也就可以消除抖動引起的計數(shù)錯誤。沁nf鬯?濺n玉里:廠]娶?。椋颍荩妗#辏。ǎ幔┰肼暩蓴_波形(b)抖動干擾波形圖3噪聲和抖動干擾波形2有限狀態(tài)機的電路實現(xiàn)2.1狀態(tài)編碼辨向和計數(shù)接口電路有兩路輸入信號,即來自光電編碼器的輸出信號A和B;輸出信號有3路,分別為PT、F/R、Error。此電路工作狀態(tài)數(shù)為9,要實現(xiàn)完全狀態(tài)編碼,需要采用四位二進制數(shù)。若用四位編碼中的高兩位(x,x:)反映PT、F/R的電平信息,低兩位(x,x。)反映上一采樣時刻A、B信號電平的相關(guān)信息。則圖2中的狀態(tài)編碼分別對應(yīng)為:SO:0000,S1:0001,s2:0011,S3:0010,s4:1000,s5:0110,S6:0111,s7:0101,s8:1100。值得注意的是,由于四位二進制數(shù)可編碼16種狀態(tài),這里只用到了其中的9種,其他7種,如:1010、0100等應(yīng)視為無效狀態(tài),在進行時序電路設(shè)計時,需對這7種無效狀態(tài)設(shè)計相應(yīng)的處理機制,以解決電路的自啟動問題。2.2電路實現(xiàn)為了簡化硬件電路并提高設(shè)計靈活性,可采用EPROM和鎖存器來設(shè)計有限狀態(tài)機時序電路。EPROM不妨選用Intel27512,觸發(fā)器選用741s273八位D鎖存器。因?qū)嶋H電路的最大狀態(tài)數(shù)為9,故只需使用八位鎖存器中的4位。具體的邏輯電路如圖4所示。圖4邏輯電路圖圖4中CP信號是采樣時鐘,用以控制接口電路萬方數(shù)據(jù)?3?對輸入的A、B兩路信號進行采樣。接口電路的輸出就是上文指出的PT、F/R和Error3路信號。因為在一個信號周期內(nèi)需對A、B兩相信號進行至少4次采樣才能準(zhǔn)確跟蹤A、B信號的電平變化情況,所以這里的采樣時鐘cP的頻率厶應(yīng)大于光電編碼器輸出脈沖最大頻率L的4倍。較高的厶對電路的可靠性是有利的,但需要考慮EPROM的讀寫時間和輸出計數(shù)脈沖信號脈寬的問題。因CP信號的周期不能小于EPROM的讀寫時間,同時以上電路輸出的胛脈沖的高電平寬度(脈寬)與CP的周期相等,故一般情況下選擇厶=夥.眥較為合適。圖4中EPROM的地址與編碼數(shù)據(jù)如表l所示。表1EPROM編碼表表1中A,、A。反映A、B信號的輸入電平;A?!粒撤从常挠|發(fā)器的輸出電平,為D觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài);D。一D,為D觸發(fā)器的下一個輸入,反映了D觸發(fā)器的次態(tài);現(xiàn)態(tài)和次態(tài)在表中分別用s。和S。+。表示;“E”表?4?示A、B輸入有誤,D。為錯誤標(biāo)志位。2.3出錯和無效狀態(tài)處理①錯誤情況處理。從圖l可以看出,編碼器正常工作時,在一個脈沖周期內(nèi)A、B兩相信號兩個相鄰時刻的電平采樣值最多有一相不同,當(dāng)A、B兩相信號的同時跳變就意味著此時編碼器的輸出有誤,為了避免這種錯誤對正常計數(shù)的影響,必須對這種錯誤情況進行處理。當(dāng)觸發(fā)器處于狀態(tài)s4或S8時,如果編碼器出現(xiàn)錯誤輸出即A、B都為高電平時(表1中地址單元38H和3CH),置觸發(fā)器次態(tài)為s0,其他時刻出錯則保持觸發(fā)器當(dāng)前狀態(tài)不變,忽略掉因干擾引起的編碼器錯誤輸出的影響,同時使Error有效。②無效狀態(tài)處。無效狀態(tài)對應(yīng)的地址單元中的數(shù)據(jù)編碼,必須設(shè)置為一種有效狀態(tài),否則電路可能無法自啟動,在這里將這些單元中的D。位置1,即Error端輸出有效,其余位全部置0,使觸發(fā)器返回初始態(tài)S0。這里也可根據(jù)需要采用未使用的輸出位(如D,)作為無效狀態(tài)報警,將編碼器輸出錯誤報警和出現(xiàn)無效狀態(tài)報警加以區(qū)分,以便進行不同的報警處理。實驗中采用美國EPC公司的755A光電編碼器,每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為1024,觸發(fā)時鐘頻率選擇約為8倍的編碼器輸出頻率。使用波形發(fā)生器對編碼器輸出信號加入脈沖干擾,通過PXl6251數(shù)據(jù)采集卡對接口電路的輸入輸出信號進行采集,采集結(jié)果如圖5所示,圖5(a)為在A相信號加入脈沖干擾后的波形,圖5(b)為編碼器輸出的計數(shù)和方向信號。可以看出,加入的脈沖干擾對計數(shù)沒有影響。抖動干擾的實驗情況與此類似,但在編碼器換向時方向信號F/R的變化會存在一定的延時(延時不超過一個如:編碼器在正轉(zhuǎn)到狀態(tài)S7時換向,只有當(dāng)編碼器反信號B:…一(a)信號A:一加入脈沖噪聲后的A/B信號輸入波形萬方數(shù)據(jù)《測控技術(shù)》2009年第28卷第2期(b)電路輸出波形圖5加入脈沖干擾后電路輸入輸出波形圖并不影響正確計數(shù),因為此時無計數(shù)信號輸出。實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計的接口電路對脈沖和抖動干擾抑制的有效性,在后續(xù)的工作中還可以進一步引入z信號,對換向時F/R信號延時的問題進行補償。結(jié)束語通過對A、B信號每個周期電平變化的采樣及其規(guī)律的分析,設(shè)計了合理的有限狀態(tài)機和相應(yīng)處理機制,實現(xiàn)了對各種因干擾或其他因素引起的錯誤和無受噪聲干擾和消除抖動影響能力差的問題,增強了接口電路的干擾抑制和容錯能力,而且電路實現(xiàn)更為簡參考文獻:[1]胡超,方剛,王耀.增量式位移傳感器信號的計算機檢測[J].計量學(xué)報,1997,18(4):50—54.[2]朱燦焰.增量式光電編碼器克服抖動干擾的方法[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,1997,14(1):3—7.[3]張九才,王文祥,等.增量式編碼器抖動性研究[J].自動化儀表,2005,26(10):41—42.[4]H6bertB,Brdl6M,andDessaintLA.Ahi:ghefficiencyin-teffaeeforbiphaseincrementaleneoderwitherrordetection[J].IEEETrans.Ind.Electron,1993,40(I):155—156.[5]容文杰.一種基于EPROM的時序電路設(shè)計方法及應(yīng)用[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,1998,11(4):39—44.[6]Galv6nE,TorralbaA,FranqueloLG.ASICimplementationofadigitaltachometerwithhishprecisioninawidespeedrange[j].IEEETrans.Ind.Electron,1996,43(6):655—660.劉常澍.?dāng)?shù)字邏輯電路
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