基于FPGA+DSP的海德漢編碼器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

基于FPGA+DSP的海德漢編碼器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)的控制是其重要組成部分。編碼器作為電機(jī)角位移的檢測裝置，為系統(tǒng)提供重要反饋信號(hào)。本文介紹了一個(gè)適合嵌入式系統(tǒng)的基于DSP和FPGA的海德漢光電編碼器信號(hào)處理通用模塊，能夠測量和處理海德漢公司的高精度增量式編碼器信號(hào)和采用EnDat2.2雙向數(shù)字接口的絕對(duì)式編碼器信號(hào)。經(jīng)使用者的簡單操作，模塊適用于不同位數(shù)、不同類型的海德漢編碼器。該模塊通過實(shí)驗(yàn)、調(diào)試與測試，能有效快速工作，目前已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)臺(tái)中。引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多，特別是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、軍事工程和現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域不可缺少的部分。因而，自動(dòng)控制元件如作為動(dòng)力裝置的各種電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和作為信號(hào)變換的各種控制電機(jī)在各種控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，不僅需要控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要反饋裝置。因此，編碼器作為電機(jī)的角度、速度、方向的檢測裝置，也得到了廣泛的應(yīng)用。編碼器又有旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器和光電編碼器。其中，光電編碼器精度高,抗干擾能力強(qiáng),接口簡單,使用方便,因而獲得了最廣泛的應(yīng)用[1]。光電編碼器按編碼方式又主要有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩大類，前者具有分辨率高、價(jià)格較低、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)，然而在當(dāng)今工業(yè)中，無掉電記憶功能又對(duì)其應(yīng)用構(gòu)成了很大局限；后者結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、接口數(shù)字化、抗干擾能力強(qiáng)、具有掉電記憶功能，在應(yīng)用中也越來越受重視[2]。當(dāng)前市場上，德國海德漢公司的產(chǎn)品種類繁多，具有很好的品質(zhì)保證，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其在半導(dǎo)體和電子制造業(yè)等領(lǐng)域。海德漢光電編碼器占有很大市場份額，而與之相配套的解碼設(shè)備不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)臺(tái)使用的海德漢編碼器設(shè)計(jì)出了增量式和絕對(duì)式的通用數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊具有信號(hào)處理速度快、精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、應(yīng)用靈活廣泛、使用和調(diào)試方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能很好滿足使用需求。1海德漢編碼器概述1.1高精度增量式編碼器增量式編碼器是經(jīng)過光柵將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。其光柵由周期性刻線組成，通過計(jì)算自某點(diǎn)開始的增量數(shù)(測量步距數(shù))獲得位置信息。本模塊要測量的高精度海德漢增量式編碼器的光柵上還有刻有距離編碼參考點(diǎn)的軌道，加快參考點(diǎn)回零[3]。下圖1為某帶距離編碼的圓光柵。圖1帶距離編碼參考點(diǎn)的圓光柵（ERA4480）這些參考點(diǎn)彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離。已過三個(gè)參考點(diǎn)的兩個(gè)脈沖后，后續(xù)電子設(shè)備就能找到絕對(duì)參考點(diǎn)。1.2高精度絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制(格雷碼)或PRC碼對(duì)碼盤上的物理刻線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出，其每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的唯一的數(shù)字編碼，因而具有掉電記憶功能[4]。有時(shí)，通過位置編碼器獲得位置值的數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋環(huán)還需要編碼器提供一些附加值。為使系統(tǒng)具有更高可靠性，編碼器還需具有錯(cuò)誤檢測和診斷功能。海德漢公司的Endat2.2數(shù)據(jù)接口是一種適用于編碼器的雙向數(shù)據(jù)接口，可傳輸絕對(duì)式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。由于采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式它只需要4條線。數(shù)據(jù)傳輸保持與后續(xù)電子設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)同步。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型（位置值、參數(shù)或診斷信息等）通過后續(xù)電子設(shè)備發(fā)至編碼器的模式指令選擇[5]。2硬件設(shè)計(jì)本模塊采用了DSP和FPGA結(jié)合的工作方式。DSP主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，非常適合高密度、重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理。FPGA/CPLD器件一方面可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，非常適用于實(shí)時(shí)測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面物理機(jī)制和純硬件電路一樣，十分可靠，尤其是抗強(qiáng)電磁干擾。兩者結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，速度快且可靠性好[6]。根據(jù)方案功能需求，設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2硬件結(jié)構(gòu)圖圖中，模塊連接器為標(biāo)準(zhǔn)的DB15連接器，通過管腳配置，能相應(yīng)地與增量式編碼器和采用EnDat2.2接口的絕對(duì)式編碼器進(jìn)行信號(hào)交流。模塊的收發(fā)單元支持的是RS-485形式，差分信號(hào)和單端信號(hào)通過接口芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高對(duì)高精度增量式編碼器數(shù)據(jù)測量精度，需在同一個(gè)增量編碼器上安裝4個(gè)讀數(shù)頭，各自測量增量式編碼器數(shù)據(jù)，再合成得到位置值。這樣，板卡上讀取編碼器信號(hào)的接口設(shè)置有4個(gè)。FPGA芯片選用賽靈思公司Spartan-3AN系列的XC3S700An,logiccells為10476。實(shí)現(xiàn)：①對(duì)增量信號(hào)的計(jì)數(shù)和參考信號(hào)的采集，在進(jìn)行計(jì)數(shù)達(dá)到參考碼道的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行增量信號(hào)的清零；②對(duì)Endat2.2絕對(duì)式編碼器位置信號(hào)的采集；③在外同步時(shí)鐘上升沿到來前，保存計(jì)數(shù)處理，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM中，等待DSP讀取。本模塊選用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，主頻可達(dá)150MHz。TMS320F28335增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在保持了原有DSP芯片優(yōu)點(diǎn)如強(qiáng)大控制和信號(hào)處理能力、C語言編程效率等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，節(jié)省了代碼執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間[7]。F28335通過GPIO端口與XC3S700An連接有4