基于MSP430F149單片機的光電編碼器位置檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、基于MSP430F149單片機的光電編碼器位置檢測系統(tǒng)設(shè)計 更新于2011-10-18 05:09:57 文章出處:電子工程世界 德州儀器 MSP430F149 光電編碼器 位置檢測 在實際的工業(yè)位置控制領(lǐng)域中，為了提高控制精度，準確地對控制對象進行檢測是十分重要的。傳統(tǒng)的機械測量位移裝置已遠遠不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，而數(shù)字式傳感器光電編碼器,能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電脈沖輸出, 主要用于機械位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測，具有精度高，體積小等特點，因此決定采用光電編碼器進行位移檢測。 美國TI公司推出的MSP430系列16位單片機，具有低功耗，運行速度快等優(yōu)點，正日益得到廣泛的應(yīng)用。本文將高精度M

2、SP430單片機應(yīng)用在系統(tǒng)中，作為整個系統(tǒng)的控制器，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強,滿足了鋼鐵廠的生產(chǎn)要求。1、光電編碼器原理 光電編碼器是集光、機、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，其基本原理就是在特制的碼盤上按一定規(guī)律編排光柵圖案，將這些圖案用光電頭讀取，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩陀行蚺帕械碾娖叫盘?。光電編碼器輸出信號為A , B , Z 3 個信號,其中A , B 為相位差90的方波信號, Z 為過零脈沖信號。如圖1所示，光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一周,A、B 相輸出同樣數(shù)量的脈沖, Z相輸出一個脈沖，脈沖的個數(shù)和電機旋轉(zhuǎn)角度，電機的運行距離成正比關(guān)系，因此通過計算脈沖數(shù)就能計算出電機在實際運行中所運行的距離。 A相、B

3、相都是光電編碼器產(chǎn)生的，這兩個信號的前沿和后沿都對應(yīng)著光電碼盤的1/4節(jié)距的信息。因此在實際中為了提高光電編碼器的定位精度通常采用四倍頻 方法進行處理。鑒相就是通過分析圖1的A相，B相信號，得出電機的旋轉(zhuǎn)方向。如果A相脈沖超前B相90，說明電機正轉(zhuǎn)，如果B相脈沖超前A相脈沖90，說 明電機反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計了一種四倍頻電路，其原理圖如圖2所示，相應(yīng)的時序圖如圖3所示。由時序圖3可以看出，A和B信號經(jīng)四倍頻電路后，輸出信號為 XA，XB兩個信號，在同一時刻，XA，XB只有一個是脈沖信號，另一個是高電平。因此，將XA，XB兩個信號連接到單片機相應(yīng)的端口上，對這兩個信號分 別進行判斷、計數(shù)和計算，就可

4、以得出相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)向和位移量。 2、系統(tǒng)功能 系統(tǒng)框圖見圖4。整個系統(tǒng)主要由差動隔離整形，倍頻電路，鑒相計數(shù)模塊，主控芯片，通訊模塊，數(shù)顯模塊組成。光電編碼器選用SIEMENS公司的 1XP8001-1型號，輸出電壓為5V。從光電碼盤輸出的A，B，A,B經(jīng)過差動隔離整形模塊后能減少現(xiàn)場對信號產(chǎn)生的干擾，尤其是共模干擾，處理 后的信號經(jīng)四倍頻電路后連到主控芯片，對脈沖進行計數(shù)，處理，計算，得到被控對象的位移結(jié)果。位移結(jié)果一方面送數(shù)顯表顯示，另一方面可通過串口將位移結(jié)果 送到上位機，便于在上位機中進行統(tǒng)計，打印，綜合分析。 3、系統(tǒng)硬件組成3.1 、主控芯片及外圍電路 主控芯片我們采用MSP430

5、F149單片機，它具有處理能力強，運行速度快，功耗低等特點； 整個系統(tǒng)采用3.3V供電，本設(shè)計電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實現(xiàn)，該芯片能很好的滿足系統(tǒng)的要求，另外TPS76033芯片的封裝很小，又能節(jié)約PCB板面積。 復(fù)位電路采用MAX809STR芯片，復(fù)位電路可以采用R-C復(fù)位電路，但是使用復(fù)位芯要比使用R-C復(fù)位電路的可靠性高，因此我們就采用MAX809STR芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。 數(shù)顯電路采用LED顯示方式，MSP430具有豐富的I/O口資源，采用并行方式與LED連接非常方便，這種方式既能滿足現(xiàn)場的要求，又可以降低系統(tǒng)成 本。在單片機與數(shù)碼顯示連接時選擇P4.0P4.7引腳

6、用來輸出顯示數(shù)據(jù)，P2.1,P2.2,P2.3，P2.4引腳用來控制數(shù)碼管的選通狀態(tài)。3.2 、16位計數(shù)器 本次設(shè)計采用MSP430F149提供的計數(shù)器對倍頻后的XA,XB信號進行計數(shù)。MSP430F149提供了兩個16位的計數(shù)器，分別是 Timer_A,Timer_B，這是兩個用途非常廣泛的16位計數(shù)器，在設(shè)計中使用Timer_A計數(shù)器進行計數(shù)，將XA和XB兩個信號相或后與 Timer_A相連，即XA和XB相或后與P1.0引腳相連。無論電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器引腳上都有脈沖信號，都可進行計數(shù)。為了判斷電機的旋轉(zhuǎn)，使用 計數(shù)器的捕獲模塊對XA和XB信號進行方向判斷，Timer_A計數(shù)器中提供

7、有3個捕獲模塊，均可以滿足系統(tǒng)的需要。編碼器四倍頻電路輸出的XA信號與捕 獲模塊1相連，XB與捕獲模塊2相連，即XA信號同時與P1.2引腳相連，XB信號同時與P1.3引腳相連。捕獲模塊捕獲XA和XB信號的上升沿，通過程 序的判斷就可以判斷出電機的旋轉(zhuǎn)方向。3.3、 串行模塊 MSP430單片機使用RS-485協(xié)議與上位機進行通訊， RS-485改進了RS-232的缺點，傳輸速率可達到10MB/S,傳輸距離達1200米。由于MSP430輸出的是TTL電平，而RS-485串口卡 是485電平，因此需進行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX485芯片實現(xiàn)TTL電平與485電平之間的轉(zhuǎn)換。硬件連接使用USART

8、0串口，即連接時使用 P3.4,P3.5引腳與MAX485的相應(yīng)引腳相連。4、系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 系統(tǒng)采用C語言進行程序設(shè)計，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率。整個系統(tǒng)程序包括主程序，鑒相計數(shù)程序，顯示子程序，串行通訊程序幾個模塊組成。程序流程圖見圖。 主程序主要包括系統(tǒng)的初始化：對串口，計數(shù)器等硬件的初始化：計數(shù)值的讀取、處理、計算：調(diào)用顯示子程序，用于數(shù)據(jù)的顯示。 鑒相計數(shù)程序主要用于電機方向的判斷和計數(shù)脈沖值的處理。系統(tǒng)中電機方向的判斷是靠計數(shù)器中的捕獲模塊捕獲XA,XB信號來實現(xiàn)的。在程序中，設(shè)計一個寄 存器保存電機的方向，當電機正轉(zhuǎn)時，捕獲模塊捕獲XA信號有效，在中斷服務(wù)程序中將電機方向設(shè)為正轉(zhuǎn)標志。反之亦然，當電機反轉(zhuǎn)時，捕獲XB有效，將電機 方向設(shè)為反轉(zhuǎn)標志。在主程序中只需根據(jù)寄存器的值，就可知道電機的旋轉(zhuǎn)方向。為了防止計數(shù)器中正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的計數(shù)值發(fā)生混亂，每次捕獲發(fā)生時，在中斷服務(wù)程 序中都將計數(shù)器清零，重新計數(shù)，保證了電機換向后數(shù)據(jù)的準確性。 串行通訊模塊用于實現(xiàn)上位PC機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送。單片機可根據(jù)上位機的需要，將處理后的計數(shù)值上傳給上位機，用于統(tǒng)計，打印等。系統(tǒng)采用中斷方式 進行數(shù)據(jù)傳遞，在接受中斷服務(wù)程序中得到接受的上位機指令后，單片機就可將計數(shù)脈沖值，電機旋轉(zhuǎn)方向等數(shù)據(jù)通過發(fā)送端口向上位機發(fā)送。串