增量式光電編碼器計(jì)數(shù)與接口電路的設(shè)計(jì)

1、2007年第1期D設(shè)計(jì)分析esignandanalysis增量式光電編碼器計(jì)數(shù)與接口電路的設(shè)計(jì)費(fèi)偉中,沈建新,周勇(浙江大學(xué),浙江杭州310027)摘要:設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單且高精度的接口電路,實(shí)現(xiàn)了硬件鑒相、倍頻(提高精度)和計(jì)數(shù),可與微機(jī)或DSP并行通訊,并消除了硬件延時(shí)可能引起的錯(cuò)誤。關(guān)鍵詞:增量式光電編碼器;接口;計(jì)數(shù);鑒相中圖分類號(hào):TM38文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-7018(2007)01-0017-02DesignofCountingandInofIEncoderFEIzhong,ZHOUYongHangzhou310027,China)Abstract:interfacewa

2、sdesigned,inwhichphasedetection,enhancementofresolutionandcountingofwereallimplementedwithsimplehardware,andpotentialdataerrorduetopropagationtimedelayofthecounterwasremoved.Withtheinterface,amicrocomputerorDSPcaneasilyacquirethepositiondatafromtheencoderthroughaparallelport.Keywords:incrementalenco

3、der;interface;pulsecounting;phasedetection1引言光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常常用以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置與速度。光電編碼器分兩大類,即絕對(duì)式和增量式。絕對(duì)式光電編碼器具有與微機(jī)或DSP的接口,使用方便,但是價(jià)格高。增量式光電編碼器不具有計(jì)數(shù)和接口電路,一般是輸出A、B、Z脈1,2沖信號(hào),但是價(jià)格較低,因此比較常用。增量式光電編碼器的輸出信號(hào)往往直接連接到微機(jī)或DSP的計(jì)數(shù)器輸入端,由其軟件來(lái)鑒相和計(jì)數(shù),因此占用了微機(jī)的硬件資源和軟件執(zhí)行時(shí)間。當(dāng)微機(jī)運(yùn)行繁忙時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)漏計(jì)或誤計(jì)現(xiàn)象。市場(chǎng)上也有專用的光電編碼器計(jì)數(shù)與接口電路,但是價(jià)格昂貴,使用也比較復(fù)雜。

4、為此,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單且精度高的接口電路,具有硬件鑒相與計(jì)數(shù)功能,計(jì)數(shù)結(jié)果以并行口輸出,可與微機(jī)直接接口。在并行口之前還用鎖存電路來(lái)消除硬件電路自身的延時(shí)所可能引起的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤,減輕了后續(xù)微機(jī)的軟件負(fù)擔(dān)。光電編碼器的可利用的最高精度為4Nppr。A、B信號(hào)的相位關(guān)系體現(xiàn)了光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向。例如,當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),A超前B90°,如圖1b所示;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),B超前A90°。因此,鑒相35電路通過(guò)A、B的相位關(guān)系來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)方向,并且據(jù)此決定當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖出現(xiàn)時(shí)應(yīng)該對(duì)當(dāng)前計(jì)數(shù)值加1還是減1。圖1a中還用一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)鑒3相;并用一個(gè)異或門從A、B信號(hào)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖,起到

5、倍頻作用,所以精度是2Nppr,最大脈沖頻率為Nn/30Hz,其中n是轉(zhuǎn)速(r/min)。(a)原理電路(b)波形(順時(shí)針)圖1鑒相電路及其相應(yīng)波形2鑒相與計(jì)數(shù)電路增量式光電編碼器輸出A、B兩個(gè)互差90°的方波信號(hào),每轉(zhuǎn)一周每個(gè)信號(hào)輸出N個(gè)脈沖。所以,收稿日期:2005-12-12改稿日期:2006-03-06光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),信號(hào)A超前B90°(如圖1b所示),D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為高電平,Q(波形W2)為低電平,則下面的與非門開(kāi)通,計(jì)數(shù)器脈沖通過(guò)(波形W3),送至雙向計(jì)數(shù)器74HC193的加脈沖輸入端3,如圖2所示,進(jìn)行加法計(jì)數(shù);此時(shí)上面的與非門關(guān)閉,其輸出

6、為高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),情況相反。這里使用了四片74HC193實(shí)現(xiàn)16位計(jì)數(shù),所測(cè)得位置信號(hào)的范圍為02N-1(順時(shí)針?lè)较?,17或0(即65536)65537-2N(相當(dāng)于0-2N+1)增量式光電編碼器計(jì)數(shù)與接口電路的設(shè)計(jì)D設(shè)計(jì)分析esignandanalysis2007年第1期(逆時(shí)針?lè)较?,如圖3所示。編碼器每轉(zhuǎn)一周也會(huì)6a為計(jì)數(shù)脈沖(下波形)和鎖存器觸發(fā)脈沖(上波同時(shí)輸出一個(gè)標(biāo)記窄脈沖Z,Z用來(lái)同時(shí)重置所有的計(jì)數(shù)器,如圖2和圖3所示。圖2計(jì)數(shù)電路形)。計(jì)數(shù)脈沖的上升沿觸發(fā)74HC193計(jì)數(shù)器,但是此時(shí)鎖存器是封鎖的,這樣尚未穩(wěn)定的計(jì)數(shù)值不會(huì)通過(guò)。在計(jì)數(shù)脈沖的下降

7、沿,計(jì)數(shù)器早已穩(wěn)定,這時(shí)一個(gè)窄的正脈沖觸發(fā)鎖存器74HC573使得正確的計(jì)數(shù)結(jié)果保持在鎖存器的輸出口,供微處理器隨時(shí)讀取。圖6b為計(jì)數(shù)器加脈沖輸入端信號(hào)W3(下波形)和微機(jī)讀取計(jì)數(shù)結(jié)果后通過(guò)一個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形(上波形),當(dāng)光電編,計(jì)數(shù)結(jié)果增加,D;,3,計(jì)數(shù)結(jié)果減小,D/A輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的鑒相、計(jì)數(shù)和接口電路的正確性。(a)順時(shí)針(b)逆時(shí)針圖3計(jì)數(shù)流程圖63,每個(gè)計(jì)數(shù)器有約400ns的延時(shí),因此四個(gè)計(jì)數(shù)器可能沒(méi)有同時(shí)準(zhǔn)備好。當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖出現(xiàn)后要過(guò)400ns第一個(gè)計(jì)數(shù)器才準(zhǔn)備好后,1600ns后四個(gè)計(jì)數(shù)器才都準(zhǔn)備好。如果在這段時(shí)間內(nèi)微處理器讀取數(shù)據(jù),讀6取的數(shù)據(jù)將出

8、現(xiàn)錯(cuò)誤。例如,若當(dāng)前的數(shù)據(jù)為0FFF,這時(shí)增計(jì)數(shù)端出現(xiàn)一個(gè)脈沖,則計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)變化為:0FFF0FF00F0000001000,雖然這個(gè)過(guò)程只發(fā)生在1600ns內(nèi),但這段時(shí)間對(duì)微處理器而言是很長(zhǎng)的,如果此時(shí)讀取數(shù)據(jù)就有可能出現(xiàn)0FF0、0F00、0000等錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。為了避免該錯(cuò)誤的發(fā)生,這里設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存電路,如圖4所示。鎖存器的觸發(fā)窄脈沖E比計(jì)數(shù)脈沖W3或W4(上升沿有效)延時(shí)半個(gè)周期,且計(jì)數(shù)脈沖的半個(gè)周期須>1600ns,如圖5所示。這樣,當(dāng)計(jì)數(shù)器未穩(wěn)定時(shí),其輸出數(shù)據(jù)不會(huì)通過(guò)鎖存器。另外,圖4中也示出了微機(jī)讀取數(shù)據(jù)所需的并行口緩存電路。這里,鎖存和緩存均用74HC573實(shí)現(xiàn)。(a)

9、計(jì)數(shù)脈沖(下)和(b)計(jì)數(shù)器加脈沖信號(hào)(下)和結(jié)果鎖存器觸發(fā)脈沖(上)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的輸出波形(上)圖6實(shí)測(cè)波形5結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了增量式光電編碼器的一種簡(jiǎn)單且高精度的鑒相、計(jì)數(shù)和接口電路,可根據(jù)光電編碼器的轉(zhuǎn)向進(jìn)行遞增或遞減計(jì)數(shù),并可與微機(jī)或DSP直接進(jìn)行并行通訊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性。需要指出的是,本電路上電后,只有在出現(xiàn)一次Z脈沖之后檢測(cè)結(jié)果才正確。參考文獻(xiàn)1付旭東,付瀛,徐冰.位置檢測(cè)裝置-光電編碼器J.沈陽(yáng)電力高等?？茖W(xué)學(xué)報(bào),2002,(10):27292吳志剛.光電編碼器的原理與應(yīng)用J.浙江冶金,2001,2:50533Stargon.相對(duì)光電編碼器的鑒相和計(jì)數(shù)電路EB/OL.http:/J.自動(dòng)化儀表,2002,21(9):465肖本賢.一種提高轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍與精度的新方法J.自動(dòng)化圖4糾錯(cuò)與并行接口電路框圖儀表,1997,18(11):21236ShenJX.SensorlessControlofPermanentMagnetBrushlessDriversD.UniversityofSheffield,UK,2003:3136(a)