增量式光電編碼器計數(shù)與接口電路的設(shè)計

1、2007年第1期D設(shè)計分析esignandanalysis增量式光電編碼器計數(shù)與接口電路的設(shè)計費偉中,沈建新,周勇(浙江大學(xué),浙江杭州310027)摘要:設(shè)計了一種簡單且高精度的接口電路,實現(xiàn)了硬件鑒相、倍頻(提高精度)和計數(shù),可與微機或DSP并行通訊,并消除了硬件延時可能引起的錯誤。關(guān)鍵詞:增量式光電編碼器;接口;計數(shù);鑒相中圖分類號:TM38文獻標識碼:A文章編號: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)代電機控制系統(tǒng)中常常用以檢測轉(zhuǎn)子的位置與速度。光電編碼器分兩大類,即絕對式和增量式。絕對式光電編碼器具有與微機或DSP的接口,使用方便,但是價格高。增量式光電編碼器不具有計數(shù)和接口電路,一般是輸出A、B、Z脈1,2沖信號,但是價格較低,因此比較常用。增量式光電編碼器的輸出信號往往直接連接到微機或DSP的計數(shù)器輸入端,由其軟件來鑒相和計數(shù),因此占用了微機的硬件資源和軟件執(zhí)行時間。當微機運行繁忙時,可能會出現(xiàn)漏計或誤計現(xiàn)象。市場上也有專用的光電編碼器計數(shù)與接口電路,但是價格昂貴,使用也比較復(fù)雜。

4、為此,本文設(shè)計了一個簡單且精度高的接口電路,具有硬件鑒相與計數(shù)功能,計數(shù)結(jié)果以并行口輸出,可與微機直接接口。在并行口之前還用鎖存電路來消除硬件電路自身的延時所可能引起的計數(shù)錯誤,減輕了后續(xù)微機的軟件負擔(dān)。光電編碼器的可利用的最高精度為4Nppr。A、B信號的相位關(guān)系體現(xiàn)了光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向。例如,當光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時,A超前B90°,如圖1b所示;逆時針旋轉(zhuǎn)時,B超前A90°。因此,鑒相35電路通過A、B的相位關(guān)系來判斷旋轉(zhuǎn)方向,并且據(jù)此決定當一個計數(shù)脈沖出現(xiàn)時應(yīng)該對當前計數(shù)值加1還是減1。圖1a中還用一個D觸發(fā)器實現(xiàn)鑒3相;并用一個異或門從A、B信號產(chǎn)生計數(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(順時針)圖1鑒相電路及其相應(yīng)波形2鑒相與計數(shù)電路增量式光電編碼器輸出A、B兩個互差90°的方波信號,每轉(zhuǎn)一周每個信號輸出N個脈沖。所以,收稿日期:2005-12-12改稿日期:2006-03-06光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時,信號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,則下面的與非門開通,計數(shù)器脈沖通過(波形W3),送至雙向計數(shù)器74HC193的加脈沖輸入端3,如圖2所示,進行加法計數(shù);此時上面的與非門關(guān)閉,其輸出

6、為高電平(波形W4)。當光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時,情況相反。這里使用了四片74HC193實現(xiàn)16位計數(shù),所測得位置信號的范圍為02N-1(順時針方向),17或0(即65536)65537-2N(相當于0-2N+1)增量式光電編碼器計數(shù)與接口電路的設(shè)計D設(shè)計分析esignandanalysis2007年第1期(逆時針方向),如圖3所示。編碼器每轉(zhuǎn)一周也會6a為計數(shù)脈沖(下波形)和鎖存器觸發(fā)脈沖(上波同時輸出一個標記窄脈沖Z,Z用來同時重置所有的計數(shù)器,如圖2和圖3所示。圖2計數(shù)電路形)。計數(shù)脈沖的上升沿觸發(fā)74HC193計數(shù)器,但是此時鎖存器是封鎖的,這樣尚未穩(wěn)定的計數(shù)值不會通過。在計數(shù)脈沖的下降

7、沿,計數(shù)器早已穩(wěn)定,這時一個窄的正脈沖觸發(fā)鎖存器74HC573使得正確的計數(shù)結(jié)果保持在鎖存器的輸出口,供微處理器隨時讀取。圖6b為計數(shù)器加脈沖輸入端信號W3(下波形)和微機讀取計數(shù)結(jié)果后通過一個10位的D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形(上波形),當光電編,計數(shù)結(jié)果增加,D;,3,計數(shù)結(jié)果減小,D/A輸出。實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計的鑒相、計數(shù)和接口電路的正確性。(a)順時針(b)逆時針圖3計數(shù)流程圖63,每個計數(shù)器有約400ns的延時,因此四個計數(shù)器可能沒有同時準備好。當一個計數(shù)脈沖出現(xiàn)后要過400ns第一個計數(shù)器才準備好后,1600ns后四個計數(shù)器才都準備好。如果在這段時間內(nèi)微處理器讀取數(shù)據(jù),讀6取的數(shù)據(jù)將出

8、現(xiàn)錯誤。例如,若當前的數(shù)據(jù)為0FFF,這時增計數(shù)端出現(xiàn)一個脈沖,則計數(shù)器數(shù)據(jù)變化為:0FFF0FF00F0000001000,雖然這個過程只發(fā)生在1600ns內(nèi),但這段時間對微處理器而言是很長的,如果此時讀取數(shù)據(jù)就有可能出現(xiàn)0FF0、0F00、0000等錯誤數(shù)據(jù)。為了避免該錯誤的發(fā)生,這里設(shè)計了一個數(shù)據(jù)鎖存電路,如圖4所示。鎖存器的觸發(fā)窄脈沖E比計數(shù)脈沖W3或W4(上升沿有效)延時半個周期,且計數(shù)脈沖的半個周期須>1600ns,如圖5所示。這樣,當計數(shù)器未穩(wěn)定時,其輸出數(shù)據(jù)不會通過鎖存器。另外,圖4中也示出了微機讀取數(shù)據(jù)所需的并行口緩存電路。這里,鎖存和緩存均用74HC573實現(xiàn)。(a)

9、計數(shù)脈沖(下)和(b)計數(shù)器加脈沖信號(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實測波形5結(jié)語本文設(shè)計了增量式光電編碼器的一種簡單且高精度的鑒相、計數(shù)和接口電路,可根據(jù)光電編碼器的轉(zhuǎn)向進行遞增或遞減計數(shù),并可與微機或DSP直接進行并行通訊。實驗結(jié)果驗證了本設(shè)計的正確性。需要指出的是,本電路上電后,只有在出現(xiàn)一次Z脈沖之后檢測結(jié)果才正確。參考文獻1付旭東,付瀛,徐冰.位置檢測裝置-光電編碼器J.沈陽電力高等?？茖W(xué)學(xué)報,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.相對光電編碼器的鑒相和計數(shù)電路EB/OL.http:/J.自動化儀表,2002,21(9):465肖本賢.一種提高轉(zhuǎn)速測量范圍與精度的新方法J.自動化圖4糾錯與并行接口電路框圖儀表,1997,18(11):21236ShenJX.SensorlessControlofPermanentMagnetBrushlessDriversD.UniversityofSheffield,UK,2003:3136(a)