基于CPLD的編碼器信號處理電路設(shè)計

２０１２年儀表技術(shù)與傳感器ＩⅡｓｔｍｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ２０１２Ｎｏ．４第４期基于ＣＰＬＤ的編碼器信號處理電路設(shè)計蔣利兵，張玉，吳剛，譚或（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京ｌＯＯ明３）摘要：基于ＣＰＬＤ芯片，對增量式編碼器輸出信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)了編碼器信號的整形濾波、倍頻和鑒相。為了提高編碼器的測量精度，設(shè)計了一種４倍頻脈沖輸出電路，提高了編碼器的分辨率，并設(shè)計了鏊相電路，實現(xiàn)正反向的角度或速度測量。文中給出了Ｑｕａｒｔｕｓ原理圈輸八電路、時序仿真結(jié)果，以及試驗測試結(jié)果。文中的研究在角度位移等測量領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：ＣＰＬＤ；編碼器；倍頻；鑒相中圈分類號：ＴＭｌ３文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１００２—１８４ｌ（２０１２）０４一Ｏ（】９１—０３ＯｎＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎｏｆＥｎｃｏｄｅｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＢａｓｅｄＪｌＡＮＧＬｉ．ｂｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕ，ＷＵ（；ａｎｇ，ＴａｎＹ“ＣＰＬＤ（ｃｏＩｌｅｇｅ０ｆＥｎｇ．哪∞ｄｎｇ，ｃｈｉｎａＡ咖ｌｔｕ叫ｕｎｉｖｅ哪ｔｙ，Ｂ刪ｉｎｇ１０００８３ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒ群ｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｌｌｔｒＤｄｕｃｅｄ＆ｍｅｔｈｏｄｂ勰ｅｄ０ｎｃＰＬＤｃｈｉｐｏｆＡ【胍ＲＡｃｏｍｐ衄ｙｗｈｉｃｈｄｅａｌｅｄｗ油Ｉｌｌｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌ０ｆｉｎｃ姍ｅＩｌｔａｌｃａＩＩｅｎｃｏｄｅｒａｎｄａｃｈｊｅｖｅｄｃｊｒｃｕｉｌｍｕｌｄｐＪｉｃａｌｉｏ“ｐｕｌｓｅｏｕｔｐｕｔ６ＩⅫｎｇ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄ０山ｉｎｇａｎｄｐｈａｓｅ‰ｄｌＩｌｉ聃ｔｉｎｇ０ｆｔｈｅ３ｉ冀ｒ】ａ１．Ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄ４“ｑ咖ｃｙｗｈｉｃｈｉｍｐ內(nèi)ｖｅｄｔｌｌｅａｃｃ哪ｃｙｏｆｔｈｅｅｎｃｏｄ盯ｍｅａｓｕｒｅ硼ｅｎＩ．Ｔ１ｗｃｉｒｃｕｈ０ｆｐｈａｓｅｄｉｓｃ打ｍｉｎａｔｉｏｎａｏｒａｃｃ砌ｐｌｉｓｈｔｈｅｐｏｓ；６ｖｅ柚ｄｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｍｅ踮ｕｒｅｍｅｎｔｏｆ８ｎｇｌｅｓｉｍＩＩｌａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ．ＴｂｉｓｐａｐｅｒａＩｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄｔｂｅｃａｎＱｕａｒｔｕｓｓｃｈｅｍａｔｌｃ０ｆａｎ—ｅ，ｄｉ鏟ｂ１０ｃｋｄｉａ刪ｎ，ｔｉｍｊｎｇｓ０ｐｉｃｔｌ此，如ｄ岫ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅ曲ｅｎ“ｔｅ８ｔ．Ｔｈ選ｒｅｓｅａｒｅｈｂｅｕｓｅｄｔ０ｍｅａｓｕｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔａＩＩｄＫｅｙｏｎ，誣ｈａｓ謝ｄｅａｐｐｌｉｃ缸ｉ０Ｔｌｖａｌｌｌｅｉｎｔｈｅｍｅ幽ｕｒｅＩｎｃｎｔ６ｅＩｄ．ｗｏｒｄｓ：ＣＰＩＤ；ｅｎｃｏｄｅｒ；肺ｑｕｅｎｃ）ｒｍｕｌｌｉｐｌｉｃ８６０ｎ；ｐｈａｓｅｄｉｓｃｄｍｉｎａｔｉｏｎ０引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于ＥＤＡ技術(shù)的芯片設(shè)計已成為ｏｍ廣］ｎｎ廠］ｏｍ廠］廠］廠］廣。咖廠］圖１編碼器的輸出信號１．２信號的整形設(shè)計電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。可編程邏輯器件ｃＰＬＤ廣泛應(yīng)用于各種專用集成電路中，與傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計方法相比具有研制周期短、成本低、涉及靈滔等特點，從而使其應(yīng)用越來越廣泛。編碼器在機器人（手）檢測方面應(yīng)用廣泛，增量式編碼器是一種把在數(shù)字系統(tǒng)巾，脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，可用施密特觸發(fā)器整形獲得理想的脈沖。將ＯｕＴＡ、ＯｕＴＢ相和時鐘信號通過２反向個施密特觸發(fā)器，濾去噪聲電平，完成對編碼器信號的整形。１．３信號的倍頻設(shè)計為了提高測量精度，可采取對編碼器信號４倍增頻。增頻角位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置，當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，輸出相應(yīng)的脈沖．計數(shù)起點可任意沒定，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的測量。當(dāng)需要提高分辨率時，可利用９０。相位差的ＯＵＴＡ、ＯＵＴＢ兩路信號進(jìn)行倍頻實現(xiàn)。正反轉(zhuǎn)都需要檢測時就要對ＯＵＴＡ和ＯＵＴＢ相進(jìn)行鑒相處理，辨別方向。文中主要討論基于ｃＰＬＤ的增量式編碼器信號倍頻鑒相的處理。１編碼器信號與硬件處理電路１．１編碼器的輸出信號原理如圖２所示。正轉(zhuǎn)時，分析編碼器的脈沖信號，將編碼器的上一次信號存儲，對每個信號進(jìn)行４倍增頻，正轉(zhuǎn)時分解信號見圖２。增量式編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出３組脈沖信號，０【ＪＴＡ、ＯｕＴＢ和ＯｕＴｚ相。ＯｕＴＡ、ｏＩＪＴＢ是相位相差９０。的正交方渡信號，ＯｕＴＡ相或０ｕＴＢ相的每個脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度。ＯｕＴＡ相和ｏｕＴＢ相的相位關(guān)系則反應(yīng)了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向，若ＯＵＴＡ超前０ｕＴＢ相，轉(zhuǎn)動方向為正轉(zhuǎn)，若ＯｕＴＢ超前ＯＵＴＡ相，轉(zhuǎn)動方向為反轉(zhuǎn)。０ｕＴｚ是基準(zhǔn)定位信號．是一個代表零位的脈沖信號，可用于調(diào)零、對位。編碼器的信號如圖Ｉ所示。收稿日期：２們１—０６一】３收修改稿日期：２０１１—１ｌ—１５。ｔｍ卅持一精塒博礦（ａ）（ｂ）圈２編碼器正轉(zhuǎn)信號的四倍增頻鼢ｔ辯羚。ｍ鼾抖萬方數(shù)據(jù)ＩＩＩｓｍ塒１ｅｎｔＴｅｃｈｎｉａｕｅ蛐ｄＳｅｎ帥ｒＡｐｒ２０１２則輸出函數(shù)表達(dá)式為：Ｆ．＝ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ式中：只為正轉(zhuǎn)時輸出為１的信號，符合其中任意一項因子，輸出為ｌ，否則輸出為０。同理反轉(zhuǎn)時，將信號進(jìn)行４倍分解增頻，反轉(zhuǎn)信號見圖３。。Ⅷ封鼾ｏＵＴＢ一：Ｈ｛一；Ｈ｝帆。她蚣呱、她姚啪卅壯（ａ）（ｂ）圖３編碼器反轉(zhuǎn)信號的四倍增頻輸出函數(shù)表示式為：凡＝ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ式中：Ｒ為反轉(zhuǎn)時輸出為１的信號，符合其中任意一項因子，輸出為１，否則輸出為０。綜合正反轉(zhuǎn)的函數(shù)關(guān)系，得出輸出表達(dá)式：Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝ＡＢａＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ＋ＡＢＣＤ經(jīng)過化衙后可表示為Ｆ＝（ＡＯＤ）（ＢＯＣ）＋（ＡＯＤ）（ＢＯＣ）采用Ｄ觸發(fā)器可以實現(xiàn)編碼器信號存儲設(shè)計功能，其硬件原理見圖４，編碼器出來Ｏｕ弘、０ｕ豫相信號經(jīng)過２個Ｄ觸發(fā)器后分別變?yōu)椋阈盘柡停男盘?，將這４組電平信號經(jīng)過上式的邏輯運算之后，就可以得到４倍頻后的脈沖信號。Ｕ３ＨＣＣＵ４Ｂ《‰ｊ蘑Ｄ姒々ｆ毒ｒ士口圈４Ｄ觸發(fā)器實現(xiàn)信號存儲的硬件原理圈１．４鑒相電路的設(shè)計鑒相電路的硬件原理圖見圖Ｓ。將編碼器的信號上拉到高電平，輸人司１個Ｄ觸發(fā)器中，由編碼器出來的ＯＵｌＡ、０ＵｒＢ萬方數(shù)據(jù)相信號相位相差９０?？芍ＵD(zhuǎn)時ＯＵｌｍ相信號上升沿時，ＯＵＴＡ相信號是處于低電平狀態(tài)，同理反轉(zhuǎn)，０ｕＴＢ相信號到達(dá)上升沿時，ＯｕＴＡ相處于高電平狀態(tài)，因此Ｄ觸發(fā)器輸出狀態(tài)只有高低電平，得到的是編碼器的方向信號ＤＩＲ．匿５釜榴電路垂奇磋件原理雷在試驗中采用ｃＰＬＤ原理圖輸入法完成該電路圖的設(shè)計。２編碼器信號處理的ＣＰＬＤ實現(xiàn)２．１Ｃ扎Ｄ軟件設(shè)計Ｑｕａｒ【ＩＩｓ中支持文件格式的編程輸人和原理圖格式的輸人（圖６），由于鑒相倍頻電路中所用的門電路比較多，故采用原理圖輸入法，不僅提高輸人速度，也增加了程序的可讀性，由于ｃＰＬＤ使用晶振頻率為１２ＭＨｚ，輸出的脈沖寬度較小，所以對時鐘信號進(jìn)行了５０００分頻，編碼器出來的ｏＵＴＡ、ＯＵＴＢ信號經(jīng)過４個Ｄ觸發(fā)器，完成對信號的狀態(tài)存儲和四倍頻設(shè)計，再通過１個一系列邏輯電路，完成信號的四倍頻脈沖信號的輔出，最后得到一路四倍頻后脈沖信號。２．２仿真結(jié)果與分析軟件設(shè)計完成之后，用Ｑｕ硼?ｍ自帶的仿真功能，新建波形文件，輸入ｏｕＴＡ、０ｕＴＢ相和時鐘信號，時鐘信號的頻率要求至少是輸入信號頻率的４倍以上，這樣才能實現(xiàn)對編碼器信號的倍頻檢測功能，正轉(zhuǎn)時，Ａ槽超前Ｂ相９０。，見臣７。輸入對鐘信號，輸出的波形為一路四倍頻的脈沖信號ＰＩ幾和一路方向信號ＤＩＲ．反轉(zhuǎn)時，Ｂ相超前直榴９０。，見緝８，輸八時鐘痿號，輸出的波形為一路四倍頻后的脈沖信號ＰＵＬ和一路方向脈沖信號ＤＩＲ。仿真波形見圖８。上３試驗與分析試驗采用的編碼器型號為ｓｃ姒一１０２４ＢＭ—Ｇ５—２４ｃ，使用雙通道的示波器觀察信號輸出波形。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時結(jié)果如圖９（８）所示，上面的是ＯＵｌＨ相輸人信號，下面是經(jīng)過４倍頻后信號，在Ａ相信號的１個周期內(nèi)，輸出信號是輸入的４倍。即４倍頻信號。圖９（ｂ）圖上面的是Ａ相輸入信號，下面是鑒相后的方向信號，正轉(zhuǎn)時始終為高電平。當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時，輸出倍頻波形與圖９（Ｂ）一樣．只是鑒褶后輸出始終為低電平。這樣就可以區(qū)別正向和反向，實現(xiàn)正反向的測量。對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，可見兩者是一致的，說明所設(shè)計的ｃＰＬＤ軟件是正確的，能夠?qū)崿F(xiàn)編碼器的倍頻鑒相信號處理。在機器人上采用ＣＰＬＤ能夠準(zhǔn)確地對４個編碼器進(jìn)行了倍頻、鑒裙和計數(shù)．經(jīng)換算得到足球機器入的運動速度。第４期蔣利兵等：基于ｃＰＬＤ的編碼器信號處理電路設(shè)計圈６ＱⅡａ竹ｕｓ軟件鑒相倍頻原理圖圈８反轉(zhuǎn)時仿真波形圖３結(jié)束語旋轉(zhuǎn)式編碼器把角位移轉(zhuǎn)換成電信號，可應(yīng)用于角度、位移、長度等測量領(lǐng)域。設(shè)計采用ＥＰＭ口１２８為ｃ腫開發(fā)平臺，用Ｑｍｒｔｌｌｓ自帶的仿真功能完成了仿真分析，經(jīng)試驗證明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)鑒相倍頻功能，可同時采用ｃＰＬＤ對鑒相倍頻后信號的進(jìn)行采集，實現(xiàn)計數(shù)或測速，提高了測試精度，節(jié)省了硬件資源，方便靈活適應(yīng)性強，對足球機器人的速度進(jìn)行了準(zhǔn)確地檢測。參考文獻(xiàn)：［１］朱海洋，歐陽明星．基于ｃＰＬＤ的旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路設(shè)計及應(yīng)用．機電工程技術(shù)，２００９，３８（５）：８６—８８；１２５．［２］夏冬梅。孫林．基于ｃＰＬＤ的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路模塊設(shè)計．機械制造與自動化，２００９（５）：１５６—１５７；１６０．（ｂ）圈９正轉(zhuǎn)試驗波形圈［３］楊其華．袁月峰，郝敬思．一種基于ｃＰＬＤ的數(shù)據(jù)采集控制板的設(shè)計．電子技術(shù)應(yīng)用，２００５（８）：７５—７８．［４］張高記，羅朗霞．基于ｃＰＬＤ的ｃＢｃＨ碼編／譯碼器的設(shè)計與實現(xiàn)．西安郵電學(xué)院學(xué)報，２０１０，１５（５）：３０一３３作者簡介：蔣利兵（１９８６一），在讀研究生，Ｅｍａｉｌ：豇鋤螭９３＠１６３．啪．通訊作者：譚或，教授，博士導(dǎo)師，主要從事智能控制及機電一體化技術(shù)研究。Ｅ一恥ｌｉｌ：ｌａｌｌｎ０２＠婦．咖［８］李科，安連鎖．沈國清，等．偽隨機序列在聲學(xué)測溫中的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