1、基于MSP430F149單片機的光電編碼器位置檢測系統設計 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         在實際的工業位置控制領域中，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。傳統的機械測量位移裝置已遠遠不能滿足現代生產的需要，而數字式傳感器光電編碼器,能將角位移量轉換為與之對應的電脈沖輸出, 主要用于機械位置和旋轉速度的檢測，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。  

2、60;     美國TI公司推出的MSP430系列16位單片機，具有低功耗，運行速度快等優點，正日益得到廣泛的應用。本文將高精度MSP430單片機應用在系統中，作為整個系統的控制器，整個系統結構簡單，抗干擾性強,滿足了鋼鐵廠的生產要求。1、光電編碼器原理        光電編碼器是集光、機、電技術于一體的數字化傳感器，其基本原理就是在特制的碼盤上按一定規律編排光柵圖案，將這些圖案用光電頭讀取，轉變為高低有序排列的電平信號。光電編碼器輸出信號為A , B , Z 3 個信號,其中A ,

3、B 為相位差90°的方波信號, Z 為過零脈沖信號。如圖1所示，光電編碼器每旋轉一周,A、B 相輸出同樣數量的脈沖, Z相輸出一個脈沖，脈沖的個數和電機旋轉角度，電機的運行距離成正比關系，因此通過計算脈沖數就能計算出電機在實際運行中所運行的距離。                             

4、60;               A相、B相都是光電編碼器產生的，這兩個信號的前沿和后沿都對應著光電碼盤的1/4節距的信息。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，得出電機的旋轉方向。如果A相脈沖超前B相90，說明電機正轉，如果B相脈沖超前A相脈沖90，說 明電機反轉。本系統設計了一種四倍頻電路，其原理圖如圖2所示，相應的時序圖如圖3所示。由時序圖3可以看出，A和B信號經四倍頻電路后，輸出信號為

5、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的端口上，對這兩個信號分 別進行判斷、計數和計算，就可以得出相應的電機轉向和位移量。                  2、系統功能        系統框圖見圖4。整個系統主要由差動隔離整形，倍頻電路，鑒相計數模塊，主控芯片，通訊模塊，數顯

6、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經過差動隔離整形模塊后能減少現場對信號產生的干擾，尤其是共模干擾，處理 后的信號經四倍頻電路后連到主控芯片，對脈沖進行計數，處理，計算，得到被控對象的位移結果。位移結果一方面送數顯表顯示，另一方面可通過串口將位移結果 送到上位機，便于在上位機中進行統計，打印，綜合分析。                  

7、;                    3、系統硬件組成3.1 、主控芯片及外圍電路        主控芯片我們采用MSP430F149單片機，它具有處理能力強，運行速度快，功耗低等特點； 整個系統采用3.3V供電，本設計電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實現，該芯片能很好的滿足系統的要求，另外TPS76033芯片的封裝很小，又能節約PC

8、B板面積。        復位電路采用MAX809STR芯片，復位電路可以采用R-C復位電路，但是使用復位芯要比使用R-C復位電路的可靠性高，因此我們就采用MAX809STR芯片來實現系統的復位。           數顯電路采用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場的要求，又可以降低系統成 本。在單片機與數碼顯示連接時選擇P4.0P4.7引腳用來輸出顯示數據

9、，P2.1,P2.2,P2.3，P2.4引腳用來控制數碼管的選通狀態。3.2 、16位計數器        本次設計采用MSP430F149提供的計數器對倍頻后的XA,XB信號進行計數。MSP430F149提供了兩個16位的計數器，分別是 Timer_A,Timer_B，這是兩個用途非常廣泛的16位計數器，在設計中使用Timer_A計數器進行計數，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。無論電機正轉還是反轉，計數器引腳上都有脈沖信號，都可進行計數。為了判斷電機的旋轉，使用 計數

10、器的捕獲模塊對XA和XB信號進行方向判斷，Timer_A計數器中提供有3個捕獲模塊，均可以滿足系統的需要。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方向。3.3、 串行模塊        MSP430單片機使用RS-485協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T

11、TL電平，而RS-485串口卡 是485電平，因此需進行電平轉換。本系統采用MAX485芯片實現TTL電平與485電平之間的轉換。硬件連接使用USART0串口，即連接時使用 P3.4,P3.5引腳與MAX485的相應引腳相連。4、系統軟件實現        系統采用C語言進行程序設計，大大提高了開發調試的工作效率。整個系統程序包括主程序，鑒相計數程序，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的初始化：對串口，

12、計數器等硬件的初始化：計數值的讀取、處理、計算：調用顯示子程序，用于數據的顯示。                         鑒相計數程序主要用于電機方向的判斷和計數脈沖值的處理。系統中電機方向的判斷是靠計數器中的捕獲模塊捕獲XA,XB信號來實現的。在程序中，設計一個寄 存器保存電機的方向，當電機正轉時，捕獲模塊捕獲XA信號有效，在中斷服務程序中將電機方向設為正轉標志。反之亦然，當電機反轉時，捕獲XB有效，將電機 方向設為反轉標志。在主程序中只需根據寄存器的值，就可知道電機的旋轉方向。為了防止計數器中正轉，反轉的計數值發生混亂，每次捕獲發生時，在中斷服務程 序中都將計數器清零，重新計數，保證了電機換向后數據的準確性。        串行通訊模塊用于實現上位PC機與單片機之間的數據傳送。單片機可根據上位機的需要，將處理后的計數值上傳給上位機，用于統計，打印等。系統采用中斷方式 進行數據傳遞，在接受中斷服務程序中得到接受的上位機指令后，單片機就可將計數脈沖值，電