1、第10期元器件與應用27增量式光電脈沖編碼器的單片機計數器金建新華中理工大學機械學院武漢市430074【摘要】文中重點討論基于單片機的光電脈沖編碼器計數器的軟件倍頻和辨向原理,并從編碼盤條紋和位置檢測元件的空間分布原理出發給出了在編碼器輸出A、B正交方波的前提下最多只能4倍頻的結論,最后介紹了集倍頻、辨向、計數于一體的單片機計數器原理,該計數器具有消除抖動誤計數、倍頻數可選、計數長度無限制的特點。關鍵詞:光電脈沖編碼器基于單片機的計數器軟件倍頻軟件辨向TheCounterBasedonEmbed-forIncrementalOpto-EJinSchoolofMechanical,430074A

2、bstract:Thisarticleanddiscerningdirectionwithsoftwaremethodofthe-forincrementalopto-electricencoder,besidesbytheofrelationshipofstripeoftheencoderandthemovementdetect2ingtotheconclusionthatundertheconditionofthattheencoderoutputsonlyA、Bphasesquare,atmostaquadruplefrequencycanbeachieved,thenintroduce

3、sacounterbasedonembed-controller,whichischaracteredbynoshakingerrorcounting,aoptionaldoublefrequencytimeandnolimittothecountinglength,withallthefunctionssuchasdoublefrequency、discerningdirectionandcounting。KeyWords:IcrementalOpto-ElectricEncoder,CounterbasedonEmbed-Controller,DoubleFre2quencybySoftw

4、are,DiscernDirrectionbySoftware1光電脈沖編碼器對計數器的要求光電脈沖編碼器又稱光電脈沖發生器,現在廣泛地被作為數控機床等設備的位置信息反饋元件。最常1用的兩相光電脈沖編碼器的結構原理可見文獻。這里要特別強調兩點:(1)編碼器輸出的A、B兩相矩形脈沖波是同一個光電盤上圓周等分明暗條紋的空間位置通過兩個處在不同位置的光敏三極管檢測后在時間軸上的映射;(2)A、B兩相矩形脈沖波是正交的,且共同攜帶光電盤角度位置信息和轉動方向信息。假設光電盤上的圓周等分條紋數為N,則被測對),光電脈沖編碼器的A、象旋轉一周(即360°B兩相分別發出N個脈沖。那么,A、B兩相的

5、脈沖當量P可以寫為:(1)P=360°/N收稿日期:1999201214修改稿日期:1999206223通過一時鐘脈沖觸發計數器記下P的數量,假定P的數量為n,則被測對象旋轉的角度可寫為:=nP(2)再假設在時間T內P的增量為n,則被測對象旋轉的角速度可以寫為:=nP/T(3)通過上面的分析,可知光電脈沖編碼器工作在數字形式,可直接用于測量角位移和角速度,間接用于測量直線位移和直線速度。因此,要將編碼器作為位置反饋元件,其關鍵是要(3)式的解碼計數電路。對解有記錄(1)式和計算(2)、碼計數電路的要求是:(1)能夠根據A、B相脈沖的相位自動判別光電脈沖編碼器的旋轉方向。(2)要有倍頻

6、功能,以便充分利用A、B兩相脈沖28儀表技術與傳感器1999年波共同攜帶的位置信息。(3)計數器應是可逆的,且計數器的計數長度要有一定容量。(4)能實時以數字形式或模擬形式輸出位移或速度值,以適應不同的需要。2倍頻和辨向的理論基礎A、B脈沖(波形見圖1:明條紋對應1,暗條紋對應0)共同編碼攜帶光電盤的轉向和位置信息,要將這兩種信息識別出來,其前提是要充分注意A、B是光電盤的空間位置在時間軸上的展開。顯然,對于只有A、B兩個訊號輸出的光電脈沖編碼器,m=2,故其最小角度計數當量為P/4。這就是所謂的倍頻,即通過電路處理可使計數器頻率為其中一路訊號輸出頻率的m倍。212辨向設光電編碼盤的輸出信號經

7、過倍頻后的最小脈沖當量為J,則對于圓周上均布有N條條紋、m相輸出信號的編碼盤有:m(4)J=360°/N/2、,J都是矢量,即都是有以上討論的量,如P、方向的量,那么以“+”表示碼盤正轉,以“-”表示碼盤反轉。下面以m=2時為例,討論J的符號取出問題:在圖1中,A、B輸出的訊號為An、B,且n,;J當量時,即J的絕對值增1,這時n+,1;依次往下正轉,An+2=0,Bn+2=1;An+3=0,Bn+3=0;An+4=An=1,Bn+4=Bn=0。同樣,當碼盤反轉時,對應的A、B狀態變化為:An-1=0,Bn-1=0;An-2=1,Bn-2=0;An-3=1,Bn-3=1;An-4=A

8、n=1,Bn-4=Bn=0。圖1綜上分析,碼盤在轉動時,其A、B訊號狀態是按圖2所示的狀態循環的。211倍頻由圖1可知,由于A、B脈沖波對應碼盤明暗條紋的空間位置,其脈沖的上升下降沿(這里,上升還是下降是由編碼盤的轉動方向決定的:正轉時的上升沿在反轉時就變成下降沿,反之則反)的相對位置是固定不變的,將A、B進行邏輯半加,可以看出A B的邊沿永遠不能重疊。該邊沿攜帶了碼盤的等分位置訊息,在一個P的距離之內,包含22有個邊沿,且邊沿之間的空間距離是相等的,也就是說一個P的距離被4等分了。這個距離的等分是由如下事實決定的:碼盤的明條紋寬度和暗條紋寬度是相等的;A、B光敏三極管之間的距離是明暗條紋寬度

9、的和的1/22,即P/4。由以上的討論可以得出以下結論:結論1:拾取A B脈沖的邊沿并計數,計數值代表了碼盤轉過的角度,此時的計數角度的脈沖當量為P/4。結論2:在碼盤等分條紋數不變的前提下,要想提高分辨率,即減小計數角度的脈沖當量,唯一的途徑是增加檢測元件光敏三極管的個數,即增加編碼器輸出訊號的數量;若輸出訊號的數量為m,則要求有m個光敏三極管,這m個光敏三極管之間的排列距離是mmP/2;這時,其角度計數當量為P/2。圖2圖2中,Si(i=0,1,2,3)表示編碼盤輸出信號A、B的組合狀態:S0表示A=1,B=1;S1表示A=0,B=1;S2表示A=0,B=0;S3表示A=1,B=0;由此可

10、知所謂轉向,就是A、B訊號狀態的轉換,且狀態之間的轉換是唯一的。當A=1,B=1時,若正轉,其下一個A、B訊號狀態肯定是A=0,B=1;若反轉,其下一個A、B訊號狀態肯定是A=1,B=0。因此,根據A、B訊號狀態循環圖就可以決定J的符號。為方便起見,重新規定:無論正轉還是反轉,A、B的當前狀態(即現態)為An、Bn,A、B的下一個狀態(即次態)為An+1、Bn+1.對照圖3,列出各種情況下J的符號如下表:第10期表1AnBnAn+1Bn+1元器件與應用29J的符號1001110110010000111001001001+-下面簡單介紹圖3中所示計數器硬件、軟件功能:311硬件功能安排如下(1)

11、hsi.0作為A B的邊沿檢測器。hsi.0工作在事件觸發中斷狀態,且正負邊沿都進行觸發;hsi.0中斷級別應設定為最高。(2)P014、P015、P016作為A、B、Z的狀態輸入口。(3)PWM口輸出模擬量,指示光電脈沖編碼器的旋轉速度。(4)串行口可以和其他計算機系統進行通訊,以輸出速度數字量或計數數字量,也可以串行Z輸出數字量供LED進行實時顯示。(5)P2。(6),如:由用戶。1KC的軟件應具有如下功能,hsi.0的上升或下,這保證了對所有A B信號正負邊沿的拾取;(2)根據需要指定3字節或任意個字節片內寄存器作為計數器;(3)當中斷發生時,中斷服務程序應立即讀入A、B的當前狀態作為A

12、n+1、Bn+1,并根據表1計算出J的符號,然后根據J的符號對用于計數的寄存器進行加J或減J運算,最后保存A、B的狀態作為An、Bn以供下次中斷計算符號使用;這保證了計數脈沖矢量和的正確性;(4)單片機的主程序即在非中斷狀態時可根據需要將計數器的數據進行加工后從串行口、PWM或并行口輸出。由以上討論又可以得出以下結論:結論3:為了辨向,必須有m2;脈沖倍頻是辨向信號的副產品;結論4:為了避免誤計數,J必須是單位矢量。在進行倍頻和辨向后,將矢量脈沖當量J進行簡單代數累加,即得增量式編碼盤的絕對轉動位移量,這個位移量的取得是使用編碼盤的唯一目標,由結論4可知,當碼盤在某一位置發生振幅為|nJ|其累

13、加和不變。23基于80196KC動位移量,、辨向和累加電路。這可以由時序邏輯電路組成計數器實現,并且已經有了較好的倍頻和辨向電路1。根據實際使用的要求,該計數器要有24位二進制以上的計數長度,且能可逆計數。如果采用一般的集成電路實現計數,將有體積龐大、功能單一等不盡人意的地方;市場上出售的大規模集成電路計數器也只能單向計數816位,難以滿足實際的計數要求。采用單片機作為載體,以硬件和軟件相結合的辦法,實現光電脈沖編碼器的計數,能大幅度提高計數電路的性能。由80196KC單片機組成的光電脈沖編碼器計數電路原理如圖3所示:4總結用80196KC作為計數器有以下優點:(1)由于采用80196KC內部

14、寄存器作為軟件計數器,因此計數器的長度沒有限制,可設定為任意長度字節。(2)計數器的倍頻、辨向、計數全部由軟件實現,不可能出現抖動誤計數問題。(3)計數器數字輸出靈活多樣,既可輸出角度位移,也可在作簡單計算后輸出速度或其他用戶特殊要求的量。(4)由于系統硬件簡單,沒有電阻、電容等模擬量元件,加上單片機本身具有的高品質,因此計數器體積小、價格低,且使用靈活,可靠性、實用性大大提高。和任何計數器電路一樣,該計數器對A、B兩訊號圖330儀表技術與傳感器1999年輸出的最高頻率,即碼盤的最高轉速有一定限制。這機碼盤的速度要求。該計數器已經用在作者研制的3是由80196KC的中斷服務程序執行時間長度決定

15、的。“交流異步電機驅動的數控鍵槽銑床”控制系統中,如果不注意這一點,造成中斷響應不及時,將造成計數經長期在工廠使用,證明性能良好。脈沖的丟失。本文討論的編碼盤計數電路,可以不加改動地用假設中斷服務程序的最大執行時間為t,在一個于增量式直線光柵的絕對位移計數中。P內要中斷4次,則A或B脈沖的輸入頻率famax=t);根據筆者使用實踐,當80196KCfbmax=1/(4×ts,這時的時鐘為16MHz時,25(5)famax=fbmax=10000Hz100×10-6這樣,計數器每秒能計數10000次,能滿足一般電(上接第26頁)參考文獻1李福生主編.實用數控機床手冊.北京:北

16、京出版社,1993.2李哲英等編著.MCS96MC68單片機原理與應用.北京:清華大學出版社,1995.3孫鈺,吳上生,金建新等.交流異步電機驅動的鍵槽銑床的自學習預報控制.中國機械工程,1996;7(12).這段程序的作用是:接入A3的傳感器信號被補償地測量50次,轉換的結果以BCD格式加載到主工作寄存器FLAC,并將FLAC送液晶顯示。上述程序,個8位字節。雖然TSS2400的硬EEPROM尋址最大為2k4儀器功能、411圖2電路設計是極為精簡的,它可實現如下功能:(1)由于軟件的補償功能,所選用的傳感器可以是一個非校正的鉑電阻溫度傳感器;(2)全標尺非線性±1±112

17、5LSB,通過補償和校正,可確保12位A/D轉換精度;(3)A/D轉換同SVDD比例相關,典型的SVDD抑制比為-115LSB/V;(4)單端補償測量ADC轉換時間112s(典型);(5)溫度穩定度0103LSB(典型)(6)傳感器用EEPROM電源可程控,一枚112Ah的鋰電可使用5年;(7)電池供電帶來極高的抗干擾性能。412主要特點(1)量程比較寬廣EEPROM,EEPROM中,定期,再存貯新的滿足要求。4(1)工作電壓范圍:216515V;(2)工作溫度范圍:040;(3)功耗(VDD=3V):011AA(OFF方式);4(DONE方式);80A(ACTIVE方式,不進行A/D轉換);

18、300A(ACTIVE方式,進行A/D轉換)。5結論(1)從TSS4002S1的設計性能看到,最具特點也由于該儀器幾乎不存在普通傳感器的非線性范圍,因此量程比可調整到1001以上,也就是說,用一臺傳感器即可覆蓋多臺傳感器的量程。(2)精確度高可以達到±011%的精確度。(3)溫度特性好由于傳感器已經以對應環境變化的固有特性數據為基礎進行了補償運算,從而使傳感器具有良好的環境適應性。(4)具有靈活性和通用性是最關鍵的在于它的高精度、超低功耗和編程效率、極高的宏編程語言。采用宏編程序用戶在幾天甚至幾小時開發一個應用程序是很實際的。(2)由于TSS4002S1有較強的數據處理能力,可以通過數據處理進行自動校正、非線性補償、數字濾波等修正和克服由傳感器、放大器等引進的誤差和干擾。從而大大提高了儀器的精度和其它性能指標。(3)能自身測試功能是否正常,自行診斷是否存在故障及故障的部位,提高了儀器的可靠性,