基于FPGA的高精度光电编码器接口电路的设计_图文

1、第卷年第期西北师范大学学报（自然科学版）（）基于的高精度光电编码器接口电路的设计马永杰，董秀娟，王轲（西北师范大学物理与电子工程学院。甘肃兰州；，兰州理工大学计算机与通信学院，甘肃兰州）搐要：为了提高光电编码器测量的精度。在内利用语言，采用自顶向下的设计方法。设计了一种高精度的光电编码器接口电路。实现了鉴相、四倍烦、计数、锁存并通过发送到机终端显示等功能通过在下进行软件仿真和在豫公司系列芯片上进行硬件测试，结果表明，该方案实现的光电编码器的角位移测量精度可以提高倍关键词：光电编码器；语言；接口电路中图分类号：文献标识码：文章编号：卜（）一一一，（，。，）：，：卜；光电编码器是通过光电转换将输出

2、轴上的机械几何位移量转换成一串脉冲或数字量的传感器，在电机伺服控制系统中，它与电机同轴连接，常用来测量电机转子的速度和位置通常，光电编码器可分为绝对式和增量式两种本文选用的是欧姆龙（一）增量式光电编码器，它具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，在高分辨率和大量程角速率、位移测量系统中更具优越性由于增量式光电编码器不具有计数和接口电路，本文设计了一个基于的高精度增量式光电编码器的接口电路，具有硬件鉴相、四倍频细分、计数，并将测量数据锁存经过发送给显示终端等功能；在运算处理之前用锁存电路来消除硬件电路延时所可能引起的计数累计误差，同时用编程时为了尽量消除电路中的毛刺现象

3、，使用状态机克服纯硬件数字系统控制不灵活的缺点，状态切换时间短暂，响应速度快，提高了系统的可靠性收稿日期：；修改稿收到日期：基金项目：甘肃省自然科学研究基金计划项目（）；甘肃省教育厅科研项目（昏）作者简介：马永杰（一），男，甘肃灵台人，教授，博士主要研究方向为智能控制：西北师范大学学报（自然科学版）（）第卷接口电路总体方案设计增量式光电编码器利用双光栅叠栅条纹技术将空间位置进行光学放大，通过光电接收器输出相位互差。的、信号及相基准相位信号、两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度，根据、的相位关系判断光电编码器是正传还是反（）编码器正转输出转选用的欧姆龙（一）增量式光电编码器的、相每转输出个脉冲

4、，相输出一个脉冲，相用于校正每转编码器产生的脉冲个数，进一步将误差控制在每一转之内，避免累积误差的产生如图所示，若相超前于相，对应正转；若相超前于相，对应反转光电编码器输出供电，其输入先通过电容（）编码器反转输出图光电编码器输出信号器消除高频噪声的干扰，然后通过差分整形电路整块、计数和结果锁存模块、通过发送到形，最后送入管脚，再由内部逻辑模块处机显示终端模块个部分图中是接口的理采集到的数据内部逻辑设计是接口电路全局时钟，、是光电编码器输出的三相信的核心，如图，主要包括信号鉴相、四倍频模号经过差分整形电路整形之后得到的方波信号图接口总体框图光电编码器接口电路在上的实现用一个触发器实现鉴相，如图所

5、示，仿真结果如图所示光电编码器正转时，信号超前信号。，通过一个触发器（上升沿触发）输出（波形）为高电平，（波形）为低电平，此时，计数器的为高电平，在采样脉冲（，四倍频后的结果）上升沿到来时加计数光电编码器反转时情况相反，信号超前。，触发器（上升沿触发）输出（波形）为低电平，（波形）为高电平，此时，计数器的为高电平，在采样脉冲（，四倍频后的结果）上升沿到来时加计数定义是一个位的计数器，正反转计数范围是编码器每转一周同时也会输出一个标记窄脉冲，可用于调零和对位和输出的脉冲个数与被测角位移变化量成线性关系，因此，通过对脉冲个数计数就能计算出相应的角位移在中设计一个倍频电路来提高光电编码器的分辨率由于

6、在一个信号周期内相、相信号共经过次状态转换，即正转时电平状年第期马永杰等：基于的高精度光电编码器接口电路的设计图接口顶层电路图态是一一一，反转时电平状态是（；）实现倍频，其中，一一，所以一个周期内至少要进行次采；，；，：一；采用全数字反馈样才能准确地得到相信号和相信号的电平状电路的设计方法，由于倍频、鉴相电路设计在同一态变化情况，采样时钟的频率至少大于光芯片上，一方面，芯片内部的门电路、触发器的参电角度编码器输出脉冲最大频率的倍，较数特性完全一致，能保证在相同转速下四倍频脉冲高的对于准确可靠采样数据是有利的，能够提信号的周期保持一致，另一方面，是板级芯高测量精度在本系统中，欧姆龙光电编码器输出

7、片，电路做在芯片内部，其抗干扰能力比分离器件的信号频率为，采样时钟频率为，有了很大提高同时，由于现场可编程，可以方便即采样时钟为输出脉冲的倍，从而使光电编码器实现对电路的重新设计或修改，增强了系统的灵活的角位移测量精度提高了倍性、通用性和可靠性如图所示。相、相两如图所示，采用个触发器锁存输入信相信号经个或门和个与门后输出的正反向四倍号、的当前状态及原状态，通过（？：）频计数脉冲和西北师范大学学报（自然科学版）（）第卷睁卜口妇膏图鉴相、四倍频电路仿真波形图鉴相后的信号和，四倍频后的信号串行链路上进行全双工通信使用语言编和通过二选一选择器（）后，程所需要的电路模块，将功能集成到送到计数器分别进行正

8、反转计内部，简化了电路，避免了浪费数信号是采样时钟，用以控制接口电路对输一次接收发送位数据位，波特率设为，人的、两路信号进行采样当上升沿到来所以要发送一个位的数据，要发送两次，先发时，若为高电平，正转计数“一）反低位再发高位设置发送器的分频器系数为：之，当上升沿到来时，若为高电平，反转（），其中板载时钟是计数（）把要发送的数据先放在发送缓存器中，计数器工作时存在时间的延时，如果还未准备等待的引脚变为低电平开始发送数据，好就来读取数据，读取的数据将是错误的为了避显示终端开始接收采集到的测量数据酒免错误，这里设计了一个数据锁存电路的硬件电路主要由串口模块、（）锁存器的触发窄脉冲比计数脉冲延时和组成

9、，电路如图所示数据半个周期，当计数器未稳定时，其输出的数据不会从的端进入，经过进行电平通过锁存器转换后由串口模块中的端进入，进行需要与上位机进行通信，选择串并转换后由数据总线进入的其他模块（即，通数据处理后经由数据总线进入串口模块，用异步收发器）的孓接口标准规范，在其中进行并串转换后由端输出到是广泛使用的串行数据传输协议，允许在中，经电平转换后由昏的端输出图硬件电路图仿真波形结束语鉴相、四倍频、计数、锁存、等功能模块在上实现，这里采用公司系列芯片，在下仿真，进行正反转计数，仿真结果如图所示本文设计了基于的高精度光电编码器接口电路，将信号处理等大量功能集成在中进行处理，将待测量数据转换成测量光电

10、编码器旋转的转数和对应的角位移，经过四倍频细分电路和锁存电路提高了测量精度，实现了小型化集成化年第期马永杰等：基于的高精度光电编码器接口电路的设计一高频率数据处理，并可与机或并行通讯参考文献：”一。、豁。，触，畦啊口山秘雏冁瓣弧赫麟簟瓤乓蟹。耋锋懈毫叠麟毛礴，基一氛毫肆轰锋壁睾镶蝴吣舢咖删朋吣栅棚朋肌呻唧咖舢哪舢哪咖棚咖腑咖咖唧广几。门几几。几厂门广门几；门；一：厂；。厂；门门。厂门；一门门门门门一：广。门门厂门门。：；：；：！，；：！：；！：；！：；：；：！：八：八广：八八：八：几八九订几：丌丌。门；订：门玎；订九；。几八八：几几厂几订日门日口几丌几九八八八八几门门九门几门九门固匹匹（互题旺嘲】：；一）图正反转计数仿真波形图陈赞，赵兴国基于总线的单圈绝对式光电轴角编码器实时数据采集系统光子学报，。（）：卜李海平，孔祥成的设计与实现中国科学院研究生学报，（）：杨晓慧，杨旭系统设计与实例北京；人民邮电出版社，：孙延腾吴艳霞，顾国昌基于语言的参数化设计方法计算机工程应用。（）：高晓青，杨瑞峰基于的总线串口卡设计电子技术应用，（）：（责任编辑马宇鸠）（上接第页）