增量式光电脉冲编码器的单片机计数器

1、第10期元器件与应用27增量式光电脉冲编码器的单片机计数器金建新华中理工大学机械学院武汉市430074【摘要】文中重点讨论基于单片机的光电脉冲编码器计数器的软件倍频和辨向原理,并从编码盘条纹和位置检测元件的空间分布原理出发给出了在编码器输出A、B正交方波的前提下最多只能4倍频的结论,最后介绍了集倍频、辨向、计数于一体的单片机计数器原理,该计数器具有消除抖动误计数、倍频数可选、计数长度无限制的特点。关键词:光电脉冲编码器基于单片机的计数器软件倍频软件辨向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光电脉冲编码器对计数器的要求光电脉冲编码器又称光电脉冲发生器,现在广泛地被作为数控机床等设备的位置信息反馈元件。最常1用的两相光电脉冲编码器的结构原理可见文献。这里要特别强调两点:(1)编码器输出的A、B两相矩形脉冲波是同一个光电盘上圆周等分明暗条纹的空间位置通过两个处在不同位置的光敏三极管检测后在时间轴上的映射;(2)A、B两相矩形脉冲波是正交的,且共同携带光电盘角度位置信息和转动方向信息。假设光电盘上的圆周等分条纹数为N,则被测对),光电脉冲编码器的A、象旋转一周(即360°B两相分别发出N个脉冲。那么,A、B两相的

5、脉冲当量P可以写为:(1)P=360°/N收稿日期:1999201214修改稿日期:1999206223通过一时钟脉冲触发计数器记下P的数量,假定P的数量为n,则被测对象旋转的角度可写为:=nP(2)再假设在时间T内P的增量为n,则被测对象旋转的角速度可以写为:=nP/T(3)通过上面的分析,可知光电脉冲编码器工作在数字形式,可直接用于测量角位移和角速度,间接用于测量直线位移和直线速度。因此,要将编码器作为位置反馈元件,其关键是要(3)式的解码计数电路。对解有记录(1)式和计算(2)、码计数电路的要求是:(1)能够根据A、B相脉冲的相位自动判别光电脉冲编码器的旋转方向。(2)要有倍频

6、功能,以便充分利用A、B两相脉冲28仪表技术与传感器1999年波共同携带的位置信息。(3)计数器应是可逆的,且计数器的计数长度要有一定容量。(4)能实时以数字形式或模拟形式输出位移或速度值,以适应不同的需要。2倍频和辨向的理论基础A、B脉冲(波形见图1:明条纹对应1,暗条纹对应0)共同编码携带光电盘的转向和位置信息,要将这两种信息识别出来,其前提是要充分注意A、B是光电盘的空间位置在时间轴上的展开。显然,对于只有A、B两个讯号输出的光电脉冲编码器,m=2,故其最小角度计数当量为P/4。这就是所谓的倍频,即通过电路处理可使计数器频率为其中一路讯号输出频率的m倍。212辨向设光电编码盘的输出信号经

7、过倍频后的最小脉冲当量为J,则对于圆周上均布有N条条纹、m相输出信号的编码盘有:m(4)J=360°/N/2、,J都是矢量,即都是有以上讨论的量,如P、方向的量,那么以“+”表示码盘正转,以“-”表示码盘反转。下面以m=2时为例,讨论J的符号取出问题:在图1中,A、B输出的讯号为An、B,且n,;J当量时,即J的绝对值增1,这时n+,1;依次往下正转,An+2=0,Bn+2=1;An+3=0,Bn+3=0;An+4=An=1,Bn+4=Bn=0。同样,当码盘反转时,对应的A、B状态变化为: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。图1综上分析,码盘在转动时,其A、B讯号状态是按图2所示的状态循环的。211倍频由图1可知,由于A、B脉冲波对应码盘明暗条纹的空间位置,其脉冲的上升下降沿(这里,上升还是下降是由编码盘的转动方向决定的:正转时的上升沿在反转时就变成下降沿,反之则反)的相对位置是固定不变的,将A、B进行逻辑半加,可以看出A B的边沿永远不能重叠。该边沿携带了码盘的等分位置讯息,在一个P的距离之内,包含22有个边沿,且边沿之间的空间距离是相等的,也就是说一个P的距离被4等分了。这个距离的等分是由如下事实决定的:码盘的明条纹宽度和暗条纹宽度是相等的;A、B光敏三极管之间的距离是明暗条纹宽度

9、的和的1/22,即P/4。由以上的讨论可以得出以下结论:结论1:拾取A B脉冲的边沿并计数,计数值代表了码盘转过的角度,此时的计数角度的脉冲当量为P/4。结论2:在码盘等分条纹数不变的前提下,要想提高分辨率,即减小计数角度的脉冲当量,唯一的途径是增加检测元件光敏三极管的个数,即增加编码器输出讯号的数量;若输出讯号的数量为m,则要求有m个光敏三极管,这m个光敏三极管之间的排列距离是mmP/2;这时,其角度计数当量为P/2。图2图2中,Si(i=0,1,2,3)表示编码盘输出信号A、B的组合状态: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、知所谓转向,就是A、B讯号状态的转换,且状态之间的转换是唯一的。当A=1,B=1时,若正转,其下一个A、B讯号状态肯定是A=0,B=1;若反转,其下一个A、B讯号状态肯定是A=1,B=0。因此,根据A、B讯号状态循环图就可以决定J的符号。为方便起见,重新规定:无论正转还是反转,A、B的当前状态(即现态)为An、Bn,A、B的下一个状态(即次态)为An+1、Bn+1.对照图3,列出各种情况下J的符号如下表:第10期表1AnBnAn+1Bn+1元器件与应用29J的符号1001110110010000111001001001+-下面简单介绍图3中所示计数器硬件、软件功能:311硬件功能安排如下(1)

11、hsi.0作为A B的边沿检测器。hsi.0工作在事件触发中断状态,且正负边沿都进行触发;hsi.0中断级别应设定为最高。(2)P014、P015、P016作为A、B、Z的状态输入口。(3)PWM口输出模拟量,指示光电脉冲编码器的旋转速度。(4)串行口可以和其他计算机系统进行通讯,以输出速度数字量或计数数字量,也可以串行Z输出数字量供LED进行实时显示。(5)P2。(6),如:由用户。1KC的软件应具有如下功能,hsi.0的上升或下,这保证了对所有A B信号正负边沿的拾取;(2)根据需要指定3字节或任意个字节片内寄存器作为计数器;(3)当中断发生时,中断服务程序应立即读入A、B的当前状态作为A

12、n+1、Bn+1,并根据表1计算出J的符号,然后根据J的符号对用于计数的寄存器进行加J或减J运算,最后保存A、B的状态作为An、Bn以供下次中断计算符号使用;这保证了计数脉冲矢量和的正确性;(4)单片机的主程序即在非中断状态时可根据需要将计数器的数据进行加工后从串行口、PWM或并行口输出。由以上讨论又可以得出以下结论:结论3:为了辨向,必须有m2;脉冲倍频是辨向信号的副产品;结论4:为了避免误计数,J必须是单位矢量。在进行倍频和辨向后,将矢量脉冲当量J进行简单代数累加,即得增量式编码盘的绝对转动位移量,这个位移量的取得是使用编码盘的唯一目标,由结论4可知,当码盘在某一位置发生振幅为|nJ|其累

13、加和不变。23基于80196KC动位移量,、辨向和累加电路。这可以由时序逻辑电路组成计数器实现,并且已经有了较好的倍频和辨向电路1。根据实际使用的要求,该计数器要有24位二进制以上的计数长度,且能可逆计数。如果采用一般的集成电路实现计数,将有体积庞大、功能单一等不尽人意的地方;市场上出售的大规模集成电路计数器也只能单向计数816位,难以满足实际的计数要求。采用单片机作为载体,以硬件和软件相结合的办法,实现光电脉冲编码器的计数,能大幅度提高计数电路的性能。由80196KC单片机组成的光电脉冲编码器计数电路原理如图3所示:4总结用80196KC作为计数器有以下优点:(1)由于采用80196KC内部

14、寄存器作为软件计数器,因此计数器的长度没有限制,可设定为任意长度字节。(2)计数器的倍频、辨向、计数全部由软件实现,不可能出现抖动误计数问题。(3)计数器数字输出灵活多样,既可输出角度位移,也可在作简单计算后输出速度或其他用户特殊要求的量。(4)由于系统硬件简单,没有电阻、电容等模拟量元件,加上单片机本身具有的高品质,因此计数器体积小、价格低,且使用灵活,可靠性、实用性大大提高。和任何计数器电路一样,该计数器对A、B两讯号图330仪表技术与传感器1999年输出的最高频率,即码盘的最高转速有一定限制。这机码盘的速度要求。该计数器已经用在作者研制的3是由80196KC的中断服务程序执行时间长度决定

15、的。“交流异步电机驱动的数控键槽铣床”控制系统中,如果不注意这一点,造成中断响应不及时,将造成计数经长期在工厂使用,证明性能良好。脉冲的丢失。本文讨论的编码盘计数电路,可以不加改动地用假设中断服务程序的最大执行时间为t,在一个于增量式直线光栅的绝对位移计数中。P内要中断4次,则A或B脉冲的输入频率famax=t);根据笔者使用实践,当80196KCfbmax=1/(4×ts,这时的时钟为16MHz时,25(5)famax=fbmax=10000Hz100×10-6这样,计数器每秒能计数10000次,能满足一般电(上接第26页)参考文献1李福生主编.实用数控机床手册.北京:北

16、京出版社,1993.2李哲英等编著.MCS96MC68单片机原理与应用.北京:清华大学出版社,1995.3孙钰,吴上生,金建新等.交流异步电机驱动的键槽铣床的自学习预报控制.中国机械工程,1996;7(12).这段程序的作用是:接入A3的传感器信号被补偿地测量50次,转换的结果以BCD格式加载到主工作寄存器FLAC,并将FLAC送液晶显示。上述程序,个8位字节。虽然TSS2400的硬EEPROM寻址最大为2k4仪器功能、411图2电路设计是极为精简的,它可实现如下功能:(1)由于软件的补偿功能,所选用的传感器可以是一个非校正的铂电阻温度传感器;(2)全标尺非线性±1±112

17、5LSB,通过补偿和校正,可确保12位A/D转换精度;(3)A/D转换同SVDD比例相关,典型的SVDD抑制比为-115LSB/V;(4)单端补偿测量ADC转换时间112s(典型);(5)温度稳定度0103LSB(典型)(6)传感器用EEPROM电源可程控,一枚112Ah的锂电可使用5年;(7)电池供电带来极高的抗干扰性能。412主要特点(1)量程比较宽广EEPROM,EEPROM中,定期,再存贮新的满足要求。4(1)工作电压范围:216515V;(2)工作温度范围:040;(3)功耗(VDD=3V):011AA(OFF方式);4(DONE方式);80A(ACTIVE方式,不进行A/D转换);

18、300A(ACTIVE方式,进行A/D转换)。5结论(1)从TSS4002S1的设计性能看到,最具特点也由于该仪器几乎不存在普通传感器的非线性范围,因此量程比可调整到1001以上,也就是说,用一台传感器即可覆盖多台传感器的量程。(2)精确度高可以达到±011%的精确度。(3)温度特性好由于传感器已经以对应环境变化的固有特性数据为基础进行了补偿运算,从而使传感器具有良好的环境适应性。(4)具有灵活性和通用性是最关键的在于它的高精度、超低功耗和编程效率、极高的宏编程语言。采用宏编程序用户在几天甚至几小时开发一个应用程序是很实际的。(2)由于TSS4002S1有较强的数据处理能力,可以通过数据处理进行自动校正、非线性补偿、数字滤波等修正和克服由传感器、放大器等引进的误差和干扰。从而大大提高了仪器的精度和其它性能指标。(3)能自身测试功能是否正常,自行诊断是否存在故障及故障的部位,提高了仪器的可靠性,