绝对式光电编码器的接口装置设计与应用

1、Equipment Manufactring Technology NO.5, 2007绝对式光电编码器的接口装置设计与应用蒋利勇 , 李伟光(华南理工大学机械工程学院 , 广东 广州 510640摘要 :介绍了一种基于 A T 89C 52单片机的接口装置的硬件及软件设计 , 实现对绝对式光电编码器的数据采集、 转换、 显示及输出。 关键词 :绝对式光电编码器 ; 同步串行接口 ; 接口装置 中图分类号 :TP 21文献标识码 :A文章编号 :1672-545X (2007 05-0062-03光电编码器又称轴编码器 , 它以高精度计量圆光栅为检测 元件 , 通过光电转换将输入轴的角位移信息

2、转换为相应数字代 码。因其结构简单、 计量精度高、 寿命长等优点 , 近年来在数控 机床的精密定位方面使用较多。 绝对式编码器因在分辨力区间 输出与其码盘机械位置相对应惟一的数字编码而得名 , 其信号 输出形式有并行和串行输出两种 , 其中串行输出以 SSI 接口 (同步串行接口 数据连线少、 可靠度高的性能优势而得到较多 应 用 。 笔 者 以 A T89C52单 片 机 为 核 心 , 针 对 海 德 汉 公 司 的R O Q 425(SSI 绝对式光电编码器进行接口装置的设计 , 以实现对传感器数据的采集、 显示及传输。1绝对式光电编码器的工作原理绝对式光电编码器的结构如图 1所示 ,

3、主要由光源、 光栅 付、 光敏元件、 码盘、 电子处理电路等部件组成。码盘一侧的光 源发出的平行光经过光栅付照射到码盘的透明和不透明区段 , 在透明区段光线会穿过码盘 , 在不透明区段则不会。在码盘另 一侧的光敏元件 , 接受到从透明区段透过的光线 , 经过光电转 换及电子处理电路的调制后将位置信息以数字信号形式输出。 根据码盘上透明区段刻划规律的不同 , 绝对式编码器输出的数 字信号的编码类型也不同 , 主要有二进制码与格雷码两种。相 对于二进制码 , 格雷码是单位变化码 , 即从一个位置到相邻位 置仅有一位变化 , 可提高位置检测的可靠性。 因此 , 大多数绝对 式编码器都采用格雷码方式编

4、码。图 1绝对式编码器结构与原理图绝对式光电编码器又可分为单转型与多转型 , 单转型绝对 编码器将码盘的一周分成若干个测量步 , 对应每一步都有惟一 确定的码值 , 由于这些码值在每一转都会重复 , 因而单转型绝 对编码器多用于旋转轴旋转量不超过一转的角度测量 ; 多转型 绝对编码器不仅能够对一转内每一个确定的角位置进行编码 , 还能够对转数进行编码 , 因而适用于旋转轴的多转角度测量。R O Q 425绝对式光电编码器是多转型绝对式编码器 , 共有 4096(12位 圈 , 每圈有 8192(13位 个位置值 , 其电器参数为 , 工作 电压 :10V 30V ; 输出码 :格雷码 ; 信号

5、输入 :TTL 时钟信号 ; 信 号输出 :同步串行信号(SSI 。其读数时序如图 2所示。 图 2编码器读数时序图2系统硬件结构系统的硬件结构框图如图 3所示 :图 3系统硬件结构框图2. 1中央处理器中央处理器是系统的控制核心部件 , 系统选用 A TM EL 公 司 的 89系 列 单 片 机 A T89C52, 其 内 部 含 有 8K 的 电 可 擦 除 Fl ash 程序存储器 , 可方便地装载或修改系统程序。根据设计要 求 , 可实现系统监控、 数据采集及转换处理、 键盘扫描及显示等 功能。收稿日期 :2007-03-26作者简介 :蒋利勇 (1978 , 男 , 湖南耒阳人 ,

6、 华南理工大学机械工程学院硕士研究生 , 研究方向 :制造系统的计算机控制 ; 李伟光 (1958 男 , 江 西永丰 , 华南理工大学机械工程学院 , 教授 , 研究方向 :制造自动化与机电一体化。光敏元件光栅付 光源码盘 轴C l ockTT pT aD at aM S BLS BD n D n-1D n-2D n-3D 2D 1S 数据采集模块按键电路看门狗与E E P R O MC P U数字量输出液晶显示62装备制造技术 2007年第 5期2. 2数据采集模块由 于 编 码 器 R O Q 425的 输 出 信 号 是 符 合 R S-485协 议 的 电平 , 因而需将其转换成可以

7、输入单片机的电平。能完成这种 转换的芯片很多 , 大致有两类 :全双工和半双工。 由编码器读数 时序图 , 我们知道数据的输出在时钟信号下降沿转换 , 在时钟 信号上升沿传送 , 因此应该选用全双工的转换芯片。我们选用 的 M ax491芯片 , 是一种用于 R S-485和 R S-422通信的低功率 收发器 , 它的芯片中包含一个驱动器和一个接收器 , 并且可以 以 2.5M bps 速率进行传输。数据采集电路图如图 4。在该电路 中 , 我们用单片机的 P1. 4口来模拟产生绝对式编码器读数时 所需的同步时钟信号 , 用 P1. 5口接收数据 , 同时为了减少电路 前后的干扰 , 在电路

8、中装上了两个光耦器件进行光电隔离。图 4数据采集电路图2. 3看门狗与 E E P R O M系统在工业环境下运行时 , 抗干扰能力是评价其性能的一 个重要指标。看门狗电路是自行监测系统运行的重要保证 , 我 们采用 X i cor 公司的 X 25045芯片将 EEPR O M 、 看门狗定时器、 电压监控三种功能集中到单个芯片内 , 大大简化了硬件设计 , 提高了系统的可靠性。其硬件连接图如图 5所示 :图 5芯片 X 25045与单片机硬件连接图单片机的复位信号共有 3个 :上电复位 (C1、 R 2 , 人工复位 (S 、 R 1、 R 2 和看门狗复位 (C2、 R 3 。 X 25

9、045内看门狗电路的定 时时间可由具体应用程序的循环周期决定 , 通常比系统正常工 作时最大循环周期的时间略长即可。编程时 , 在软件的合适地 方加一条喂狗指令 , 使看门狗的定时时间永远达不到预置时 间 , 系统就不会复位而正常工作。 当系统跑飞 , 用软件陷阱等别 的方法无法捕捉回程序时 , 则看门狗定时时间很快增长到预置 时间 , 迫使系统复位。 X 25045内 512字节的串行 EEPR O M 可 为用户的特殊应用提供便利 , 如保存用户的设定值。2. 4液晶显示与按键电路系 统 人 机 交 互 界 面 采 用 通 用 液 晶 模 块 12232系 列 的12232F 图形点阵液晶

10、显示器与 4键独立式键盘。 12232F 液晶显 示 器 内 置 8192个 16×16点 汉 字 库 和 128个 16×8点 A SCI I 字符集 , 主要由行驱 动 器 、列 驱 动 器 及 128×32全 点 阵 液晶显示屏组成 , 可显示图形及汉字 , 实现系统参数与当前测 量值的显示。 4键独立式键盘用于实现系统的参数设定及功能 切换。2. 5数字量输出接 口 装 置 的 数 字 量 输 出 模 块 通 过 采 用 M A X 202与M A X 483芯片实现 R S-232、 R S-422与 R S-485输出 , 以便实现上位机及其他外部设备

11、同 SSI 接口绝对式编码器的数据通信。3系统软件结构接口装置在系统软件的控制下 , 实现对 SSI 接口光电编码器的数据采集、 数据处理、 显示及输出等操作。 系统软件设计过 程中充分利用模块化设计思想 , 以实现程序结构优化 , 减少主 程序运行时间 , 保证一定的采样频率。3. 1主控程序主控程序主要对系统进行初始化、 设置参数读入及根据用 户需要调用相关功能模块。主控程序流程图如图 6所示 :图 6主控程序流程图3. 2数据采集由编码器 R O Q 425读数时序图可以看出 , 编码器的绝对位 置值由时钟信号触发 , 从最高位(M SB 开始输出与时钟信号同 步的串行信号 , SSI

12、标准的信号为 25位(12位圈数 +13位单圈 位置值 串行。当不传送信号时 , 时钟和数据位均为高电平 , 在 时钟信号第一个下降沿 , 当前值开始储存 , 从时钟信号上升沿 开始传送数据信号。部分采集程序如下 :SJCJ:SETB P1. 4SETB P1. 5CPL P1. 4N O P ; 第一个下降沿开始存储数据 N O P SETB P1. 4N O P ; 第一个上升沿开始发送数据最高位 M O V C,P1. 5CPL P1. 4M O V 2FH . 0,C ; 将最高位存入 2FH 单元第 0位 N O P1234567D A TA +D A TA -C LO C K +C

13、 LO C K -111098141312V ccN . C . A B Z Y N . C . N . C .R O R E D E D 1G N D G N DM A X 491V ccH I I L2R 30. 5KR 40. 5K R 10. 5KR 10. 5KV cc P 1. 5H I I L1P 1. 4V ccSR 11K R 210K R 310K C 122F 74LS 320.1F P 1. 3P 1. 2P 1. 189C 52P 1. 012345678X 25045R E S E TS C K S IC 2S O W P V ss R E S E T C S V

14、ss ! 1开始 按键处理程序数据输出系统初始化 数据采集 数据处理 按键 ?YN 63Equipment Manufactring Technology NO.5, 2007! 6结束语目前在我国数控技术正迅速向各工业部门渗透 , 随着电子 技术的发展 , 数控技术在国民经济中的地位也就随之提高 , 那 么对于数控技术重要组成部分 数控系统维修技术也应迅 速适应数控技术飞速发展的要求 , 作为一名数控系统维修技术 人员 , 就应该不断地学习和掌握新的知识与技术 , 寻找新的维 修诊断方法和手段 , 为推动数控系统维修技术的发展做出应有 的贡献。参考文献 :12345678The D i ag

15、nos i s and M ai nt enance Technol ogy i n M oder n N C M achi ne Tool sLIBo 1,JID ong-wei2(1.X i an A er ospace W or kerU ni ver s i t y,X i an 710021,Chi na;2.Col l ege ofM echani calEngi neer i ng,G uangxiU ni ver si t y,N anni ng 530004,Chi naA bst r act :A tpr esent ,t he appl i cat i on ofN C

16、t echnol ogy i s m or e and m or e wi despr ead.The m et hod ofm ai nt ai ni ng N C m achi ne t ool s i s di s-cus sed by t he aspect s oft he s t r uct ur e and char act er i st i cs oft he N C syst em ,f aul tdi agnosi s and anal ysi s,f aul tel i m i nat i on and so on. K ey w or ds :N C m achi n

17、e t ool s ; M ai nt enance m et hod ; Faul tdi agnosi s张宝林 . 数控技术 M .北京 :机械工业出版社 , 1997. 邹兆东 , 贺艳 . 数控系统发展趋势 J . 机械研究与应用 , 2006, (01 :24-27.董淳 . 数控系统技术的发展新趋势 J . 可编程控制器与工厂自动化 , 2006, (01 :15-18.鲁方霞 , 邓朝晖 . 数控机床的发展趋势及国内发展现状 J . 工具技术 ,2006, (03 :9-12.张杨林 . 我国数控技术的进展及发展趋势 J . 轻工机械 , 2006, (01 :42-43.舒志

18、兵 , 严彩忠 , 黄益群 , 张海荣 . 数控机床和数控系统和发展综述J . 伺服控制 ,2006, (01 :35-37.蔡燕琴 . 数控系统的发展方向 J . 机械制造与自动化 ,2006, (01 :9-11盛伯浩 . 数控机床的现状与发展 J . 机电新产品导报 ,2006, (01 :15-18. SETB P1. 4N O P ; 第 25个上升沿开始发送最数据低位 M O V C,P1. 5CPL P1. 4M O V 2CH . 0,C ; 将最低位存入 2CH 单元第 0位 N O P SETB P1. 4R ET3. 3数据处理与按键处理模块该模块将采集到的格雷码数据进行

19、编码转换 , 将转换后得 到的 BCD 码传送至 12232F 的显示缓存 , 以显示当前编码器检 测到的 绝 对 位 置 值 , 并 通 过 按 键 判 断 后 将 数 据 保 存 至 EEP-R O M 或通过数字量输出单元传送给上位机及其他外部设备。4结束语该接口装置融编码器数据采集、 数据处理及显示功能于一 体 , 可 作 为 R O Q 425(SSI 绝 对 式 光 电 编 码 器 的 二 次 仪 表 使 用 , 通过适当的硬件与软件修改后亦可用作解决数控系统中上位 机及其他外部设备与 SSI 接口绝对式编码器的接口匹配问题。参考文献 :123D esi gn and A ppl i cat i on ofI nt er f ace D evi ce f orA bsol ut e O pt i calE ncoderJI A N G Li -yong , LIW ei -guang(SchoolofM echani calEngi neer i ng,Sout h Chi na U ni ver si t y ofTechnol ogy,G uangzhou 510640,Chi naA bst r act :I n som