基于FPGA的增量式光电编码器计数电路设计-图文

口经验交流口据较充分的集镇中心区宜采用空问负荷预测法、曲线法、弹性系数法、GM(1,1灰色模型和组合预测模型等。4计算结果及分析4.1功能小区负荷预测以蒸湘五区为例,分别采用回归分析法、负荷密度法、灰色模型、logistic模型以及组合预测法进行预测。(1回归分析法通过绘制蒸湘五区历史负荷数据的散点图,可以得知,该小区的负荷发展呈指数形态,经最dx--乘法估计参数a、b。可得该功能小区的回归模型为:,,。=power(10,1.3207+0.0189}t(1式中,儿表示第t年的负荷值;t表示时间序列。(2负荷密度法蒸湘五区为商业、居住用地,由于这两类用地的负荷密度相差较大,所以在用负荷密度法进行预测时,将蒸湘五区进一步划分成更小的蒸湘五A区和蒸湘五B区。其中,蒸湘五A区仅包含商业用地;蒸湘五B区仅居住用地,以保证每个小区内用地功能性质的相同。(3灰色模型通过灰色CM(1,1模型进行预测,累加数列算¨’的灰色预测模型为:∥’(K+1=exp(0.058XkX329.3855—309.966后=0,1,2……(2式中,玉表示数列下标。(4logistic模型预测模型为:1茗;=—二百(c>0,吐>0,b<0(3C十ne(5组合预测法采用协方差优选组合预测法(即MV法。经式(1—3计算可得,回归分析,负荷密度法,灰色模型、logistic模型的权重分别为0.1006、0.0247、0.0138、0.8609。则组合预测模型为:f=4∑伽zi=l(4式中:留依次表示回归分析,负荷密度法,灰色模型、logistic模型的权重Z依次表示回归分析、负荷密度法、灰色模型、logistic模型的预测值。即可得到蒸湘五区2007年~2010年的负荷预测结果见表1。根据各功能小区的用地性质的不同,选择不同的预测方法,对城南区其余功能小区进行预测,其预测结果见表2。堡墨堡塞旦座.表1蒸湘五区2007年一2010年的负荷预测结果功能小区预测方法2007正2008正2009年2010矩回归分析22.829723.845224.905826.0136负荷密度23.020323.351124.110925.822l蒸湘五区灰色模型23.407524.805326.286527.8562S曲线模型23.012l23.897225。137626.8597组合预测22.985723.876725.089826.747表2城南区其余功能小区预测结果小区名称2007正2008正2(Y09薤2010蒸湘五区22.9823.872.0926.74中心二区43.4343.6644.145.82蒸湘六区7.027.548.649.48钢管区8.2112.0417.320.59中心一区37.1737.3838.2l39.1l4.2预测结果分析从表2中可以看出,2007—2010年,所属城南区的5个功能小区中,钢管区的负荷有大幅度的增长,因为钢管区内将新建钢管深加工工业园,大量的员工家属将搬迁至园区内,使得钢管区成为新的负荷增长点;中心一区商业繁华,负荷高、负荷密度大,但由于这两个功能区的负荷已趋于饱和,所以,近几年将不会有太大的涨落。以上分析充分说明了功能小区负荷预测是与衡阳市城区发展的实际情况相符合。’5结论功能小区中长期负荷预测不仅可以预测负荷总量,还可以预测负荷的空间分布,是今后城市配电网规划中必不可少的环节,具有重要的现实意义和广泛的发展前景。预测中应结合各分块的用地性质、数据情况和预测方法本身的特点来选择合适的预测方法。口参考文献[1]杨期余.配电网络[M].北京:中国电力出版社,1998。[2]方向晖.中低压配电网规划与设计基础[M].北京:中国水利水电出版社,2004.[3]刘思峰,郭庆榜等.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学出版社,1999.[4]RanaweeraD.K,KaradyG.G.FannaerR.G.Economicimpacta—nalysisofloadforecasting.IEEE.TransactionsonPowerSystem.1997,12(3P:1388—1392.作者简介:粟庆(1976一.男.湖南长沙人,主要从事电力市场及电力系统自动化方面的研究工作。收稿日期:2007—11—14(7793文章编号:1671—1041(200803—0090—03基于FPGA的增量式光电编码器计数电路设计何勇1…。范永坤1,王涛1…。王仁杰1・2(1.中国科学院光电技术研究所,四川,成都,610209;2.中国科学院研究生院,北京。100039摘要:本文介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA的光电编码器数据采集系统。提出了测速算法一变M/T法。讲述了鉴相、四倍细分及测速的原理。并给出了硬件设计电路。关键词:光电编码器;鉴相;四倍细分;测遽中图分类号:TN6文献标示码:B90ElCVol。152008No,3DesignofthecircuitofcountingforincrementalencoderbasedonFPGAHEYong‘。。,FANYong.kunl,WANGTao‘”,WANGRen-jiel・2(1.TheInstituteofOpticsandElectronics。theChinese欢迎光临本刊网站万方数据仪器仪表用户AcademyofSciences,Chengdu610209,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039。China,Abst曙ct:AkindofdatacollectionsVstemofincrementaIerw,odersiSintroducedbasedonFPGA。proposedawayofmeasurevelocIty-themethodofalterableM/T。anddescribedthepnncipleofthefourfoId-frequencysubdivision,thedirection-judgmentandthemethodofmeasurevelocity.Andthehardwarecircuitdesignwasalsogiven.KeyWOrds:incrementalencoders:direction-judgment;fourfold—f睁quencysubdivision;measurevelocity光电编码器作为一种高精度的测角、测速传感器已普遍应用于伺服跟踪系统中,它具有精度高、响应快、性能稳定可靠等显著的优点。根据角度代码形成方法的不同,可将编码器分为增量式和绝对式两大类。绝对式光电编码器的缺点是制造工艺复杂,不易实现小型化。增量式光电码器的缺点是无记忆能力,断电后要重新计数。但由于增量式光电编码器成本低、测角和测速精度高,我们工程中选择了使用增量式光电编码器,故本文主要研究增量式光电编码器。增量式光电编码器的输出信号为方波信号A相、B相信号及z相基准定位信号。A相与B相的相位相差90。。1鉴相原理!n门几门厂!几r]厂1nn——豢—]塑图1编码器输出波形脉冲鉴相的方法比较多,既可以用软件实现,也可以用一个D触发器实现。图1是编码器正反转时输出脉冲的相位关系。由图1中编码器输出波形可以看出,编码器正转时A相超前B相900,在A相脉冲的下降沿处,B相为高电平;而在编码器反转时,A相滞后B相90。,在A相脉冲的下降沿处,B相输出为低电平。这样,编码器旋转时通过判断B相电平的高低就可以判断编码器的旋转方向。光电编码器每旋转一圈,输出一个基准脉冲(即z相,基准脉冲的波形中心对准通道A输出的波形中心。2硬件四倍细分原理由增量式光电编码器的输出可知,在一个输出周期内,A相和B相两路输出信号共产生4个跳变沿,如果能捕获跳变沿并进行计数就能够实现提高4倍的编码器分辨力。具体的硬件实现电路如图2所示,A2、B2分别滞后Al、B1一个时钟周期,同时B1、B2相位分别延迟A1、A2相位90度,经过2个异或门和1个或门后,信号P的频率就变为A相(或B相信号的4倍,可见只要保证CLK时钟频率大于A相(或B相信号频率的4倍以上就能实现4倍细分。3测速原理常用的测速方法有三种:M法、T法和M/T法。(1M法测速(又叫定时测角法:即在规定的时问问隔T。内,测量所产生的脉冲数m。来获得被测速度值,这种方法称为M法测速。该方法的问题是计时准确计数不准确。因为此方法榆测的起始时问和终止时间都具有随机性,测量过程在极端情况下会产生士1个转速脉冲的检测误差,914相对误差为1/m.。当被测转速较高时,m,才会较大,相对误差才会较欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息口经验交流口小,这说明M法适用于高速测量场合。(2T法测速(又叫定角测时法:即测量相邻两个脉冲的时间间隔来确定被测速度的方法。该方法的问题是计数准确计时不准确。在极端情况下,时间的检测会产生士1个高频脉冲周期误差。且随着转速的升高,检测时I.日】将减小,误差的影响就会更显著。该方法只有在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时问较大时,才有较高的测量精度。(3M/T法测速(图3:同时测量检测时闻和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速。它是用规定时间间隔T。以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器,并由此计数器值m,来确定检测时间T。检测时间为:T=T。+△T。由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频率,因此如果用转速脉冲信号的上升沿/下降沿来同步计数器的起止,在预定的测速时间内,转速脉冲信号的计数值将为整数(无误差,只有高频时钟脉冲会产生士1个周期的误差,因其很小,影响可以忽略,所以M/T法可适用于测量高、低速的场合,且具有较高的测速精度,但检测时间不宜过长。虽然M/T法测速可满足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求,它具有宽的调速范围、高精度和高分辨率的特点,但对于快速响应的伺服系统,M/T法在低速运行时,会使检测时间过分加长,这是速度闭环所不能忍受的。为了解决检测时间过长问题,我们采用了可以称为变M/T法的测速方法,其测速原理图如图4所示。脉冲多址h_————罂L—一.誊眚耻些型些持篇兰碧}——————￡———一被测信号黧矗础ii【|L====::删K:茹脉冲。—————、,i西——。时基计数F52≮1。吲r]广]n厂]n门r]山I叫叫山刚删uj删瑚刿山刚山山山图4变M/T法澍迷原理豳测速公式为:V:竺坐翟L型,其中,m;转速脉冲计数值,m2羊Pm:是高频时钟计数值,f是高频时钟频率,P是光电码盘每转一圈发出的脉冲数。由公式可见,要想高精度测得速度,m。和m:一定要精确得到。m。精确相当于转过的角度准确,m:精确相当于计时准确。参考闸门上升沿到来时,并不立刻开始对被测信号计数,而是等被测信号上升沿到来时才开始计数,这就保证了计数起始时刻的准确性;同样当参考闸门下降沿到来时也不立刻停止计数,而是等被测信号的上升沿到来足才停止计数,这就保证了计数停止时刻的准确性。这样计得的被测信号一定是整数个周期,认为是精准的。但对标准时钟的计数就不那么精准了,因为其开始和截至时刻没有手段保证和被测信号的起始和截至时刻严格对齐,极端情况会差士1个时钟周期,但标准时钟是高频时钟(一般都是nS级,对速度测量的精度影响相对较小。用该方法可实现高精度测速。4工程应用(I方案分析工作系统要求的调速范围是0.004~100度/S;速度环的频率为500Hz,即每2ms取得一次速度信息。所用编码器足RESR增量式光电编码器,旋转一周输出的脉冲数为25949555个,经4倍细分后实际的脉冲数P=103798220个。参考闸门取500Hz的高电平阶段,即0.001S时间。々[,、理论上可测得的最低转速大约为:而霸甄夏DO而U丽巧丽2o・0035度/s,满足工作系统提出的最低转速要求。以最高转速100度/s旋转时,1ms内最大编码器输出脉冲数:0.001×103798220×100/360=28833个,所以选用16位计EICV01.152008No.391万方数据口经验交流口数器(可计数65536作为转速脉冲计数器可满足要求。高频计时基准时钟可以选择30MHz,这样高频时钟计数器也可以选择16位宽。(2设计实现具体设计的实现是采用Xilinx公司的SPARTANII系列XC2S50—6PQ208。设计中不加任何约束的情况下最高可工作到76MHz。主要的VerilogHDL代码如下://鉴相电路always@(posedgecode_Abeginif(!code_Bcode—dir<=1;//正转(顺时针elseif(code—Bcode_dir<=0:elsecode—dir<=code—dir;end//四倍频计数电路always@(posedgeclkbegincode_A2<=code_A1:code_A1<=code_A:code—B2<=code_B1;code_B1<=code—B;code_AB<=(code_A1‘code—A2ll(code—B1“code—B2;endalways@(posedgecode—ABorposedgecode—zerobeginif(codezerocode_place_cnt4<=0;elseif(code_direode_place_cnt4<=code_place_cnt4+l:elseif(!code—dircode_place__cnt4<=code_place_ent4—1:elsecode_place_cnt4<=eode_plaee_cnt4;end//测速计数电路//获得闸门always@(posedgecode_ABbeginif(fre500cnt_en<=l;elsecnt_en<=0:end//编码器脉冲计数仪器仪表用户always@(negedgeeode_ABbeginif(cnt_encode_AB—cnt<=code_AB__cnt+1;elsebegincode—AB—cnt<=0:endend//标准脉冲计数always@(posedgeelk—stdbeginif(cnt_enclk_std-cnt<=elk—std—cnt+1;elsebeginclk_std_cnt<=0:endend5结束语根据经纬仪实际控制系统中,系统的调速范围宽、高低速速度精度要求高的特点,本文选定了变M/T法实现对力矩电机低速测量的实验方案。并给出了用FPGA单芯片实现的电路,该电路简单、实用、可靠性高,即克服了传统硬件方法计数电路复杂的缺点,也避免了纯软件方法占用资源多,且计数速度较慢的不利之处。另外对该电路改进计数算法及扩展对信号的进一步处理都非常容易,有较大的升级空闻。口参考文献[1]何勇,王生.光电传感器及其应用[M].化学工业出版社.2004.[2]姜庆明等.一种基于光电编码器的高精度测速和测加速度方法[J].微计算机信息,2004,20(6[3]吴广涛.基于USB的直流电机控制系统设计实现.中国科学院研究生院硕士学位论文.2006,06.[4]Spartan一1I2.5VFPGAFamily:CompleteDataSheet.2004.08.[5]DataSheet,RESRAccuracyGuide.L一9517—4531—02一AIs—sue2一April.2004.作者简介:何勇(1977一J,男,中国科学院研究生院硕士研究生,主要研究方向:信号与信息处理;范永坤,男,中国科学院光电技术研究所副研究员,主要研究方向:随动控制计数。收稿日期:2007—11—12(7781文章编号:1671—1041(200803—0092-03快速定位条形码条空转变处的方法贺力。郝晓莉(北京交通大学电子信息工程学院,北京100044摘要:定位条形码条空间转变处的算法是影响获取条形码信息性能和速度的关键算法。本文论述了当前两种定位算法的过于简单或过于复杂的问题。提出了一种将阈值和低通滤波相结合的算法。该算法简单且易于实现。能够对条形码条空间转变处进行高速准确的定位。关键词:条形码:转变处;定位中图分类号:TP391.41文献标识码:BMethodforfastlocatingthetransitionbetweentheelementsofabarcodeHELi。HAoXiao・li92EICVOI.152008No.3fSchoolofElectronicsandInformationIBeijtngJlatongUniversity.Beijingl00044,ChinaAbstract:Locatingthetransitionbetweentheelementsofabarcodeisthekeyalgorithmwhichaffectsthespeedandperformanceofac-quiringbarcodeinformation.Nowadayslocatingalgorithmsareeithertoosimpleortoocomplex.Thisarticleprovideanalgorithmwhichin-tegratethresholdand!ow—passfilter.Thisalgorithmissimpleandeas