基于FPGA的多路增量式光电编码器测角电路设计方法-图文

万方数据数‘‘3有所不同,具有不丢步、工作状态稳定、适用于电机高转速下测角的良好特性。图2绝对式码盘图3增量式码盘2数字电路框图由于高转速时输出的A、B脉冲会很密集,如果用微处理器计数需要多次中断,效率较低且容易漏计,故适宜使用数字电路实现;同时考虑到设计需要对三路测角输入进行处理,采用FPGA实现会更快速稳定、集成度高,且使设计容易模块化和移植;并且,FPGA能够提供统一的时钟clk,不仅可以使得倍频的延迟时间(即计数时钟cp具有相同的宽度,而且能够同步整个电路。因此基于FPGA设计是个很好的选择。电路的输入是三组脉冲信号,每一组的处理方法相同,这里只介绍其中一组。总体功能框图如图4所示。图4总体功能框图3数字电路的各功能模块介绍3.14倍频电路,A、B脉冲的频率与电机转速相关,是时刻在变的,所以采用锁相环电路进行倍频复杂费时,可以用更简单的方法,即在A和B的上升沿和下降沿均产生脉冲,实现4倍频。基本原理是延迟同一信号取反后所得信号与原信号相异或,波形图如图5所示,倍频电路原理图如图6所示。由于延迟采用统一时钟控制,和以往采用R、C延迟相比,脉冲宽度可以取得一致。A]厂一B—■]i厂叩]厂]厂]厂]厂图54倍频波形图3.2鉴相电路当A超前B90。相位时,电机正转,输出高电平;当176B超前A90。相位时,电机反转,输出低电平。波形图如图7所示,对应的电路原理图如图8所示。输出信号updn除作为计数器加减功能的判断信号外,也可单独引出来作为他用。图6倍频电路图从波形图中可以看出,转换方向后的第一个c上升沿触发时仍在做加运算,第二个c上升沿触发时正常。由于用作计数的cp是在上升沿有效,cp上升沿对应c的下降沿,因此第二个cp以后都是做减运算;同理,从反转到正转时,第一个cp是做减运算,第二个cp以后都做加运算。这样来回改变转向的情况下,二者相抵消,不影响位置的确定。掣l!埘l图8釜相电路图3.3计数电路、光电编码器是l000线,4倍频后一圈有4000个cp,精度为0.09。,输出位置信号为12位。电路设计是在AltiumDesigner6.0下采用原理图和VHDL编程混合输入,编译仿真完成的。计数部分使用3个同步置数的16进制加、减计数器级联。原理图如图9所示。需要指出:计数范围是0~3999。遇到清零z信号后,当正向转动时,置数0,反向转动时,置数为3999=(1111100111112。因此置数端信号可以从updn信号引过来即:D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1Do=(/updn/updn/updn/updn/updnupdnupdn/updn/up—dn/updn/updn/updn。乎万方数据3.4锁存电路与输出计数模块输出的位置数据要先存人锁存器,再向外传输,以保证读出数据稳定,避免时序错误。锁存器是由VHDL语言描述的同步时钟锁存器[3]。读取数据后可以使用数码管显示或者直接采用标准RS232协议串行输出给上位机。使用数码管显示时,要将计数信号转化为相应的实际角度二进制信号再交给数码管显示。图9计数原理图4仿真验证仿真的elk周期取2ns,A、B信号周期取40as。在实际中,3000转/分的高速度,使用1000线的码盘,4倍频,电路所需clk是1MHz,FPGA提供的时钟远远高于这个需要。仿真基于的器件是Xilinx公司Spartan2EXC25300E一6PQ208C。仿真中设计了三种情况的测试平台,仿真结果如图10所示。5结语基于FPGA设计光电编码器信号处理模块,电路简单,功能实现快速稳定。从软件环境下的仿真波形到实验检测可以看出,本文提出的数字电路设计方案满足电机高速转动条件下实时准确处理的要求,可以应用在实际系统中。图10三种情况仿真结果参考文献[1]董莉莉,熊经武,万秋华.光电轴角编码器的发展动态[J].光学精密工程,2000,8(2:198—202.[2]闷胜利,袁芳革.AltiumDesigner6.0FPGA设计教程[M].北京:电子工业出版社,2006.[3]叶东,周志炜,张飚,等.基于FPGA的多路光电编码器数据采集系统[J].传感器与微系统,2006,25(5:45—47.[4]葛一楠,杨显富.基于CPLD的光电脉冲码盘信号四倍频电路设计[J].成都大学学报:自然科学版,2004,23(3:34—37.[5]候伯亨,顾新.VHDI,硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,1997.[63梁维力.车载三轴天线座测角精度分析[J].现代电子技术,2007,30(15:64—65,74.作者简介冯希女,1983年出生,在读硕士。主要研究方向为信号与信息处理。o,o,07,707,,o,070,_。_,o’o’o’07妇,,o,o,07_7,,,,o,o’o’o_,o_,o’o’o’o’o’o_,o’o,o,o',,o,o’o’,,,,,,o,o,_>,,7’,,,,7》7(上接第174页样几乎线性增长。只有在解压缩端接收到一个带有完整报文头的分组之后才能使出错率下降。我们可以根据分组的发送端对无线信道状态的敏感性,使发送端能够根据信道特性的变化状况而自动进行调整.通过自适应压缩算法来提高分组的传输效率和信道的利用率。参考文献[1]JaeobsonV.IPHeadersforLow—speedSerialLinks.RFCll44,1990.[2]CharlesPerkin.IPEncapsulationwithinIP.RFC2003,1996.[3]CharlesPerkin,IPMobilitySupport.RFC2002,1996.[4]BurmeisterC.RobustHeaderCompression(ROHC:FrameworkandFourProfiles:RTP,UDP,ESPandUn—compressed,RFC3095,2001.’、[53BormannC.RobustHeaderCompression(ROHC.draft—ietf—robe—rtp一09.txt。InternetEngineeringTaskForce,2001.[6]吴亦川,黄奎,郑健平,等.~种自适应的健壮TCP/IP报头压缩算法[J].计算机研究与发展,2005,42(4:655—661.[7]吴亦川,黄奎,郑健平,等.无线IP网络中一种针对时实流的报文头压缩算法[J].软件学报,2005,16(6:1159—1167.[8]RijsinghaniA.ComputationoftheInternetChecksumviaIn—crementalU’pdate.RFCl624,1994.作者简介谷静女,1975年出生,山东巨野人,讲师,硕士。研究方向为GIS应用、移动计算网络。177万方数据基于FPGA的多路增量式光电编码器测角电路设计方法作者:冯希,梁雁冰,张涛,FENGXi,LIANGYanbing,ZHANGTao作者单位:冯希,张涛,FENGXi,ZHANGTao(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西,西安,710119;中国科学院研究生院,北京,100039,梁雁冰,LIANGYanbing(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西,西安,710119刊名:现代电子技术英文刊名:MODERNELECTRONICSTECHNIQUE年,卷(期:2008,31(19被引用次数:0次参考文献(6条1.董莉莉.熊经武.万秋华光电轴角编码器的发展动态[期刊论文]-光学精密工程2000(022.闫胜利.袁芳革AltiumDesigner6.0FPGA设计教程20063.叶东.周志炜.张飚基于FPGA的多路光电编码器数据采集系统[期刊论文]-传感器与微系统2006(054.葛一楠.杨显富基于CPLD的光电脉冲码盘信号四倍频电路设计[期刊论文]-成都大学学报(自然科学版2004(035.候伯亨.顾新VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计19976.梁维力车载三轴天线座测角精度分析[期刊论文]-现代电子技术2007(15相似文献(10条1.期刊论文徐建忠.何丽.俞竹青.XUJian-zhong.HELi.YUZhu-qing基于VHDL的光电编码器信号处理方法-江苏工业学院学报2008,20(3介绍了一种基于VHDL的光电编码器信号处理方法,包括其功能、原理、软件编程.描述了该信号处理方法的3个功能:4倍频细分、辨向及计数.根据波形的跳沿实现4倍频细分;通过对波形相位的分析,采用基于相位变化的设计原理实行辨向.整个系统在MAX+PlusⅡ软件环境下实现编程,仿真证明结果正确.2.学位论文黎勇数字式火炮表尺装定器技术研究2007本文以实现火炮射击诸元的数字化装定为背景,系统研究C8051F020单片机、HD7279智能控制芯片、绝对型及增量型光电编码器原理和应用,设计了利用单片机片内定时/计数器和片外逻辑计数两种方法,实现了对增量型编码器的(双向动态计数和LED显示以及与PC机的适时通信。论文从理论上分析了增量型、绝对型这两种适用于火炮高精度射击诸元装定的光电编码器原理、结构及应用。针对使用不同的编码器,提出了直接计数、逻辑计数、译码计数三种总体设计解决方案。主要完成工作:利用HD7279智能芯片,实现了无需中断的键盘输入数字,并设定了计数起点、安全界的设定、清除等功能键。实现了四位整数及一位小数的显示,并动态显示编码器计数值;搭建倍频电路,通过配置C8051F单片机的PCA,将其PWM输出作为时钟脉冲,实现了增量型编码器输出脉冲的4倍频;设计鉴相电路及逻辑电路,建立编码器转轴顺、逆时针旋转与电平变换关系,实现T1、T4计数和逻辑计数两种方法计数;针对单片机与PC机通信在本系统中的特点,编拟简单通信协议,设计上位机和下位机程序,实现数据的发送和接收。最后,制作了安装连接板,将编码器连接到了85加农炮耳轴,进行实炮实验,完成了在火炮上的装机实验。3.期刊论文张雅珍.ZhangYazhenFPGA在汽车方向盘角度测量中的应用-国外电子测量技术2008,27(11随着汽车工业迅猛发展,车辆状况完好程度的检测势在必行.为了解决汽车方向盘角度检测精度不够的问题,本文提出了利用4倍频提高精度的方法,设计了相应的汽车转向参数检测仪器中的角度传感器.该角度传感器采用光电编码器和Xilinx的FPGA器件全新设计,实现了汽车方向盘角度的高精度测量.实际测量表明该角度传感器全量程的最高分辨率达到0.09°.4.期刊论文潘笑.文剑波.PANXiao.WENJianbo增量式光电编码器在倒立摆控制系统中的应用-测试技术学报2004,18(z6在单级倒立摆控制系统中,采用了增量式光电编码器进行角度监控.针对系统高灵敏度,高精度的特点,提出了抖动干扰产生的原因及其消除方法.并提出了在编码器输出A、B正交方波的前提下最多只能4倍频的结论.经实践证明,采取的措施较有效地解决了增量式光电编码器的实际应用问题.5.学位论文武学春铁轨检测车数据采集硬件电路的设计与实现2006随着我国经济的不断发展,科技的不断进步,现代化程度的不断提高,铁路建设事业也进入了一个飞速发展的“黄金时期”,铁轨检测车是铁路修建、铁路养护等工程项目建设中一个非常重要的检测设备。高精度,多功能,低成本,使用方便灵活的铁轨检测车一直以来就是铁路建设部门的梦想。应铁路部门的要求,从以上角度考虑我们机器人实验室开始了这个项目研发里程。硬件电路作为整个设计过程中重要的一环,有着极其重要的理论和现实意义。在参考了国内外许多文献以后,以及联系工程的现状,最后决定采用以光电编码器,光栅测量尺为主要传感器的测量系统。这样不仅可以在测量精度上能够满足工程实际的需要,而且比起激光测量、陀螺仪测量、红外线测量等测量方法,成本低、工作效率高,而且系统稳定、可靠。整个测量系统的特点如下:(1机构设计上采用前后两辆检测小车,它们之间通过三自由度的回转连接杆连接。传感器安装在后面的测量小车上,前面的小车直接与被测铁轨的测量点直接接触是“被测小车”。装在后面测量小车上的传感器与前面被测小车的测量点之间是静态接触,基本不会发生与检测铁轨的滑动摩擦,因此基本上可以与非接触式测量相媲美。(2本测量系统所使用的光电编码器和光栅测量尺是基于光栅测量原理基础上的传感器,是用数字脉冲信号来标定旋转角度或者位移的高精度传感器。通过我们自己设计的上4倍频电路以后,测量精度进一步提高,可以达到5um以上,是不采用倍频电路时的四倍,而且可靠性相对较高,成本低。(3测量数据上采用一次测量六个原始数据,这样多的数据量便于以后的分析计算,通过计算可以得到轨向,两轨面高度差,轨距等参数。从而能够在最大限度的基础上的减少随机误差,真实的反映铁轨参数。(4以单片机和笔记本电脑为核心的硬件电路设计。以单片机为核心的嵌入式低层电路负责数据的实时采集和锁存。然后由单片机的USART异步通讯模块,通过异步传输方式将数据通过计算机的R-232串口上传到上位PC。由上位机机负责复杂的数据计算处理,给出计算结果。这样就把单片机的功耗低,硬件计数电路实时性好,上位机计算能力强等优点综合应用到了一起。上位机使用普通的笔记本电脑,与以往工控机相比,省去了电源托线的麻烦,而且体积小,重量轻,使用更加灵活轻便。(5采用硬件倍频,鉴向,计数,最大记录数据信号频率为4MHz/s。不仅能够实时检测实时记录,而且能实时给出计算结果。并且实现多路数据同时锁存,分时处理最大限度的减少了误差。6.会议论文潘笑.文剑波增量式光电编码器在倒立摆控制系统中的应用2004在单级倒立摆控制系统中,采用了增量式光电编码器进行角度监控.针对系统高灵敏度,高精度的特点,提出了抖动无干扰产生的原因及其消除方法.并提出了在编码器输出A、B正交方波的前提下最多只能4倍频的结论.经实践证明,采取的措施较有效地解决了增量式光电编码器的实际应用问题.7.期刊论文刘永平.皮佑国.LIUYongPing.PIYouGuo基于FPGA的全数字交流伺服系统信号处理-微型机与应用2009,28(20在交流伺服驱动系统概念的基础上,提出了基于ACTEL现场可编程逻辑器件APA300的光电编码器与光栅尺信号处理电路设计原理,该电路由4倍频细分、辨向电路、计数电路组成,信号处理模块通过VHDL语言实现.8.学位论文王树梅焊丝层绕机微机控制系统的研究2006随着我国现代化加工制造业的高速发展和焊接工艺水平的提高,不断增加,焊丝生产的发展扩大了对焊丝层绕机的需求。采用单片机绕机,不仅实现了焊丝层绕的自动控制,极大的提高了生产效率,而且具有自动称重、恒张力控制、异常情况报警等功能。本课题的研究对于计算机控制卷绕等领域具有重要的实际意义。本课题研制了焊丝层绕机微机控制系统,选用Cygnal公司的C8051F005单片机,对层绕机各个控制部分进行了硬件设计,包括光电编码器四倍频细分、步进电机接口驱动、称重、显示驱动、键盘扫描及制动器恒流驱动等电路,重点研究了主轴电机转速测量方法,并开发了光电编码器4倍频细分电路。深入分析了焊丝层绕机绕线过程中产生乱线的各种因素,找到了乱线的根源,提出了合乎实际的过程控制方式,即系统先计算并显示第一层焊丝的绕线圈数,指导完成一个绕线进程,然后自动重复多个绕线进程绕线,以避免计算累计误差和乱线现象发生,提高绕线效率。在绕丝过程中,为了保证焊丝的质量,必须在缠绕过程中保持张力稳定:在论文中设计了以磁粉制动器为执行器件的闭环张力控制系统,设计了磁粉制动器功率驱动电路。对张力控制系统的工作原理,执行元件的特性作了深入分析,并给出了用于张力闭环控制系统的积分分离式PID控制算法。针对常规PID在张力控制中控制参数难以整定的问题,提出一种基于模糊控制原理的自适应PID控制器,根据偏差和偏差变化率来实时调整参数。控制系统的软件由主程序、中断服务程序及其他子程序组成。程序设计采用模块化、清