楊寧,萬秋華,張澤宇,劉長嶺
(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所,長春 130033)
光電軸角編碼器是集光、機、電于一體的一種數(shù)字測角裝置。它具有高分辨力、高精度、測量范圍廣、易與維護等優(yōu)點。因此,被廣泛應(yīng)用于航空航天、自動控制和高精度閉環(huán)測速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,上述領(lǐng)域?qū)幋a器的要求越來越高,要求編碼器向智能化、集成化、高精度、高可靠性方向發(fā)展。因此,本文提出了一種基于 TMS320F2812為核心的編碼器數(shù)字處理電路,能有效的減少編碼器系統(tǒng)的調(diào)試時間,同時實現(xiàn)了編碼器的智能化和高可靠性。
TMS320F2812是TI公司C2000系列中性價比較高的一款器件。該器件集成了豐富而又先進(jìn)的外設(shè),如 128KB的 FLASH存儲器、4KB的引導(dǎo)ROM,同時具有很高的運算精度(32位)和系統(tǒng)處理能力(達(dá)到150MIPS)。
光電編碼器以高精度計量圓光柵為位移基準(zhǔn)、以光柵莫爾條紋技術(shù)為基礎(chǔ),將空間角位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息,具有高分辨力、高精度、高智能化、無接觸測量等優(yōu)點[1-4]。
將一個圓周角分成2n等分,每個等分所對應(yīng)的角度稱為分辨力。
編碼器測量角度結(jié)果與真值接近程度的量。
編碼器主要處理電路都集成在一塊電路板上。由信號放大電路,A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,單片機及串行輸出數(shù)據(jù)電路組成,原理框圖如圖1所示。
圖1 編碼器信號處理系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of encoder signal process system
碼盤原始信號經(jīng)過放大器整形后通過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,再由DSP通過軟件進(jìn)行算法處理成自然二進(jìn)制數(shù)據(jù),經(jīng)過串口輸出給上位機。
DSP采用TI公司的32位定點芯片TMS320F-2812,該芯片兼容 TMS320F2407指令系統(tǒng),最高可在150MHz主頻下工作,并帶用18K×16BIT零等待周期片上SRAM和128K×16BIT片上FLASH(存取時間36NS)[5]。它具有豐富的篇內(nèi)外設(shè),使用2812這款芯片減小了電路板面積,并且完全滿足系統(tǒng)設(shè)計功能的要求。其內(nèi)部框圖如圖2所示。
圖2 TMS320F2812內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能Fig.2 Interior configuration diagram of TMS320F2812
上位機于本電路接口采用75LBC184差分422形式串口芯片,這種接口方式更少的減小了電路板空間,抗干擾性強。MAX488與2812硬件連線圖如圖3所示。
圖3 MAX488與TMS320F2812硬件連線圖Fig.3 Hardware diagram of MAX488 and TMS320F2812
為提高通訊效率和可靠性,在與上位機傳輸數(shù)據(jù)時本電路采用3片接口芯片,一個接收時統(tǒng)信號用來使DSP工作在上位機要求的頻率內(nèi)。另外兩個作為串口通訊芯片,用來接收上位機指令和發(fā)送編碼器數(shù)據(jù)。本電路設(shè)計時利用DSP片上FIFO功能作為上位機與本電路交流的平臺,很好的完成了編碼器高智能化的要求。
圖4 MAX1308管腳示意圖Fig.4 Pin diagram of MAX1308
高精度編碼器(以24位編碼器為例)共有32位模擬信號,每一路信號均需要對應(yīng)的模擬電路對其做前端信號放大處理,在把所有信號通過A/D模擬轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再通過DSP中心處理器進(jìn)行參數(shù)整定和譯碼工作。本電路采用MAX1308 A/D轉(zhuǎn)換器。單通道轉(zhuǎn)換時間0.76s,八通道同時轉(zhuǎn)換共用時間5.96s。 對于32位模擬信號同時轉(zhuǎn)換,只需要4片 MAX1308,減少了電路板空間和電路的復(fù)雜度。MAX1308是快速數(shù)據(jù)采集與智能化數(shù)據(jù)處理平臺的硬件基礎(chǔ),管腳示意圖如圖4所示。
MAX1308與2812電路設(shè)計簡單,連線少,電路用件少,速度快,可靠性高。MAX1308與2812硬件連線圖如圖5所示。
圖5 MAX1308與TMS320F2812硬件連線圖Fig.5 Hardware diagram of MAX1308 and TMS320F2812
本系統(tǒng)是通過A/D采集32路原始信號的連續(xù)變換的數(shù)字值,中央處理器讀入各路變化的數(shù)字值后通過公式計算出每信號的比較電壓Vs,再與對應(yīng)原始信號的數(shù)字值進(jìn)行比較,得出此時的碼盤轉(zhuǎn)動的角度信息,信號調(diào)整電路原理如圖6所示。
圖6 調(diào)整電路原理框圖Fig.6 Principle diagram of adjust electrocircuit
圖7 粗碼信號Fig.7 Diagram of coarse code signal
圖8 比較后的方波圖Fig.8 Pulse diagram of offer compared
以粗碼為例信號如圖7所示,比較電平計算見公式(1)。當(dāng)信號幅值發(fā)生改變時,比較電平也相應(yīng)改變,減少了編碼器的錯碼率,增加了系統(tǒng)的可靠性。信號比較電壓Vs:
通常比較電平電壓設(shè)定為粗碼信號電壓峰值的三分之一,經(jīng)過以比較電平為參考點計算后,最后形成數(shù)字信號的占空比為1:1,計算結(jié)果如圖8所示。
本文設(shè)計了基于 TMS320F2812的高精度編碼器電路,系統(tǒng)充分發(fā)揮了 TMS320F2812速度及集成度高的優(yōu)勢。實際測試結(jié)果表明本系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定時間僅為30s,提高了數(shù)據(jù)處理能力,能夠滿足高頻響的要求,精度也達(dá)到了預(yù)期目的,并且實現(xiàn)了高可靠性,高智能的要求。
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