基于FPGA增量式編碼器的接口設(shè)計與實現(xiàn)

郇寶貴，雷 斌，王 鵬

(西安工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院，陜西 西安 710032)

光電編碼器在現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)中常用以檢測轉(zhuǎn)子的位置與速度，是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的高精度角位置測量傳感器。由于其具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小、輸出穩(wěn)定等特點，被廣泛應(yīng)用于電機伺服控制系統(tǒng)中。

編碼器按信號輸出形式分為絕對式編碼器和增量式編碼器。絕對式光電編碼器具有輸出數(shù)字量可與PC機、ARM或FPGA等器件直接接口，無累積誤差等優(yōu)點，但價格高、制造工藝復(fù)雜，不宜實現(xiàn)小型化。增量式光電編碼器不具有計數(shù)和接口電路，一般輸出A、B、Z脈沖信號，價格較低，在實際工程中比較常用。

文中設(shè)計了一個基于FPGA的簡單且精度高的接口電路，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，具有濾波、硬件辨向、4倍頻計數(shù)和數(shù)據(jù)鎖存等功能。計數(shù)結(jié)果以并口輸出，可與PC機、ARM或FPGA等部件進行并行通信。同時在并口之前，用鎖存電路來消除硬件電路延時所可能引起的計數(shù)錯誤，減輕了后續(xù)微機的負(fù)擔(dān)，可提高被控對象的測量和控制精度。

1 4倍頻電路設(shè)計原理

增量式光電編碼器實際是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置，它根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角度，輸出一系列脈沖，能將機械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖，輸出信號如圖1所示。A、B兩相信號是相位相差90°的正交方波脈沖串，每個脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向，即當(dāng)A相超前B相，轉(zhuǎn)動方向為正轉(zhuǎn);當(dāng)B相超前A相，轉(zhuǎn)動方向為反轉(zhuǎn)。Z信號是一個代表零位的脈沖信號，可用于調(diào)零、對位和重置計數(shù)器。

對于每個確定的編碼器，每轉(zhuǎn)過固定角位移θ，就對應(yīng)一個脈沖信號，故其量化誤差為θ/2。若將A或B信號4倍頻，則在此θ角位移內(nèi)，就會產(chǎn)生4個脈沖信號，其量化誤差下降為θ/8，光電編碼器的角位移測量精度提高4倍。由于伺服系統(tǒng)中編碼器的轉(zhuǎn)速具有不可預(yù)見性，造成脈沖周期T具有不確定的特點，從而無法使用鎖相環(huán)等常用倍頻方案。由圖1可知，在脈沖周期內(nèi)，A、B兩相信號共產(chǎn)生4次變化，盡管T不確定，但由于A、B兩相方波信號之間相位關(guān)系確定，使這4次變化在相位上平均分布。如果利用這4次變化產(chǎn)生4倍頻信號，則可以實現(xiàn)光電編碼器測量精度的提高。

圖1 光電編碼器輸出信號

分析發(fā)現(xiàn)，4倍頻設(shè)計的關(guān)鍵在于鑒別出A、B信號的上升沿和下降沿。輸入信號與其延時信號異或后，就可得到倍頻信號。

2 接口電路的FPGA總體方案及設(shè)計實現(xiàn)

光電編碼器的可靠性與精度直接決定了控制系統(tǒng)的可靠性與控制精度?？刂葡到y(tǒng)精度不會高于檢測元件的精度，也就是說檢測元件的誤差是決定控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)鍵，這種誤差也是控制系統(tǒng)無法克服的。因此，選擇和設(shè)計高精度的光電編碼器固然重要，但后續(xù)電路對光電編碼器輸出脈沖的處理精度也不容忽視。因此，一方面要選擇精度高的光電編碼器;另一方面要重視對光電編碼器輸出脈沖的處理，傳統(tǒng)的處理方法有 3種:(1)通過 74LS193、74LS171、RC等搭建一個硬件電路實現(xiàn)脈沖的倍頻和鑒相的判斷。(2)直接將光電編碼器的A、B信號送至微處理器，進行純軟件的倍頻和鑒相的判別。(3)通過硬件電路和軟件結(jié)合的方法進行光電編碼器脈沖的處理，一般是指上述兩種方法的結(jié)合。

對以上3種計數(shù)方法進行分析可知，用純軟件計數(shù)雖然電路簡單，但是計數(shù)速度慢，微處理器工作量大，難以滿足實時性要求，想得到更高的指標(biāo)，只能不斷地更換高性能微處理器，而且由于光電編碼器的轉(zhuǎn)速具有不可預(yù)見性，采用鎖相環(huán)進行倍頻的話會造成數(shù)據(jù)的不精確;而純硬件電路體積大且穩(wěn)定性、可靠性差、調(diào)試煩瑣，而且當(dāng)電阻、電容等組件參數(shù)變化時，會導(dǎo)致脈寬發(fā)生變化或不能產(chǎn)生具有穩(wěn)定寬度的脈沖。此外，RC電路抗干擾能力差，反饋部分易受外界干擾，在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)丟失脈沖現(xiàn)象，以至影響控制系統(tǒng)的精度和可靠性。

對于濾波、延時的處理方法很多，如微分型電路其信噪比小、抗干擾性差，積分型電路可以提高信噪比，但和微分型電路一樣有缺點:當(dāng)輸入信號頻率高時，電容充放電不及時，導(dǎo)致輸出信號嚴(yán)重變形;對于各路倍頻電路來說，電阻和電容的參數(shù)不可能完全一致，所以倍頻后的各路脈沖寬度不等，而且寬度的調(diào)節(jié)也比較困難。設(shè)計采用的數(shù)字型延時電路可以很好地克服以上延時電路的缺點，延時的時間和各路倍頻的脈沖寬度由時鐘控制，倍頻后的脈沖寬度均勻一致。

運用FPGA實現(xiàn)4倍頻、鑒相電路，采用全數(shù)字反饋電路的設(shè)計方法，由于倍頻、鑒相電路設(shè)計在同一芯片上，一方面，F(xiàn)PGA門電路高數(shù)量較大，時鐘頻率可達(dá)上百MHz的可編程邏輯器件，可以把他設(shè)計成所需的各種邏輯器件，可并行處理多項任務(wù)。因此處理速度比單片機或DSP快得多;另一方面，芯片內(nèi)部的門電路、觸發(fā)器的參數(shù)特性完全—致，能保證在相同轉(zhuǎn)速下4倍頻脈沖信號的周期保持一致。作為板級芯片，電路做在芯片內(nèi)部，其抗干擾能力比分離器件有很大提高。同時，由于現(xiàn)場可編程，可以方便地實現(xiàn)對電路的重新設(shè)計或修改，增強了系統(tǒng)的靈活性、通用性和可靠性。

3 仿真波形

用Verilog HDL語言完成電路描述，各功能模塊運用原理圖方式進行描述，芯片采用Altera公司Cyclone系列的 EP1C12Q240C8N。在 QuartusII10.0環(huán)境下進行功能和時序仿真。編譯后結(jié)果如圖3所示，A、B即為差分整形電路的輸出，當(dāng)A相超前B相時，輸出正向4倍頻脈沖，OA［7..0］為編碼器正轉(zhuǎn)時4倍頻脈沖個數(shù);反之，輸出反向4倍頻脈沖，OB［7..0］為反轉(zhuǎn)時4倍頻脈沖個數(shù)。利用OA［7..0］與OB［7..0］可以方便地實現(xiàn)編碼器的可逆計數(shù)。

圖2 接口電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 仿真時序圖

4 結(jié)束語

設(shè)計了增量式光電編碼器的一種簡單且高精度的鑒相、計數(shù)和接口電路，可根據(jù)光電編碼器的轉(zhuǎn)向進行遞增或遞減計數(shù)，并可與PC機、DSP、ARM等器件直接進行并行通訊。實驗結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性?？梢钥闯觯肍PGA設(shè)計光電編碼器信號處理模塊，無論是設(shè)計過程，還是電路結(jié)構(gòu)、都變得更加簡潔。另外，在應(yīng)用中注意FPGA的時鐘周期應(yīng)小于編碼器脈沖的1/4，通常FPGA的時鐘已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于編碼器脈沖周期，故在FPGA中進行處理與計數(shù)是沒問題的。

文中FPGA實現(xiàn)的編碼器倍頻、鑒相電路，已經(jīng)在激光跟蹤系統(tǒng)的項目中得到驗證，在系統(tǒng)中存在抖動及毛刺等干擾的情況下，仍能獲得穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果，并且可根據(jù)需要，任意改變參數(shù)以達(dá)到目的，這對正確和合理地使用編碼器，提高功能效益，從而在數(shù)控及機器人的死循環(huán)位置和速度控制系統(tǒng)中，提高位置調(diào)節(jié)精度、擴大速度調(diào)節(jié)范圍，都有良好的效果，是一種提高編碼器分辨率、實現(xiàn)角位移或轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)選電路。

［1］方艷輝.增量式編碼器全數(shù)字量相加技術(shù)的研究［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2005.

［2］王立錦，劉亞東，焦讓，等.磁旋轉(zhuǎn)編碼器4倍頻電路分析與集成化設(shè)計［J］.電子器件，2005(6):358－360.

［3］葉東，周志煒，張飚，等.基于FPGA的多路光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(5):45－47.

［4］張寶泉，楊世興，趙永秀.編碼器倍頻、鑒相電路在FPGA中的實現(xiàn)［J］.工礦自動化，2005(8):69－71.

［5］褚振勇，翁木云.FPGA設(shè)計及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［6］李紅果.一種光電編碼器位置檢測系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.微計算機信息，2008，24(2－2):88－90，112.

［7］于慶廣，劉葵，王沖，等.光電編碼器選型及同步電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置測量［J］.電氣傳動，2006，36(4):17－20.

［8］馮希，梁雁冰，張濤.基于FPGA的多路增量式光電角度編碼器測角電路設(shè)計方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，32(19):175－177.

［9］何勇，范永坤，王濤，等.基于FPGA的增量式光電角度編碼器計數(shù)電路設(shè)計［J］.儀器儀表用戶，2008，15(3):90－92.

［10］Analog Device.Data Sheet，RESR Accuracy Guide.L －9517－4531－02－AIs2 sue2－April［M］.USA:Analog Device Conpration，2004.

［11］Analog Device.RENISHAW data sheet L－9517－9155－01－A［M］.USA:Analog Device Conpration，2004.