基于TMS320F2812的編碼器電子學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李長(zhǎng)春 譚廣通 李 霽

（91245部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125001）

1 引言

編碼器系統(tǒng)又可稱(chēng)為測(cè)角系統(tǒng)，有光學(xué)度盤(pán)式、光電絕對(duì)式、光電增量式、電感式四種形式。我們應(yīng)用的是絕對(duì)式光電軸角編碼器。絕對(duì)式光電軸角編碼器是一種高分辨率數(shù)字式測(cè)角元件，它可以將軸的角度位置以一組特定的數(shù)字代碼實(shí)時(shí)輸出，其代碼只與軸的位置有關(guān)，即使在斷電狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)任意角度也不影響通電后所獲代碼的正確性。它由光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)組成。光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)包括：機(jī)械主體、碼盤(pán)、光源、狹縫和光電接收器。碼盤(pán)采用矩陣式，空心軸，體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊。電路系統(tǒng)包括：電源、光電信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路、接口電路、軟件等。新型編碼器電路采用TMS320F2812為核心，編碼器模擬信號(hào)的采集全部采用A/D轉(zhuǎn)換器，編碼器分辨力到24位，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

2 編碼器工作原理簡(jiǎn)述

本文中編碼器采用矩陣式整裝結(jié)構(gòu)，空心軸，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。其中碼盤(pán)直接安裝在軸頭上，整周有兩個(gè)精碼讀數(shù)頭和四個(gè)粗碼讀數(shù)頭，狹縫采用整盤(pán)一體化設(shè)計(jì)。其中兩個(gè)精碼讀數(shù)頭對(duì)徑放置，各自給出四路位相依次相差90°的信號(hào)，同名信號(hào)做對(duì)徑相加，可以消除由碼盤(pán)偏心帶來(lái)的誤差。1-12位由粗碼讀數(shù)頭讀出，四個(gè)粗碼讀數(shù)頭整周均布，1-12位碼制為距陣碼。

圖1為編碼器原理方框圖，由光源發(fā)出的光線射過(guò)碼盤(pán)和狹縫。當(dāng)碼盤(pán)與狹縫產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將射過(guò)的光線切割成強(qiáng)弱變化的光信號(hào)，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這些電信號(hào)包含了轉(zhuǎn)動(dòng)軸與不動(dòng)基礎(chǔ)間的相對(duì)角度位移信息，這些信號(hào)分為精碼、中精碼、和粗碼信號(hào)等。

精碼信號(hào)經(jīng)差分放大、A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)由微處理器細(xì)分。中精碼和粗碼直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)將其數(shù)字量解碼。計(jì)算機(jī)軟件按程序進(jìn)行采樣、細(xì)分、譯碼、校正、對(duì)徑相加、平均處理，得到24位分辨率的角度代碼。以自然二進(jìn)制碼形式由串行端口輸出。

圖1 編碼器原理方框圖

3 新型編碼器電子學(xué)設(shè)計(jì)方案

為克服傳統(tǒng)的電路處理方案存在的弊端，本文中設(shè)計(jì)具有小型化、智能化、簡(jiǎn)單化的新型電路處理方案，電子學(xué)設(shè)計(jì)方案原理圖如圖2所示。

圖2 方案原理圖

該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)如下：

3.1 高速數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

（a）系統(tǒng)采用高速信號(hào)處理器TMS320F2812為處理內(nèi)核,保證了信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，編碼器數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為50us；

（b）能夠進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理工作，如信號(hào)幅值的檢測(cè)，碼道的檢查，進(jìn)位錯(cuò)誤檢查等；

（c）能夠與PC機(jī)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。

3.2 編碼器自維護(hù)功能

（a）所有原始信號(hào)全部經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，由軟件調(diào)整精碼信號(hào)的放大參數(shù)、幅值參數(shù)，粗碼信號(hào)的鑒幅電平，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)調(diào)整；

（b）便于日后的維護(hù)，方便用戶(hù)定期對(duì)編碼器進(jìn)行自維護(hù)工作。

3.3 智能化的自檢方式

（a）編碼器工作過(guò)程中，能實(shí)時(shí)檢測(cè)編碼器進(jìn)位的正確與否，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤能報(bào)警并通知主控計(jì)算機(jī)；

（b）主控計(jì)算機(jī)通過(guò)信道檢查指令能夠在線檢查編碼器各路信號(hào)是否滿(mǎn)足要求，如發(fā)現(xiàn)故障，能及時(shí)報(bào)警，并定位故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)編碼器故障診斷的智能化；

（c）能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的外時(shí)統(tǒng)工作是否正常，出錯(cuò)時(shí)能通知系統(tǒng) 故障狀態(tài)。

3.4 簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和操作方式

（a）電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單：去掉電位器調(diào)整及粗碼信號(hào)的比較鑒幅環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的處理電路相比，大約減少70%的分立元件，系統(tǒng)的集成度大大提高；

（b）主控計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)命令實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器的置數(shù)、清零、信道檢查、故障偵測(cè)。

4 設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 全A/D化數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的建立

該方案中，粗碼、精碼信號(hào)，放大后直接由TMS320F2812（DSP）控制高速A/D轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)，對(duì)于保證精碼信號(hào)幅值的對(duì)稱(chēng)性、粗碼信號(hào)的數(shù)字化都由軟件來(lái)控制完成，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，分立元件少了，系統(tǒng)的集成度提高了。另外所有信號(hào)的數(shù)據(jù)狀態(tài)全部采集并保存，便于對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，檢查和計(jì)算。

高速的數(shù)據(jù)處理器TMS320F2812，速度可達(dá)150MIPS。A/D轉(zhuǎn)換器MAX1308八個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)間為1.98μs。對(duì)于高低、方位兩個(gè)編碼器共需要40路A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)測(cè)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間小于40μs，再加上數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，總共系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間小于50μs，滿(mǎn)足800Hz的采樣頻率。系統(tǒng)的快速響應(yīng)為大量的數(shù)據(jù)處理提供了良好的硬件支持。

圖3 全A/D化數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

4.2 信號(hào)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算與調(diào)節(jié)

對(duì)于粗碼信號(hào)，我們需要知道粗碼信號(hào)的最大值和最小值，以決定信號(hào)的鑒幅電平值，以保證粗碼信號(hào)數(shù)字化后占空比為1：1。如圖4所示。

圖4 粗碼鑒幅電平

根據(jù)碼盤(pán)設(shè)計(jì)，通常我們?nèi)〈执a峰峰值的三分之一作為粗碼的鑒幅電平（如圖4中橫線的指示位置），若粗碼電平的最大值用Max表示，粗碼電平的最小值用Min表示，則粗碼鑒幅電平參數(shù)VS的計(jì)算公式如下：

對(duì)于精碼信號(hào)，它放大后接近于正弦曲線，要保證細(xì)分的正確性和精度，要求相位互差90°的兩路信號(hào)要完全正交。從編碼器輸出的精碼信號(hào)相位相差接近于90°，要保證電子學(xué)細(xì)分正交性的要求，就要求信號(hào)幅值一致，直流電平一致。由于信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)電位器的調(diào)整，放大后各路精碼信號(hào)飛幅值和直流電平均不一致，因此，我們需要計(jì)算精碼信號(hào)的軟件放大倍數(shù)和直流電平兩個(gè)參數(shù)，以便信號(hào)通過(guò)軟件放大器放大后達(dá)到正交性的要求。如圖5所示：

圖5 精碼信號(hào)軟件放大示意圖

若精碼信號(hào)電平的最大值用Max表示，最小值用Min，信號(hào)放大后信號(hào)的峰峰值用Vout表示，則精碼信號(hào)的軟件放大倍數(shù)Kamp和直流電平VR計(jì)算公式如下：

4.3 信道自動(dòng)檢查

以往的編碼器出現(xiàn)錯(cuò)碼時(shí)，需要通過(guò)燈排，查看編碼器錯(cuò)誤的位置和大致的錯(cuò)誤點(diǎn)，再通過(guò)示波器查看各路信號(hào)的幅值是否符合要求。不符合時(shí)，需要通過(guò)電位器調(diào)節(jié)或更換損壞的光電元器件，檢查過(guò)程麻煩、費(fèi)時(shí)。

新方案的信道檢查功能，能快速的檢測(cè)各路信號(hào)是否滿(mǎn)足幅值要求，不滿(mǎn)足要求的能報(bào)警并通知系統(tǒng)具體的出錯(cuò)位置。

對(duì)于粗碼信號(hào)，主要檢查是否有高低電平的變化。對(duì)于精碼信號(hào)可通過(guò)比較精碼信號(hào)的A/D量，判斷五種幅值標(biāo)準(zhǔn)是否滿(mǎn)足要求，這五種標(biāo)準(zhǔn)如圖6所示：

圖6 精碼信號(hào)幅值檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

五種檢測(cè)項(xiàng)目要求如下：（a）、峰值幅值小于等于98%；（b）、峰值幅值大于等于75%；（c）、谷值幅值大于等于2%；（d）、谷值幅值小于等于25%；（e）、幅值誤差小于10%。

4.4 編碼連續(xù)性的實(shí)時(shí)性檢查

編碼正確是保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基本功能，編碼正確更直接一點(diǎn)講，就是沒(méi)有跳碼。一旦有跳碼，伺服系統(tǒng)和其他系統(tǒng)都將失控，甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

為此，編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)加入了實(shí)時(shí)進(jìn)位檢查功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)編碼器編碼的正確與否，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)報(bào)警并通知上位機(jī)系統(tǒng)，以便于上位機(jī)能夠及時(shí)采取措施，避免由于失控造成大的損失。

圖7 外推公式原理圖

如圖7所示：采用拋物線擬合算法，通過(guò)等時(shí)間采樣連續(xù)的三個(gè)位置點(diǎn)來(lái)推出未來(lái)位置點(diǎn)的位置，如果未來(lái)點(diǎn)的位置偏差在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，就判定編碼連續(xù)，否者報(bào)警同時(shí)通知上位機(jī)系統(tǒng)，其外推公式為

5 結(jié)束語(yǔ)

編碼器模擬信號(hào)全部經(jīng)過(guò)A/D量化，有力于對(duì)信號(hào)的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并配和TMS320F2812的高速處理速度可提高編碼器數(shù)據(jù)輸出的實(shí)時(shí)性，配合軟件的算法，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的故障診斷，信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，提高了編碼器的智能化，另外處理電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的故障節(jié)點(diǎn)少，提高了編碼器的可靠性。

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