基于CPLD的光電編碼器快速運(yùn)算電路設(shè)計(jì)

劉 燕，張會生

（西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院，陜西 西安 710124）

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應(yīng)用最多的傳感器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示。通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式；根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式3種。

圖1 光電編碼器原理示意圖

隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的復(fù)雜程度越來越高，其所具備的功能也越來越多，芯片也向小型化發(fā)展，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)的首選。FPGA/CPLD既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，又克服了普通ASIC設(shè)計(jì)周期長、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)。FPGA/CPLD的集成度很高，可完成極其復(fù)雜的時(shí)序和組合邏輯電路功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是基于CPLD芯片實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制壓縮BCD碼加減運(yùn)算功能。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算原理

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制壓縮BCD碼的加減運(yùn)算的算法，即：根據(jù)一個(gè)度數(shù)A的變化量來對另一個(gè)度數(shù)B實(shí)現(xiàn)同樣的變化，并輸出B變化后的值，從而實(shí)現(xiàn)光電編碼器的快速運(yùn)算，提升位置檢測系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。具體如圖2所示，即B隨A變化而變化，當(dāng)A變化到A′時(shí)，B變化到 B′，A與 B的變化量相等，即 A與 B相差的度數(shù)始終相等。

圖2 系統(tǒng)計(jì)算要求示意圖

程序采用分別對度、分、秒進(jìn)行運(yùn)算的辦法。

（1）實(shí)現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，即從壓縮BCD碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼。

（2）計(jì)算部分。本程序采用對度、分、秒分別進(jìn)行運(yùn)算的辦法，三者之間存在進(jìn)位、借位信號 c2、c3、c4、c5，其中 c2、c3分別為 A、B初始值作差時(shí) A度分秒各部分間的進(jìn)位、借位信號，c4、c5分別為B變化后的值C的各部分間的進(jìn)位、借位信號。

（3）實(shí)現(xiàn)把運(yùn)算結(jié)果從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)化為壓縮BCD碼。

1.2 算法實(shí)現(xiàn)

（1）當(dāng)時(shí)鐘 clk為上升沿時(shí)，把輸入的壓縮 BCD碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼；

（2）當(dāng) reset有效時(shí)，置入 A與 B的初始值；

（3）當(dāng) load有效時(shí)，開始計(jì)算變化量；

（4）把變化后的 B變?yōu)閴嚎sBCD碼 C；

（5）由于本電路時(shí)鐘頻率為 5 MHz，輸入數(shù)據(jù)的頻率約為200 μs。為減小毛刺，設(shè)計(jì)一個(gè)300的計(jì)數(shù)器與一個(gè)鎖存器，使輸出效果更佳。具體為，每當(dāng)計(jì)完300個(gè)數(shù)時(shí)，輸出一次程序的運(yùn)算結(jié)果。

（6）設(shè)計(jì)鎖存器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)完300后輸出C。

1.3 壓縮BCD碼向二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換

以度部分為例，算法思路為：個(gè)位+十位×10+百位×100。

主要程序?qū)崿F(xiàn)如下：

Q00：="00"& （Q （9 downto 8）*"1100100"+Q （7 downto 4）*"1010"+Q（3 downto 0））。

1.4 計(jì)算B變化后的值C

以分部分為例，算法思路如下。

（1）計(jì)算初始值 A00、B00 的差量 e，e=A00-B00－c2，其中c2為A的秒部分的進(jìn)位或借位信號，若e為負(fù)則自加60，并輸出借位給A的度部分；

（2）計(jì)算變化后的 B 值 C，C=A0+e+c4，其中A0為變化后的A值，c4為C秒部分的進(jìn)位或借位信號；

（3）判斷輸出 C是否大于 60，若 C≥60，則輸出進(jìn)位給C的度部分，并自減60輸出結(jié)果C。

1.5 二進(jìn)制向壓縮BCD碼的轉(zhuǎn)換

這一部分采用循環(huán)減的辦法，以C的度部分為例。

（1）判斷 C是否小于 10，若小于則對 C循環(huán)減 10，直到C小于10為止，C減完后的值為個(gè)位數(shù)；

（2）對步驟（1）中減的次數(shù) n2再進(jìn)行循環(huán)減 10，n2減完后的值為十位數(shù)；

（3）步驟（2）中減的次數(shù)n1為百位數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 軟件仿真結(jié)果

圖3、 圖 4 為當(dāng) A 初 值為 0，B 為 359°59′57″時(shí)，A逐次增加1″，輸出結(jié)果C的變化過程。為方便檢查和觀看，圖3為 A、B、C為未壓縮BCD碼的仿真結(jié)果，圖4為A、B、C為壓縮BCD碼的仿真結(jié)果。

圖3 BCD碼仿真波形

圖4 壓縮BCD碼仿真結(jié)果

由圖 3、圖 4可以看出，當(dāng) A初值為 0，B為 359°59′57″時(shí)，A逐次增加 1″，輸出結(jié)果C的變化過程為由初值0 變?yōu)?359°59′58″， 之后順次變?yōu)?359°59′59″、0、1″…，由結(jié)果可驗(yàn)證程序的正確性。

2.2 硬件調(diào)試與結(jié)果驗(yàn)證

硬件驗(yàn)證就是將編譯、綜合生成的下載文件下載到指定的CPLD芯片上，然后進(jìn)行硬件驗(yàn)證。本項(xiàng)目通過一個(gè)轉(zhuǎn)盤改變原始輸入數(shù)據(jù)A，并用數(shù)碼管顯示出數(shù)據(jù)A，各輸入數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、功能信號都由插頭輸入，輸出數(shù)據(jù)C也由插頭輸出，并用數(shù)碼管顯示出數(shù)據(jù)C。

當(dāng)數(shù)據(jù) A 輸入為 0°，B 為 359°59′59″，reset為高電平，load為高電平時(shí)，輸出顯示保持上一數(shù)據(jù)；當(dāng)A變?yōu)?″，reset變?yōu)榈碗娖?，輸出顯示 0°；當(dāng) load變?yōu)榈碗娖?，輸出顯示 A的值 1″。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該電路功能的正確性與可靠性，達(dá)到了預(yù)期項(xiàng)目要求，實(shí)現(xiàn)了基于CPLD實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制壓縮BCD碼加減運(yùn)算功能。

3 不足之處與改進(jìn)

本電路的時(shí)鐘頻率為5 MHz，時(shí)鐘頻率約為數(shù)據(jù)A更新頻率的1 000倍，當(dāng)數(shù)據(jù)A的更新頻率與時(shí)鐘頻率較接近時(shí)，會出現(xiàn)進(jìn)位滯后的情況，如圖5所示。

由圖 5 可知， 當(dāng) A 初值為 0，B 為 359°59′57″時(shí)，A逐次增加1″，輸出結(jié)果C的變化過程為由初值 0變?yōu)?59°59′58″， 以 后 順 次 變 為 359°59′59″、359°59′00″、359°00′01″、2″、3″…。 可見從 359°59′59″不能直接變到000°00′00″，直到 000°00′02″才恢復(fù)正確值，在 359°59′59″與 000°00′02″之間應(yīng)該存在的兩個(gè)數(shù)為 000°00′00″、000°00′01″實(shí)際為 359°59′00″、359°00′01″，這里可以看出 359°59′59″到 0°中間存在兩次進(jìn)位，每次進(jìn)位滯后一個(gè)時(shí)鐘周期，根本原因是由于數(shù)據(jù)更新相對較快，接近時(shí)鐘clk的頻率，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)計(jì)算不完全，從而導(dǎo)致了進(jìn)位滯后的現(xiàn)象。

圖5 進(jìn)位滯后波形

可用分頻的方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)位的同步，比如秒、分、度分別采用時(shí)鐘頻率的2分頻、4分頻、8分頻。

也可使用秒、分、度各自的計(jì)算部分占不同時(shí)鐘段的方法解決，比如：秒部分從時(shí)鐘上升沿開始計(jì)算，分部分從時(shí)鐘三分之一周期處開始計(jì)算，度部分從時(shí)鐘三分之二處開始計(jì)算。

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