光電編碼器快速地檢系統(tǒng)顯示功能設(shè)計

左 洋，龍科慧，周 磊，喬 克，劉金國，劉 兵

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

1 引 言

光電軸角編碼器是基于光柵莫爾條紋原理的角度傳感器，因具有智能化、使用可靠、無接觸測量、易于維護等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于國防、工業(yè)等領(lǐng)域的精密測量和實時控制系統(tǒng)中。在航空航天領(lǐng)域中的高精度、高轉(zhuǎn)速光電編碼器由于其特殊的工作環(huán)境，對編碼器的各項性能指標(biāo)要求嚴(yán)格，需要地檢系統(tǒng)能夠精確地檢測出編碼器的各項參數(shù)，因此，研究編碼器的快速地檢系統(tǒng)，對于航天級編碼器具有重要意義［1－4］。

目前，光電軸角編碼器的地檢調(diào)試系統(tǒng)多是基于單片機為核心處理器，通過串口進行數(shù)據(jù)通信，采用LED燈排顯示編碼器數(shù)據(jù)信息。但由于單片機運算處理時間長，串口通訊速率慢，造成檢測系統(tǒng)實時性差。而LED顯示燈排占用系統(tǒng)體積大，對于非專業(yè)人員來說，顯示的二進制數(shù)據(jù)讀取較困難，需計算后才能得到角度值，人工工作量大，信息顯示單一，若某一LED燈出現(xiàn)問題，造成調(diào)試結(jié)果出錯，不易查找［5－8］。

本文介紹了一種基于DSP＋CPLD的編碼器快速地檢系統(tǒng)。在涵蓋以往調(diào)試系統(tǒng)所有功能的基礎(chǔ)上，以DSP為核心處理器采用雙口RAM進行數(shù)據(jù)快速通信，增加了LCD液晶屏顯示多臺編碼器數(shù)據(jù)信息，并可同時顯示二進制和度分秒形式的角度位置信息，提高了信息顯示量，實時性好，可視性強，適于工作人員調(diào)試和數(shù)據(jù)讀取，攜帶方便，可在不同場地進行調(diào)試，并且系統(tǒng)顯示功能還可進一步擴展。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

編碼器快速地檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從圖中可以看出該系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是測角板，另一部分是伺服控制板。在測角板電路中，3臺編碼器粗碼信號由放大器放大后經(jīng)比較器整形送入CPLD中，通過CPLD中設(shè)計的鎖存器進行鎖存后輸出到DSP；精碼信號經(jīng)差分放大后通過CPLD控制的12位高速A／D進行采樣轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字量送入DSP。DSP中軟件程序?qū)幋a器信號進行粗碼譯碼，精碼細分，精粗校正等一系列處理得到3臺編碼器的角度信息。伺服控制板通過定義的接口為測角板提供5V和12V電源，同時向測角板上的DSP外部中斷發(fā)送脈沖信號，控制測角數(shù)據(jù)的傳輸通信，雙口RAM負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)的存儲，將RAM中讀取的編碼器角度代碼處理成二進制和度分秒形式，由LCD液晶屏分別顯示出3臺編碼器的角度信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the system architecture

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

編碼器快速地檢系統(tǒng)中測角板與伺服控制板的DSP選用TI公司的SMJ320F240，其為航天設(shè)備中所使用芯片，具有高速的運算能力，可在－55～125℃范圍內(nèi)工作，包括16K字的FLASH程序存儲器，544字的數(shù)據(jù)／程序RAM。CPLD選用ALTERA公司的EPM240T100C5，包括240邏輯元件，80個I／O引腳。雙口RAM選用IDT公司的IDT71V321，該芯片提供2個帶有自身的控制、地址和I／O引腳的獨立端口，可以允許雙機同步地讀或?qū)懘鎯ζ髦械娜魏螁卧?，同時保證數(shù)據(jù)的完整性。高速A／D選用AD7864，它是一款高速低功耗四通道同步采樣12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換時四通道同時采樣轉(zhuǎn)換速率是130KSPS。LCD為液晶屏LCD12864，該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面［9－10］。

3.1 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計

系統(tǒng)中測角電路板和伺服控制板由自定義的接口連接，通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)通訊。伺服控制板向測角板發(fā)送通訊同步信號：LVTTL電平（高電平為3.3V），2000Hz，占空比1∶1；測角板上升沿寫編碼器數(shù)據(jù)，伺服控制板下降沿讀數(shù)據(jù)。測角板與伺服控制板接口插頭為AIRBORN公司的 WTB56PR9SY，連接器的接口定義有以下信號組成：地址線A0～A10，數(shù)據(jù)線D0～D7，RAM 控制信號CS、WR、OE，2000Hz時鐘信號。測角板中DSP將數(shù)據(jù)打包寫入RAM中，數(shù)據(jù)格式為原碼，一次傳輸10個字節(jié)，首字節(jié)為幀頭碼，第2～4字節(jié)為方位編碼器的高、中、低各8位二進制數(shù)據(jù)，第5～7字節(jié)為俯仰編碼器的高、中、低各8位二進制數(shù)據(jù)，第8字節(jié)為JD03編碼器8位二進制數(shù)據(jù)，最后兩位為狀態(tài)碼和累加和，傳輸數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 編碼器數(shù)據(jù)格式Tab.1 Data format of encoder

狀態(tài)碼定義如表2。

表2 狀態(tài)碼格式Tab.2 Format of status code

圖2 編碼器數(shù)據(jù)通訊原理圖Fig.2 Schematic of encoder data communication

測角板通過控制CEL、R／WL、OEL3個引腳信號使雙口RAM左側(cè)引腳為寫輸入，伺服控制板通過控制CER、R／WR、OER3個引腳信號使雙口RAM右側(cè)引腳為讀輸出，編碼器數(shù)據(jù)通訊原理如圖2所示。當(dāng)伺服控制板通過通用定時器3向測角板INT1引腳發(fā)出2000Hz脈沖時，脈沖上升沿時觸發(fā)測角板外部中斷響應(yīng)，從外部地址0x8000開始連續(xù)寫入包含編碼器數(shù)據(jù)信息的10個字節(jié)，在CEL為低電平，R／WL為低電平時，測角板寫入的數(shù)據(jù)保存到存儲器中。在脈沖下降沿，同時CER和OEL為低電平，R／WR為高電平時，伺服控制板讀取RAM中存儲的10個字節(jié)信息。

3.2 顯示電路設(shè)計

為實時觀測編碼器轉(zhuǎn)動動態(tài)位置信息和檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，設(shè)計了地檢系統(tǒng)顯示功能。伺服控制板通過LCD液晶屏顯示出從RAM中讀取的編碼器數(shù)據(jù)信息。LCD液晶屏選用LCD12864，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。LCD顯示電路如圖3所示，DSP由通用IO口IOPB0～IOPB7向LCD中寫數(shù)據(jù)或指令，通過IO口IOPA3控制液晶屏顯示數(shù)據(jù)或指令，IOPA4控制數(shù)據(jù)讀或?qū)懖僮?，IOPA5控制液晶屏使能信號，電位器W1控制液晶屏明暗度。

圖3 LCD顯示電路圖Fig.3 Diagram of LCD display circuit

3.3 顯示程序設(shè)計

為提高編碼器數(shù)據(jù)信息顯示的可視性，有利于工作人員調(diào)試及數(shù)據(jù)讀取，系統(tǒng)通過LCD12864同時顯示出二進制燈排形式和度分秒形式的編碼器角度代碼，省去了以往LED燈排顯示電路，縮小了系統(tǒng)體積，減少了人工工作量。

由于伺服控制板讀取的10字節(jié)信息包括3臺編碼器位置信息、幀頭碼、狀態(tài)碼和累加和，而LCD12864滿屏只能顯示8字節(jié)數(shù)據(jù)無法完全顯示出讀取信息，所以為了更直觀、方便地讀取每臺編碼器位置信息，將10字節(jié)數(shù)據(jù)分4次循環(huán)顯示，通過外設(shè)按鍵切換每次顯示信息，前3次分別顯示每臺編碼器轉(zhuǎn)動角度信息，第4次屏顯示幀頭碼、狀態(tài)碼和累加和，系統(tǒng)顯示功能流程圖如圖4。

圖4 顯示功能流程圖Fig.4 Flow chart of display

在顯示程序中每按下一次按鍵就會觸出發(fā)外部中斷令中斷標(biāo)志位flag自動加1，flag初值為1，當(dāng)flag＞4時重新賦值為1，通過判斷flag值來確定液晶屏上每次顯示的信息。當(dāng)flag＝1時，系統(tǒng)處理18位JD01方位編碼器的3個字節(jié)數(shù)據(jù)信息，首先將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制度分秒形式的位置信息顯示在液晶屏的第二行，然后利用LCD的自定義字符將二進制燈排形式的位置信息顯示在第三、四行。同樣在flag＝2時，顯示18位JD02俯仰編碼器的位置信息；flag＝3時，顯示6位JD03編碼器信息；而flag＝4時，系統(tǒng)無需處理直接顯示幀頭碼、狀態(tài)碼和累加和3個字節(jié)信息。程序部分源代碼如下：

程序中函數(shù)Chl＿dfm（）是將讀取的編碼器數(shù)據(jù)處理成度分秒形式，函數(shù)Chl＿light16和Chl＿light32是將二進制數(shù)通過自定義字符轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的燈排形式，函數(shù)disp（）是將處理過的數(shù)據(jù)分別顯示到液晶屏的相應(yīng)位置。

4 實驗結(jié)果

通過軟硬件設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)顯示效果如圖5所示。液晶屏第一行顯示的ZL01為編碼器序號，括號內(nèi)為自定義字符代表二進制燈排的定義。第二行顯示此時編碼器位置信息為50°56′57″，相應(yīng)的在第三、四行顯示18位二進制燈排信息為001001000011101100。

圖5 顯示效果圖Fig.5 Renderings of show

系統(tǒng)以高精度光電編碼器作為角度基準(zhǔn)，將被檢編碼器與基準(zhǔn)編碼器同軸連接，記錄相同位置處的角度讀數(shù)差值，即為被檢編碼器在該位置處的誤差。實驗中采用的基準(zhǔn)編碼器分辨力為23位，精度≤2″，可以滿足對精度大于10″的光電編碼器檢測要求。在光電編碼器全周360°每隔30°測1個點，共得到13點的誤差數(shù)據(jù)，記錄編碼器順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時兩組誤差值，測試結(jié)果如表2所示。

由編碼器誤差檢測結(jié)果可知，編碼器最大誤差值為＋40″，最小誤差值為－35″，均方根誤差為24.38″，滿足編碼器精度小于60″的要求。

表3 編碼器誤差測試結(jié)果Tab.3 Results of encoder’s precision test

5 結(jié) 論

為實現(xiàn)航天級光電軸角編碼器的高可靠性與穩(wěn)定性，更加方便直觀地讀取編碼器位置信息，本文設(shè)計了航天級光電編碼器快速地檢系統(tǒng)顯示功能。以DSP＋CPLD為核心處理器對多臺編碼器進行信號采集與處理，通過雙口RAM進行測角板與伺服控制板的數(shù)據(jù)通訊，伺服控制板將讀取到的編碼器位置信息顯示到LCD液晶屏上，利用按鍵控制液晶屏分別顯示出每臺編碼器二進制和度分秒形式的角度位置信息。實驗結(jié)果表明，編碼器最大誤差值為＋40″，最小誤差值為－35″，均方根誤差為24.38″，滿足編碼器精度要求。該系統(tǒng)可以同時完成多臺編碼器的數(shù)據(jù)傳輸通信和顯示功能，實時性好，可視性強，體積小，易于攜帶，便于在不同場地對編碼器進行調(diào)試，并且系統(tǒng)功能還可進一步擴展。

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