基于TMS320F28335的絕對(duì)式光電編碼器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

李逸楠　孫麗君　孫鳳鳴　王玉敬　崔建飛

摘 要：設(shè)計(jì)了光電編碼器與TMS320F28335之間的接口電路，編程實(shí)現(xiàn)了SSI同步串行接口協(xié)議，以及實(shí)現(xiàn)了光電編碼器格雷碼位置信息的讀取并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼參與后續(xù)位置控制運(yùn)算。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過TMS320F28335的GPIO讀取的編碼器位置信息準(zhǔn)確，40 μs內(nèi)可完成一次25 bit的位置信息讀取，分辨力為5'16"。該系統(tǒng)適用于絕大部分需要監(jiān)測(cè)位移、角度、速度、角速度的場合，具有讀取速度快、精度高、價(jià)格低、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：TMS320F28335；光電編碼器；格雷碼；SSI同步串行接口

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.023

在電機(jī)控制領(lǐng)域，如果需要精確控制負(fù)載的位置，就必須測(cè)得負(fù)載的當(dāng)前位置，然后與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，根據(jù)差值確定電機(jī)的控制策略。因此，準(zhǔn)確地檢測(cè)出負(fù)載位置是一切控制手段的前提。光電編碼器是測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、角速度的傳感器，可與機(jī)械測(cè)量設(shè)備一起使用，例如絲杠，測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用領(lǐng)域包括電機(jī)、機(jī)床、印刷機(jī)、木工機(jī)器、紡織機(jī)器、機(jī)器人和運(yùn)送設(shè)備以及各種測(cè)量、測(cè)試和檢驗(yàn)設(shè)備。光電編碼器測(cè)得的位置信息通常通過SSI同步串行總線與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。TMS320F28335本身具有SPI同步串行總線接口，協(xié)議與SSI總線類似，但其數(shù)據(jù)寬度僅為16 bit，對(duì)于多圈數(shù)高精度的光電編碼器（通常為25 bit）無法直接連接使用。本文介紹了一種基于TMS320F28335的光電編碼器驅(qū)動(dòng)方案，可以讀取任意數(shù)據(jù)長度的光電編碼器位置數(shù)據(jù)，同時(shí)具有讀取速度快、精度高、價(jià)格低、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

1 簡介

1.1 光電編碼器簡介

本系統(tǒng)采用了海德漢公司的EQN425絕對(duì)式光電編碼器，采用SSI接口。該編碼器為多圈式，讀出的位置信息為25 bit，其中高12位為圈數(shù)，低13位為絕對(duì)位置，數(shù)據(jù)格式見表1.

編碼器采用28.5 V直流供電，編碼器通過一路差分信號(hào)接收輸入的CLOCK信號(hào)，在CLOCK信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，通過一路差分信號(hào)輸出位置信息。提供了升序旋轉(zhuǎn)方向切換和置零接口，可以通過編程隨時(shí)切換。

1.2 TMS320F28335簡介

TMS320F28335是32位高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，是近年美國TI公司推出的一種新產(chǎn)品。該芯片具有很強(qiáng)的信號(hào)處理及控制功能，具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元和高精度PWM，與定點(diǎn)DSP相比增加了DMA功能，可將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果直接存入DSP的任一存儲(chǔ)空間，有外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口、看門狗和3個(gè)定時(shí)器，采集精度高，抗干擾能力強(qiáng)。運(yùn)行頻率為150 MHz。

2 硬件接口設(shè)計(jì)

光電編碼器符合RS-485傳輸協(xié)議，采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸。采用28335的GPIO55作為時(shí)鐘輸出，經(jīng)過ISO7221CD隔離，經(jīng)MAX490EESA轉(zhuǎn)換為光電編碼器可用的差分信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，光電編碼器的位置信息通過DATA+與DATA-輸入MAX490EESA轉(zhuǎn)換，經(jīng)隔離后輸入28335的GPIO56。28335的GPIO57作為升序旋轉(zhuǎn)方向切換控制輸出，GPIO58作為置零輸出。如有需要，可以與光電編碼器相應(yīng)接口連接，如圖1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行GPIO55、GPIO56的初始化，代碼如下：

EALLOW； //Enable EALLOW

GpioCtrlRegs.GPBMUX2.bit.GPIO55 = 0； //配置為基本輸入輸出功能，光電編碼器輸出時(shí)鐘

GpioCtrlRegs.GPBMUX2.bit.GPIO56 = 0； //配置為基本輸入輸出功能，光電編碼器數(shù)據(jù)輸入

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO55 = 1； //GOIO55方向?yàn)?/p>

輸出，編碼器輸出時(shí)鐘

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO56 = 0； // GOIO56方向?yàn)檩斎?，編碼器數(shù)據(jù)輸入

EDIS； //Disable EALLOW

接著對(duì)GPIO55的輸出電平進(jìn)行編程，模擬輸出時(shí)鐘時(shí)序，在下降沿之后讀取GPIO56的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的移位、拼接，得到光電編碼器輸出的格雷碼。代碼如下：

Uint32 m_Rec_Data_Gray = 0； // 光電編碼器輸出格雷碼

long int m_Rec_Data_Bin = 0； // 轉(zhuǎn)換之后的二進(jìn)制碼

void Rec_SSIData（void）

{

Uint32 in_data = 0；

int i；

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //拉高

DELAY_US（0.5）； //延遲0.5 μs

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO55 = 1； //置低

DELAY_US（0.5）； //先發(fā)出一個(gè)下降沿，通知光電編碼器準(zhǔn)備輸出數(shù)據(jù)

for（i=24；i>=0；i--） // 進(jìn)入正式讀數(shù)循環(huán)。該型號(hào)光電編碼器為25位，因此進(jìn)行25次循環(huán)

//讀數(shù)。如果其他光電編碼器位數(shù)不同，則可以改變循環(huán)次數(shù)。

{

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //56 is high can read

DELAY_US（0.5）；

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO55 = 1； //56 is low

in_data=GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO56； //讀數(shù)

m_Rec_Data_Gray|=（in_data<

DELAY_US（0.5）；

}

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO55 = 1； //56 is high， last high

m_Rec_Data_Bin = （long int）（GrayToDecimal（m_Rec_Data_Gray））； //轉(zhuǎn)換

}

其中，GrayToDecimal（）函數(shù)為格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)函數(shù)，代碼如下：

static Uint32 GrayToDecimal（Uint32 x）

{

Uint32 y；

y = x；

while （x>>=1）

{

y^=x；

}

return y；

}

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述硬件連接完畢，代碼燒錄完畢，上電。采用示波器觀察GPIO55與GPIO56信號(hào)波形，可以看到時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)如圖2所示。

在圖2中，波形1為讀出數(shù)據(jù)，波形2為輸出時(shí)鐘信號(hào)?？梢钥吹?，輸出時(shí)鐘脈沖周期為1.4 μs，讀出25位數(shù)據(jù)用時(shí)40 μs，讀出的位置數(shù)據(jù)格雷碼為“1 0010 0101 1011 1011 0001 0110”，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼為“1 1100 0110 1101 0010 0001 1101”，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為29 807 133.在此基礎(chǔ)上，將光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，讀數(shù)變?yōu)?9 811 229，相差4 096.該實(shí)驗(yàn)表明此型號(hào)光電編碼器最小量化單位為360/4 096=0.088°，即分辨力為5'16"。需要注意的是，雖然此光電編碼器用戶手冊(cè)上說明讀出格雷碼的低13 bit為絕對(duì)位置值，但在實(shí)際使用中它并不能達(dá)到標(biāo)稱的精度，相當(dāng)于經(jīng)過格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制之后，只有低12 bit代表了實(shí)際位置值。其量化精度比標(biāo)稱值降低了一半。

5 結(jié)論

采用TMS320F28335作為控制核心，設(shè)計(jì)了硬件接口電路與驅(qū)動(dòng)軟件，可以適用于任意數(shù)據(jù)寬度的光電編碼器位置信息的讀取。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈讀數(shù)變化4 096.該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有讀取速度快、精度高、價(jià)格低、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐丹，方超，張建祥，等.電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中光電編碼器脈沖波形問題的研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2011（12）：67-69.

[2]羅長洲，陳良益，孫巖，等.一種新型光學(xué)編碼器[J].光學(xué)精密工程，2003（01）：104-108.

[3]周志煒.基于FPGA的多路光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]趙長海，萬秋華，王樹潔，等.21位光電編碼器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2010（06）：569-573.

[5]李振.一種SSI接口低成本實(shí)現(xiàn)方案[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（01）：61-62.

[6]金彧，金克一，許海洪.一種C8051F單片機(jī)讀取SSI信號(hào)的設(shè)計(jì)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2014（09）：67-69.

[7]任先文，王坤，張俊豐，等.基于TMS320F28335的SVPWM實(shí)現(xiàn)方法[J].電力電子技術(shù)，2010（07）：76-78.

[8]姜洪訓(xùn).基于TMS320F28335的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（06）：12-15.

[9]劉明.基于TMS320F28335的小型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2009（12）：37-39.

[10]雷曉瑜，曹廣忠.TMS320F28335及其最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009（01）：91-95.

〔編輯：劉曉芳〕