基于CPLD的AGC系統(tǒng)位置檢測接口電路設(shè)計

車海軍 楊文婧 楊景明 王曉廣

(燕山大學工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

板帶軋機自動厚度控制(automatic gauge control，AGC)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是伺服閥控制的壓下油缸。板帶材厚度精度一般要達到微米級，因此，對壓下油缸位置的測量精度要求達到1 μm以上。在冷軋板帶軋機中，缸位移測量一般采用輸出信號為增量編碼器形式的日本Sony磁尺和輸出信號為絕對值編碼器形式的美國MTS的磁滯伸縮式位移傳感器。本文針對增量式編碼器信號設(shè)計了AGC系統(tǒng)位置檢測接口電路。

許多學者對增量式編碼器信號處理電路[1－5]進行了研究。文獻[1]～[3]分別實現(xiàn)了三種采用分立元件設(shè)計的增量式編碼器信號處理電路，這樣的設(shè)計容易產(chǎn)生計數(shù)誤差。文獻[4]利用VHDL語言，采用上升沿法來完成增量式編碼器的鑒相和倍頻，但在板帶軋機實際工作中，信號干擾大，上升沿不易捕捉。文獻[5]針對增量式編碼器信號處理，提出了一種抗干擾方法。

本文采用判斷狀態(tài)的方法設(shè)計了AGC系統(tǒng)壓下油缸位置檢測接口電路。該電路以CPLD為主控芯片，實現(xiàn)了增量式編碼器信號的鑒相、倍頻、計數(shù)的功能;同時構(gòu)建了AGC系統(tǒng)位置檢測接口試驗電路，驗證了該接口電路的可行性。

1 增量式編碼器特點及工作原理

增量式編碼器測量精度高，構(gòu)造簡單，平均機械壽命可在幾萬小時以上，且抗干擾能力強，可靠性好，適合于長距離傳輸。增量式編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波A、B、Z相脈沖，其中A、B兩脈沖相位相差90°[6]。當主軸正轉(zhuǎn)時，A相脈沖超前 B相脈沖90°;當主軸反轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90°。而Z相脈沖用于基準點的定位，編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個Z相脈沖。

增量式光電編碼器光電碼盤的脈沖周期T對應著碼盤角位移θ，其量化誤差為θ/2。如果將A信號或者B信號四倍頻，那么計數(shù)周期就為T/4，量化誤差為θ/8，增量式編碼器的角位移精度就提高了四倍。因此，本文把增量式編碼器輸出的脈沖信號進行了四倍頻處理。

2 接口電路硬件設(shè)計

由于增量式編碼器輸出的A、B、Z信號是符合RS-422標準的差分信號(A+、A－、B+、B －、Z+、Z －)，因此，A、B、Z信號需經(jīng)由高速光耦6N137轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘栞斎隒PLD中。6N137接收信號圖如圖1所示。

圖1 6N137接收信號電路圖Fig.1 The circuit of 6N137 signal receiving

在AGC系統(tǒng)中，由于增量式編碼器的輸出有5 V(即高電平為5 V，低電平為0 V)和15 V(即高電平為15 V，低電平為0 V)兩種電平標準，因此，設(shè)計了一個編碼器信號電平選擇開關(guān)。當開關(guān)S1撥到圖中A-所示端子處時，接收5 V編碼器信號;當開關(guān)S1撥到圖中G所示端子處時，接收15 V編碼器信號。

接口電路采用轉(zhuǎn)換速率最高可達10 MB/s的高速光耦6N137接收編碼器信號，使電路與外界電隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在6N137的5腳和8腳之間需要加一個0.1 μF的旁路電容。

由于需要3.3 V和5 V的直流電源，系統(tǒng)選用LM2596來完成編碼器接口電路的供電。LM2596最大輸出驅(qū)動電流為3 A，具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。電源硬件電路圖如圖2所示，其中，圖2(a)為3.3 VDC電源電路圖，圖2(b)為5 VDC電源電路圖。

圖2 電源硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit of the power supply

3 接口電路軟件設(shè)計

現(xiàn)階段對AGC系統(tǒng)壓下油缸位置進行檢測時，增量式編碼器的脈沖信號接收和處理主要有兩種方法。

一種是單獨構(gòu)建鑒相、計數(shù)的硬件電路，由D觸發(fā)器完成鑒相功能，再由74LS192進行計數(shù)。但實際中由分立元件來完成的電路易受干擾，并且容易產(chǎn)生脈沖計數(shù)累積誤差[7]。

另一種是直接由單片機來完成編碼器的鑒相、計數(shù)。但是這種方法會占用單片機許多CPU資源，如果有高級中斷，可能會出現(xiàn)漏計數(shù)的情況;且單片機的工作常會受到外界的干擾，造成片內(nèi)各種特殊功能寄存器產(chǎn)生變化，使單片機控制的系統(tǒng)無法工作。

本文選用復雜可編程邏輯控制器CPLD來實現(xiàn)增量式編碼器的倍頻、鑒相和計數(shù)。與上述兩種方法相比，選用復雜可編程邏輯控制器CPLD的方法運算處理速度更快，可靠性和抗干擾能力更強。

經(jīng)分析，增量式編碼器正轉(zhuǎn)時輸出的脈沖A、B兩信號的狀態(tài)是從00到01、到11、到10，再回到00的順序，而編碼器反轉(zhuǎn)時輸出的A、B兩信號的狀態(tài)是從00到10、到11、到01，再回到00的順序，都是經(jīng)歷了四個狀態(tài)之后循環(huán)，并且順序是唯一確定的。因此，可以通過判斷A、B信號的前后狀態(tài)變化來進行編碼器的鑒相。每當判斷一次狀態(tài)的變化，計數(shù)器就加一或者減一。這樣經(jīng)歷了一個周期之后，計數(shù)器進行了四次計數(shù)，從而實現(xiàn)了脈沖信號的四倍頻。

在AGC系統(tǒng)運行中，增量式編碼器輸出的脈沖信號容易受到高頻噪聲和主軸的抖動干擾，通過判斷脈沖信號狀態(tài)的方法可以消除這兩種干擾所帶來的計數(shù)誤差。這是因為編碼器輸出的脈沖信號狀態(tài)是有固定規(guī)律的，而當脈沖信號的狀態(tài)出現(xiàn)非正常變化時，計數(shù)器不計數(shù)，這樣就有效地減小了信號畸變所帶來的計數(shù)誤差。

在CPLD中，系統(tǒng)采用圖形與語言相結(jié)合的方法設(shè)計邏輯模塊[8－10]。通過圖形可以清晰地看到輸入和輸出的關(guān)系，而內(nèi)部的邏輯子模塊采用VHDL語言編制。這種自頂向下的方法有利于程序的閱讀和后續(xù)的軟件維護。

在位置檢測接口電路的設(shè)計中，需將整個工程分為鑒相模塊、計數(shù)模塊和數(shù)碼管顯示模塊幾個主要部分來設(shè)計?；贑PLD的頂層模塊設(shè)計圖如圖3所示。

圖3中，rst為復位端，當rst為1時，計數(shù)清零;clk為頻率為20 MHz的時鐘脈沖;a、b為增量式編碼器兩個相差90°的輸入脈沖信號;wei[7…0]和 duan[7…0]為數(shù)碼管的選通端，用于數(shù)碼管顯示。

對圖3所示工程，在CPLD開發(fā)軟件QuartusⅡ9.0上進行編譯。根據(jù)工程生成的report可知，在CPLD上實現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)采集與處理的功能需用65個Logic Elements和22個CPLD引腳。

圖3 編碼器接口電路頂層模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the top layer module of the encoder interface circuit

鑒相模塊的內(nèi)部VHDL程序如下。其中，a、b為編碼器輸出的兩個脈沖信號;pulse為四倍頻后的計數(shù)脈沖;updown表示編碼器轉(zhuǎn)動方向，當編碼器正轉(zhuǎn)時，updown為1，當編碼器反轉(zhuǎn)時，updown為0。

4 接口電路仿真

根據(jù)上述分析設(shè)計，本文在QuartusⅡ9.0環(huán)境下完成了接口電路的編碼、調(diào)試以及時序仿真。仿真波形圖如圖4所示。

圖4 仿真波形圖Fig.4 Simulation waveforms

圖4中：rst為復位信號;a、b為 A+、A－、B+、B －經(jīng)過6N137處理之后的脈沖信號;clk為系統(tǒng)時鐘，頻率為20 MHz;count為16位二進制的計數(shù)值，圖中是由4位十六進制表示。

由圖4可以看出，當A脈沖超前B脈沖90°時，計數(shù)器加1;當A脈沖落后B脈沖90°時，計數(shù)器減1。仿真驗證了設(shè)計電路原理的可行性。

5 試驗驗證

根據(jù)上述思路，構(gòu)建AGC系統(tǒng)位置檢測接口試驗電路，用以驗證接口電路的可行性。位置檢測接口電路總體框圖如圖5所示。

圖5 位置檢測接口電路總體框圖Fig.5 Overall block diagram of position detection interface circuit

試驗中所用增量式編碼器為德國倍加福公司的RVI58N系列的編碼器，該編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出1 024個脈沖。A、B、Z信號接收電路按照第2節(jié)所介紹的電路搭建，顯示電路由4位8段數(shù)碼管組成。選用Altera公司的MAX3000A系列型號為EPM3128ATC100-10的CPLD作為主控芯片，將VHDL程序?qū)懭隕PM3128ATC100-10中，上電運行后，轉(zhuǎn)動編碼器，數(shù)碼管可以穩(wěn)定地顯示所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

6 結(jié)束語

本文以CPLD為主控芯片，設(shè)計了板帶自動厚度控制(AGC)系統(tǒng)壓下油缸位置檢測接口電路，完成了增量式編碼器的信號采集與處理，實現(xiàn)了鑒相、倍頻、計數(shù)功能。

經(jīng)試驗驗證，該位置檢測接口電路采集和處理編碼器信號速度快，抗干擾能力強，為實現(xiàn)高精度板帶材自動厚度控制系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)，且本電路可移植性強，可以集成為獨立的模塊應用于其他工業(yè)領(lǐng)域。

[1]劉飛龍，裴海龍.光電脈沖編碼器四倍頻電路的實現(xiàn)及其應用[J].自動化儀表，2000，21(9)：4 －6.

[2]楊秋霞，楊景明，吳曉輝.索尼礠尺的模擬顯示電路[J].電力自動化設(shè)備，2004，24(4)：49 －51.

[3]費偉中，沈建新，周勇.增量式光電編碼器計數(shù)與接口電路設(shè)計[J].微特電機，2007，1(1)：16 －18.

[4]徐建忠，何麗，俞竹青.基于VHDL的光電編碼器信號處理方法[J].江蘇工業(yè)學院學報，2008，20(3)：43 －45.

[5]張九才，王文祥，楊顯志，等.增量式編碼器抗抖性研究[J].自動化儀表，2005，26(10)：38 －39.

[6]方一鳴，王洪瑞，楊景明，等.增量式脈沖編碼器在絕對位置測量中的應用[J].自動化儀表，1999(8)：21－23.

[7]焦東岳.基于PIC單片機的AGC下位機系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[D].秦皇島：燕山大學，2009.

[8]王誠，吳繼華，范麗珍，等.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(基礎(chǔ)篇)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[9]陳耀和.VHDL語言設(shè)計技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：1 －20.

[10]Wilson P.FPGA 設(shè)計實戰(zhàn)[M].杜生海，譯.北京：人民郵電出版社，2009：9－22.