絕對(duì)式恒光源24位光電軸角編碼器在光電經(jīng)緯儀上的應(yīng)用

楊順平，李大偉，王 黎

（91351部隊(duì)，遼寧興城125106）

某型光電經(jīng)緯儀是飛行試驗(yàn)的主要測(cè)量裝備。完成對(duì)飛機(jī)起飛、著陸及中近程的航跡、速度、加速度和圖像信息的高精度測(cè)量。根據(jù)某型光電經(jīng)緯儀的工作性質(zhì)、試驗(yàn)特點(diǎn)以及精度要求，編碼器分系統(tǒng)采用絕對(duì)式恒光源24位光電軸角編碼器（以下簡(jiǎn)稱編碼器），用于某型光電經(jīng)緯儀的方位、高低角度測(cè)量，同時(shí)取代測(cè)速機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)速。

該編碼器是高精度的測(cè)角元件，采用在測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的絕對(duì)式結(jié)構(gòu)，小型模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保留原編碼器測(cè)角精度高、穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1-4]，采用DSP（TMS320F2812）為主控元件；處理電路采用結(jié)構(gòu)化層次設(shè)計(jì)，更換靈活，有利于調(diào)試、維護(hù)；設(shè)計(jì)智能化調(diào)試、檢測(cè)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器工作狀態(tài)的優(yōu)化、清零預(yù)置、信號(hào)檢測(cè)等功能；取消部分人工調(diào)整環(huán)節(jié)，所有功能（如：自動(dòng)狀態(tài)優(yōu)化、清零預(yù)置功能、系統(tǒng)自檢功能等）設(shè)定均由軟件實(shí)現(xiàn)；關(guān)鍵部件采用冗余設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)診斷故障并及時(shí)進(jìn)行隔離處理，滿足某型光電經(jīng)緯儀的參試參訓(xùn)需求。

1 組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

每臺(tái)光電經(jīng)緯儀包含2套編碼器，即方位編碼器和高低編碼器。方位編碼器和高低編碼器的光機(jī)結(jié)構(gòu)相同，分別安裝在光電經(jīng)緯儀的垂直軸和水平軸上，由光學(xué)碼盤、光源、光路、讀數(shù)系統(tǒng)（由狹縫和光敏元件組組成）、軸系及固定結(jié)構(gòu)等組成[5-7]。方位編碼器和高低編碼器的處理電路集成在一塊電路板上，由電源、差分放大電路、同相放大電路、反相放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP數(shù)據(jù)處理電路、通訊電路和控制軟件等組成，電路板與電源組成一個(gè)電箱安裝在光電經(jīng)緯儀主機(jī)的側(cè)壁上，方位編碼器和高低編碼器的燈源電源安裝在光電經(jīng)緯儀主機(jī)的正面?zhèn)缺谏稀?/p>

1.2 工作原理

如圖1所示，碼盤固定在光電經(jīng)緯儀的垂直軸和水平軸上，其余部分都在外殼上固定。當(dāng)碼盤相對(duì)外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)出轉(zhuǎn)角（水平軸編碼器是碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直軸是外殼轉(zhuǎn)動(dòng)）。白熾燈發(fā)出的光分3路：第1路向上經(jīng)聚光鏡變成平行光，透過(guò)碼盤的粗碼道和粗狹縫，被光敏元件組（粗讀數(shù)頭）接收，讀出粗碼道數(shù)據(jù)并送入處理電路；第2路經(jīng)聚光被左偏折光路轉(zhuǎn)向90°，再由直角棱鏡向上轉(zhuǎn)90°透過(guò)精碼道和精上狹縫，被精上光敏元件組（精上讀數(shù)頭）接收，讀出一組精碼數(shù)據(jù)并送入處理電路；第3路右偏折轉(zhuǎn)向后透過(guò)精碼道和精下狹縫，被精下光敏元件組（精下讀數(shù)頭）接收，讀出精下數(shù)據(jù)并送入處理電路。采用精上和精下對(duì)徑讀數(shù)是為了消除碼盤的偏心差。經(jīng)譯碼、校正和加平均后，組合成粗狹縫位置讀出的精確角度。

圖1 編碼器結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1 Structure principle block diagram of the encoder

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)

光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)如圖1虛線內(nèi)所示。光源燈泡為特制的6V、15W白熾燈，燈源為恒光源；3路光學(xué)系統(tǒng)由聚光鏡、棱鏡、柱面鏡、非球面鏡等組成；光學(xué)碼盤為16位絕對(duì)式碼盤；3組讀數(shù)系統(tǒng)拾取狹縫內(nèi)的精碼、中精碼和粗碼信號(hào)[8-9]。

光學(xué)碼盤是一個(gè)環(huán)形玻璃圓盤（?=254mm），為了防止變形厚度比較厚（δ=12mm），中心穿過(guò)轉(zhuǎn)軸（水平軸和垂直軸）。環(huán)的一面鍍鉻，利用光刻法碼盤共刻劃22圈同心碼道（粗碼道、中精碼道采用格雷碼刻劃，精碼道采用階梯碼刻劃，線條邊緣清晰、均勻），包括12圈粗碼道（A1～A12）、1圈通圈碼道（T）、6圈中精碼道（G5、F1、F2、F3、J1、J2）和4圈精碼道（G0、G90、G180、G270），A12與F2共用1圈碼道。其中，精碼道刻劃到第14位，線對(duì)數(shù)16 384，角周期79.1″。

碼盤上碼道信號(hào)分別由3個(gè)讀數(shù)頭讀取，為了克服軸的晃動(dòng)和碼盤偏心造成的誤差，采用2個(gè)讀數(shù)頭對(duì)徑讀取精碼和中精碼信號(hào)，一個(gè)讀數(shù)頭信號(hào)為G0、G90、G180、G270、G5、J1、J2、F1、F2、F3；另一個(gè)讀數(shù)頭信號(hào)為 G0′、G90′、G180′、G270′、G5′、J1′、J2′、F1′、F2′、F3′；第3個(gè)讀數(shù)頭信號(hào)為A1、A2、…、A12及T（本編碼器的通圈T未采用）。

以上為一套編碼器的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)采集的32路光電信號(hào)，方位編碼器和高低編碼器的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)共采集64路碼盤光電信號(hào)并送入編碼器的處理電路進(jìn)行運(yùn)算處理。

2.2 電學(xué)系統(tǒng)

編碼器處理電路隨碼盤形式、碼道刻劃、細(xì)分方式的不同而各異。該編碼器處理電路采用全數(shù)字化處理，側(cè)重硬件向軟件方向發(fā)展。放大后的精碼、中精碼、粗碼信號(hào)經(jīng)A/D輸入接口送至DSP處理器，完成數(shù)據(jù)采集、比較、細(xì)分、譯碼、校正等處理，把軸的轉(zhuǎn)角變成24位自然二進(jìn)制代碼輸出并上傳至綜合控制器分系統(tǒng)[10-13]。

2.2.1 精碼處理電路

差分輸入放大器（OP491）用于放大編碼器精碼信號(hào)。方位和高低編碼器的精碼光敏元件共輸出16路精碼信號(hào)，即方位精上：G0、G90、G180、G270，方位精下：G0′、G90′、G180′、G270′，高低精上：G0、G90、G180、G270，高低精下：G0′、G90′、G180′、G270′。16路精碼信號(hào)按正負(fù)函數(shù)經(jīng)差分放大后消除偶次諧波和共模量，調(diào)節(jié)16路電位器WR的阻值，使差分輸入放大器輸出的8路正弦波（方位：sinθ、cosθ、sinθ′、cosθ′，高低：sinθ、cosθ、sinθ′、cosθ′）電壓為±4V，要求正負(fù)幅值對(duì)稱相等。放大后的8路精碼信號(hào)由MAX1308完成A/D轉(zhuǎn)換直接送入DSP。DSP首先把精碼（或上或下）信號(hào)進(jìn)行細(xì)分插補(bǔ)計(jì)算，得到精上（或精下）的二進(jìn)制碼。

本編碼器采用單片機(jī)細(xì)分法，單片機(jī)利用差分放大后的2個(gè)函數(shù)細(xì)分、判斷象限、方向和θ角范圍。其中，單片機(jī)細(xì)分原理如式（1）～（3）所示，若第Ⅰ象限細(xì)分使用Tn1代表，Tn代表任意細(xì)分值，n代表細(xì)分分?jǐn)?shù)（插補(bǔ)系數(shù)），本編碼器n=1 024。

2.2.2 中精碼、粗碼處理電路

反相輸入放大器（OP491）用于放大編碼器中精碼信號(hào)。方位和高低編碼器的精碼光敏元件輸出24路中精碼信號(hào)，即方位精上：G5、J1、J2、F1、F2、F3，方位精下：G5′、J1′、J2′、F1′、F2′、F3′，高低精上：G5、J1、J2、F1、F2、F3，高低精下：G5′、J1′、J2′、F1′、F2′、F3′。調(diào)節(jié)24路電位器WR的阻值，使24路中精碼輸出信號(hào)的幅值臨界飽和（+5V）。24路中精碼經(jīng)反相輸入放大器單路放大后由MAX1308完成A/D轉(zhuǎn)換直接送入DSP。DSP完成數(shù)據(jù)采集、譯碼和校正等處理。

同相輸入放大器（LM124）用于放大編碼器的粗碼信號(hào)。方位和高低編碼器的粗碼光敏元件共輸出24路粗碼信號(hào)，即方位：A1、A2、…、A12，高低：A1、A2、…、A12。24路粗碼信號(hào)經(jīng)同相輸入放大器單路放大后由MAX1308完成A/D轉(zhuǎn)換直接送入DSP。DSP完成數(shù)據(jù)采集、譯碼和校正等處理。

2.2.3 代碼校正

由于工藝上的原因，不可避免地在各碼位上出現(xiàn)偏差。特別是碼道內(nèi)圈，由于刻劃半徑小，同樣的切線方向誤差，反映到內(nèi)圈，誤差就大。設(shè)計(jì)碼盤時(shí)，在適當(dāng)位置將碼道分為精碼和粗碼。外圈取精碼，再經(jīng)過(guò)其他精化措施，確保其精度。校正邏輯用比較精確的碼道作標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)發(fā)現(xiàn)并修正各粗碼碼道端面偏差，即代碼校正（奇偶校正原理）[14-16]。

該編碼器的中精碼碼道和粗碼碼道采用格雷碼刻劃，共17圈，輸出位數(shù)13位。DSP首先把精碼（或上或下）信號(hào)進(jìn)行細(xì)分插補(bǔ)計(jì)算（1 024份），得到精上（或精下）的二進(jìn)制碼；第2項(xiàng)DSP采集中精碼，把格雷碼譯成自然二進(jìn)制碼，精上數(shù)碼對(duì)精上中精碼校正（根據(jù)奇偶校正原理），精上數(shù)碼與校正后的精上中精碼組合得到精上數(shù)據(jù)，精下數(shù)碼對(duì)精下中精碼校正（根據(jù)奇偶校正原理），精下數(shù)碼與校正后的精下中精碼組合得到精下數(shù)據(jù)，精上、精下數(shù)據(jù)相加求出平均值（精讀數(shù)）；第3項(xiàng)DSP采集粗碼，把格雷碼譯成自然二進(jìn)制碼，精上數(shù)據(jù)對(duì)粗碼校正（比較判別法）得到校正后的粗讀數(shù)，最后精讀數(shù)、校正后的粗讀數(shù)組合成完整的24位自然二進(jìn)制代碼（223，222、221、…、22，21，20，最小分辨率是

2.2.4 光強(qiáng)自動(dòng)補(bǔ)償處理電路

維持光源發(fā)光強(qiáng)度長(zhǎng)期穩(wěn)定，是解決編碼器系統(tǒng)經(jīng)久耐用的重要環(huán)節(jié)[17]。采用光強(qiáng)自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)可以起到與穩(wěn)定發(fā)光強(qiáng)度同樣的效果。

方位、高低編碼器輸出的16路精碼信號(hào)采用差分輸入放大器進(jìn)行放大起到了光強(qiáng)自動(dòng)補(bǔ)償作用。輸出的48路中精碼、粗碼信號(hào)經(jīng)單路放大后全部通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，DSP采集各路變化的數(shù)字值后通過(guò)式（4）計(jì)算出各路信號(hào)的比較電壓VS，再將VS與對(duì)應(yīng)的中精碼、粗碼信號(hào)的數(shù)字值進(jìn)行比較得到占空比1∶1的方波，該方波高低電平變化準(zhǔn)確反映了碼道亮暗區(qū)變化。當(dāng)白熾燈亮度改變時(shí)，由人工進(jìn)行整定，DSP重新計(jì)算各路信號(hào)的比較電壓VS并比較，解決了光強(qiáng)自動(dòng)補(bǔ)償問題。其中，比較電壓VS為：

通常，中精碼、粗碼信號(hào)的比較電壓VS設(shè)定為各路電壓峰值的1/3。

3 該編碼器與傳統(tǒng)編碼器的比較

3.1 光機(jī)部分優(yōu)勢(shì)

光源采用白熾燈照明方式，白熾燈發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后為碼盤照射提供了光通量高、直線性好的光線。同時(shí)，白熾燈降壓使用，提高了使用壽命，其亮度通常隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)逐漸下降，發(fā)生突滅的故障概率較小。當(dāng)光源亮度下降或照度不均勻時(shí)，導(dǎo)致光電經(jīng)緯儀抖動(dòng)或飛車，可以通過(guò)參數(shù)整定程序，在短時(shí)間內(nèi)迅速排除編碼器故障，確保光電經(jīng)緯儀的應(yīng)急需要。

光敏二極管組件的偏置電壓分別采用+12V、-12V、±12V，使碼盤光電信號(hào)的輸出幅度得到增大，有利于信號(hào)調(diào)整和后續(xù)電路的處理，提高了編碼器的測(cè)角精度。同時(shí)，粗碼信號(hào)因幅值升高而且離散性低，取消了電位器調(diào)節(jié)各信號(hào)。

3.2 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

該編碼器的處理電路采用大規(guī)模集成芯片，電路設(shè)計(jì)合理，自適應(yīng)能力強(qiáng)。同時(shí)，去掉了粗碼電位器調(diào)節(jié)和中精碼、粗碼信號(hào)的比較鑒幅器及鎖存器。與傳統(tǒng)處理電路相比，減少了大約65%以上的元器件，電路板由原來(lái)的6塊減少到1塊（165mm×160mm），方便電路檢查維護(hù)，降低了發(fā)生故障的概率。

3.3 調(diào)試環(huán)節(jié)減少

該編碼器的處理電路采用全A/D化設(shè)計(jì)，精碼、中精碼、粗碼信號(hào)放大后全部通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送至DSP。采用軟件根據(jù)各路信號(hào)的電流強(qiáng)度不同自動(dòng)計(jì)算各路信號(hào)的比較電平，人工只需要調(diào)整精碼和中精碼輸入信號(hào)，減少了調(diào)整粗碼輸入信號(hào)、電平調(diào)整、固定電平和中精碼、粗碼信號(hào)與通圈、固定電平的比較環(huán)節(jié)，提高了參數(shù)調(diào)整精度?？梢愿鶕?jù)環(huán)境的變化定期進(jìn)行參數(shù)整定，提高系統(tǒng)的可靠性和通用性。

3.4 提高處理能力

單片機(jī)是編碼器電路系統(tǒng)的核心部分，選用DSP（TMS320F2812）為主機(jī)[18]，具有運(yùn)算精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，該編碼器穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)小于 30 μs。

3.5 實(shí)現(xiàn)智能化管理

編碼器分系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)與綜合控制器分系統(tǒng)進(jìn)行串行通訊?？梢酝ㄟ^(guò)主控計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)完成編碼器標(biāo)校，如方位、俯仰的置數(shù)。同時(shí)主控計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)對(duì)編碼器輸出的方位角度值和高低角度值進(jìn)行記錄，可以分析、判斷編碼器工作狀態(tài)，如編碼器的進(jìn)位、跳碼、錯(cuò)碼等故障。

4 結(jié)論

本文根據(jù)試飛要求設(shè)計(jì)了某型光電經(jīng)緯儀編碼器分系統(tǒng)。該編碼器的光機(jī)部分采用白熾燈光源，絕對(duì)式碼盤和提高讀數(shù)頭的偏置電壓，為電控部分提供了理想、穩(wěn)定的碼道波形，有利于提高測(cè)角精度；電控部分采用OP491和LM124作為差分、反相、同相放大器對(duì)精碼、中精碼和粗碼原始光電信號(hào)進(jìn)行放大整形，采用A/D轉(zhuǎn)換器MAX1308和DSP處理器TMS320F2812對(duì)放大整形信號(hào)進(jìn)行處理，獲得24位的角分辨率，提高了運(yùn)算速度，減少了電路體積；重要參數(shù)整定技術(shù)，可以快速排除光電經(jīng)緯儀初期發(fā)生的“抖動(dòng)或飛車”故障或延長(zhǎng)光電經(jīng)緯儀的工作狀態(tài)，確保光電經(jīng)緯儀完成跟蹤測(cè)量任務(wù)。近年來(lái)，該編碼器除更換過(guò)白熾燈泡、重調(diào)碼道信號(hào)和重要參數(shù)整定外未出現(xiàn)過(guò)其他任何故障或隱患，實(shí)現(xiàn)在角速度、角加速度作用下保精度輸出數(shù)據(jù)，滿足某型光電經(jīng)緯儀的測(cè)角測(cè)速要求，得到用戶一致好評(píng)，具有廣泛的推廣價(jià)值。