基于CPLD的增量式調(diào)焦編碼器讀出電路的設(shè)計(jì)

雷增強(qiáng)，許輝勇，程 剛，沈良吉，陳志學(xué)

基于CPLD的增量式調(diào)焦編碼器讀出電路的設(shè)計(jì)

雷增強(qiáng)1，許輝勇2，程 剛1，沈良吉1，陳志學(xué)1

（1. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2. 西安微電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

在紅外熱像儀調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過電機(jī)帶動(dòng)調(diào)焦鏡組沿直線導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)調(diào)焦鏡組的位置精確變化實(shí)現(xiàn)焦距的變化。為了精確控制調(diào)焦鏡組的位置，調(diào)焦控制系統(tǒng)需要高分辨率的編碼器實(shí)時(shí)反饋調(diào)焦鏡組的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)焦鏡組的閉環(huán)控制。紅外熱像儀調(diào)焦控制系統(tǒng)中采用增量式光電編碼器作為調(diào)焦鏡組位置的反饋測量元件。針對(duì)增量式編碼器的特點(diǎn)，利用CPLD（complex programmable logic device）豐富的邏輯資源和可編程的靈活性，設(shè)計(jì)了一種讀出電路，可以實(shí)時(shí)精確反饋調(diào)焦鏡組的位置。經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，該方案可以實(shí)時(shí)并精確地讀出增量式光電編碼器的位置信息，具有一定的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制，滿足系統(tǒng)要求。

閉環(huán)控制；增量式光電編碼器；CPLD；讀出電路

0 引言

紅外熱像儀調(diào)焦系統(tǒng)是通過改變光學(xué)組件之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)焦距變化，從而完成多個(gè)視場成像的。在現(xiàn)有工程樣機(jī)調(diào)焦控制過程中，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)紅外熱像儀調(diào)焦鏡組的位置精確變化，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品焦距的變化。在熱像儀的調(diào)焦機(jī)構(gòu)中，位置傳感器固定在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)焦鏡組支架上[1]，使其滑動(dòng)位置與調(diào)焦鏡組的位置變化保持一致，于是就可以通過此位置傳感器來實(shí)現(xiàn)調(diào)焦鏡組位置的實(shí)時(shí)性反饋，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦閉環(huán)控制。在傳統(tǒng)的紅外調(diào)焦控制系統(tǒng)中，由于電阻式角位移傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大[2]，常常用作獲取位置變化，但是其分辨率低。在高精度的調(diào)焦控制系統(tǒng)中，電位器式傳感器就無法滿足設(shè)計(jì)要求，因此必須使用高分辨率的傳感器來獲取位置變化。

光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常用以檢測轉(zhuǎn)子的位置與速度，是通過光電轉(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)字量的高精度角位置測量傳感器。由于其具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中[3]。光電編碼器分為絕對(duì)值編碼器和增量式編碼器兩種，鑒于絕對(duì)式光電編碼器價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化的缺陷，增量式編碼器具有成本低、測角測速精度高，可以實(shí)現(xiàn)小型化等優(yōu)勢[4]。在紅外熱像儀調(diào)焦控制中，增量式編碼器被用于檢測閉環(huán)控制的位置反饋信號(hào)。

增量式光電編碼器有這樣一個(gè)特點(diǎn)：編碼器每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)一個(gè)增量位移，但是不能得到輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。增量式光電編碼器能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，提供一種對(duì)連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化的傳感方法，是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量[5]。增量式光電編碼器的輸出信號(hào)為方波信號(hào)A、B信號(hào)及Z基準(zhǔn)定位信號(hào)，A、B信號(hào)波形相同，而在相位上相差90°，Z信號(hào)計(jì)算增量式編碼器軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。增量式編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，A與B輸出脈沖個(gè)數(shù)相同，其脈沖數(shù)決定了增量式編碼器的精度[6]，通過讀取編碼器的輸出脈沖數(shù)（A/B）和編碼器軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)（Z），便可計(jì)算出其相對(duì)位移量。由于增量式光電編碼器不具有計(jì)數(shù)和接口電路，因此本文利用復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device, CPLD）內(nèi)部豐富的邏輯資源和可編程的靈活性，設(shè)計(jì)出一種基于CPLD的增量式編碼器讀出電路，具備分辨精度高、性能可靠、調(diào)試維護(hù)靈活等優(yōu)點(diǎn)，并行輸出計(jì)數(shù)結(jié)果與單片機(jī)通信。

1 接口電路頂層設(shè)計(jì)

增量式編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B、Z相。其中A、B為兩信號(hào)相位相差90°的正交方波脈沖，A相或B相的每個(gè)脈沖代表調(diào)焦鏡組旋轉(zhuǎn)了一定角度。Z相每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖。由于增量式編碼器只輸出方波脈沖，所以它自己不能記憶自己的旋轉(zhuǎn)方位，需要計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)。此外，需要通過A、B的兩脈沖的相位關(guān)系來確定調(diào)焦鏡組的旋轉(zhuǎn)方向。轉(zhuǎn)動(dòng)中，A相超前B相90°，則轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?；B相超前A相90°，則轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉聪?，如圖1[7]所示。

本設(shè)計(jì)選用的增量式光電編碼器型號(hào)為R219，其主要的性能指標(biāo)有：

①光電編碼器的分辨率為16384CPR，即每旋轉(zhuǎn)一圈（360°）輸出16384個(gè)脈沖；

②最高轉(zhuǎn)速10000 rpm；

③編碼器輸出的差分信號(hào)分成3組：A＋、A－、B＋、B－、Z＋、Z－，其中A＋和A－、B＋和B－、Z＋和Z－分別為差分輸出。

在設(shè)計(jì)過程中需要先將3組差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)輸入到CPLD管腳上。本設(shè)計(jì)選用AM26 LV32IDR四路差分線接收器，可以完成三路差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成3.3V單端信號(hào)輸出的功能。如圖2所示。

鑒于光電編碼器的分辨率為16384CPR，即每旋轉(zhuǎn)一圈（360°）輸出16384個(gè)脈沖，分辨精度為：

360°/16384＝0.0219°

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，要求編碼器的可分辨精度小于0.015°。因此設(shè)計(jì)中利用CPLD實(shí)現(xiàn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)的4倍頻，這樣編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈（360°）輸出16384×4個(gè)脈沖，即65536個(gè)信號(hào)。對(duì)編碼器的輸出脈沖信號(hào)4倍頻后，編碼器的分辨精度可以達(dá)到：

360°/65536＝0.0054°

可見對(duì)編碼器的輸出脈沖信號(hào)4倍頻后，編碼器的分辨精度得到了大幅度提升，完全可以滿足項(xiàng)目需要。

設(shè)計(jì)中采用ALTERA公司的CPLD，型號(hào)為10M50SCE144I7G。主時(shí)鐘選用16M晶振，可以滿足設(shè)計(jì)需要。

采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，基于CPLD的增量式編碼器讀出電路頂層設(shè)計(jì)方案如圖3所示，分為信號(hào)去抖及整型、信號(hào)四倍頻、轉(zhuǎn)向識(shí)別、脈沖計(jì)數(shù)、圈數(shù)計(jì)數(shù)、輸出數(shù)據(jù)有效檢測、并行輸出7個(gè)軟件模塊。其中零位信號(hào)作為調(diào)焦控制中的基準(zhǔn)信號(hào)。

圖1 增量式編碼器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)

圖2 差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)

圖3 編碼器接口電路頂層設(shè)計(jì)圖

1.1 信號(hào)去抖及整型模塊

經(jīng)芯片AM26LV32IDR轉(zhuǎn)換的編碼器單端信號(hào)A、B、Z信號(hào)，以及零位信號(hào)送到CPLD的輸入端，為了消除信號(hào)的尖脈沖干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證信號(hào)的完整性，輸入到CPLD的信號(hào)都必須經(jīng)過D觸發(fā)器的脈沖整型。D觸發(fā)器的輸入信號(hào)分別為a、b、z、sig_zero，輸入時(shí)鐘的頻率要小于A信號(hào)的頻率，本文設(shè)計(jì)的輸入時(shí)鐘頻率為A信號(hào)頻率的3/4。對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為a_ff1、b_ff1、z_ff、sig_zero_ff。同時(shí)為了濾除信號(hào)的高頻雜波，設(shè)計(jì)了低通濾波器，低通濾波器的截止頻率為A信號(hào)頻率的1.1倍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼器輸出信號(hào)的濾波和整型，這樣便解決了編碼器差分傳輸過程中帶來的信號(hào)畸變，提高了抗干擾能力。

1.2 信號(hào)四倍頻模塊

由于增量式編碼器的可分辨精度無法達(dá)到項(xiàng)目要求，因此本設(shè)計(jì)提出通過軟件四倍頻的靈活方式來增加編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈的輸出脈沖數(shù)[8]，即提高編碼器的可分辨精度。

增量式編碼器的輸出方波信號(hào)A、B波形相同，僅在相位上相差90°。將A、B信號(hào)分別經(jīng)過一個(gè)D觸發(fā)器延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘，D觸發(fā)器的輸入信號(hào)為a_ff1、b_ff1，輸出信號(hào)為a_ff2、b_ff2。利用數(shù)字信號(hào)處理學(xué)的相關(guān)知識(shí)可以實(shí)現(xiàn)A、B信號(hào)的四倍頻。sig_fclk為四倍頻模塊輸出信號(hào)。

1.3 編碼器轉(zhuǎn)向識(shí)別模塊

熱像儀伺服控制系統(tǒng)通過A、B的兩脈沖的相位關(guān)系來確定調(diào)焦鏡組的旋轉(zhuǎn)方向。增量式編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)中，當(dāng)A相超前B相90°，則轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?；?dāng)B相超前A相90°，則轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉聪颉＝Y(jié)合圖1的編碼器輸出脈沖圖，在A的信號(hào)脈沖下降沿時(shí)，如果B信號(hào)脈沖為高電平(1)，則表示編碼器正轉(zhuǎn)，方向標(biāo)志信號(hào)sig_dir記為1；在A的信號(hào)脈沖下降沿時(shí)，如果B信號(hào)脈沖為低電平(0)，則表示編碼器反轉(zhuǎn)，方向標(biāo)志信號(hào)sig_dir記為0。這樣便可以輕松識(shí)別編碼器的轉(zhuǎn)向。

1.4 編碼器脈沖計(jì)數(shù)模塊

增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出16384個(gè)脈沖，經(jīng)過信號(hào)四倍頻模塊后，實(shí)現(xiàn)了輸出脈沖的四倍頻，這樣編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，輸出65536個(gè)脈沖信號(hào)sig_fclk。首先利用編碼器的清零信號(hào)對(duì)編碼器脈沖計(jì)數(shù)器清零，然后利用方向標(biāo)志信號(hào)sig_dir進(jìn)行計(jì)數(shù)方向選擇。當(dāng)sig_dir＝1時(shí)，此時(shí)表示光電編碼器正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器coun進(jìn)行加1操作；若sig_dir＝0時(shí)，此時(shí)表示光電編碼器反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器coun進(jìn)行減1。這樣便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器脈沖的精確計(jì)數(shù)。

1.5 編碼器圈數(shù)計(jì)數(shù)模塊

編碼器圈數(shù)計(jì)數(shù)可以有兩種方式：一種利用清零信號(hào)對(duì)Z信號(hào)進(jìn)行清零，然后利用方向標(biāo)志信號(hào)sig_dir對(duì)Z信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)sig_dir＝1時(shí)，此時(shí)表示光電編碼器正轉(zhuǎn)，對(duì)計(jì)數(shù)器圈數(shù)cirl_coun進(jìn)行加1操作；若sig_dir＝0時(shí)，此時(shí)表示光電編碼器反轉(zhuǎn)，對(duì)計(jì)數(shù)器圈數(shù)cirl_coun進(jìn)行減1操作。另一種計(jì)數(shù)方式就是利用編碼器脈沖計(jì)數(shù)器來進(jìn)行圈數(shù)計(jì)數(shù)，在設(shè)計(jì)中將編碼器脈沖計(jì)數(shù)器coun設(shè)置成24bit，這樣高8位便是編碼器圈數(shù)，低16位對(duì)應(yīng)編碼器脈沖計(jì)數(shù)值。第一種計(jì)數(shù)方式在項(xiàng)目中使用時(shí)，發(fā)現(xiàn)如果編碼器在進(jìn)行圈數(shù)計(jì)數(shù)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，方向控制信號(hào)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)亂，便會(huì)導(dǎo)致編碼器圈數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)錯(cuò)碼。第二種方式由于是采用編碼器脈沖計(jì)數(shù)器“進(jìn)位”方式對(duì)編碼器圈數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即使在計(jì)數(shù)中偶爾出現(xiàn)抖動(dòng)，計(jì)數(shù)偏差也可以控制在編碼器脈沖計(jì)數(shù)器中，并不會(huì)對(duì)編碼器圈數(shù)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生誤碼影響。因此采用第二種方式對(duì)編碼器圈數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

1.6 編碼器輸出數(shù)據(jù)有效檢測模塊

由于熱像儀伺服控制系統(tǒng)是通過對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)來實(shí)時(shí)檢測調(diào)焦鏡組位置，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。編碼器的零位控制信號(hào)至關(guān)重要。因此要求熱像儀伺服控制系統(tǒng)每次上電時(shí)，必須有個(gè)尋找零位控制信號(hào)的過程。而在編碼器找到“零位”之前，編碼器的計(jì)數(shù)器值是不受控制的，也就是此時(shí)的計(jì)數(shù)器處于失控狀態(tài)，并不能用來檢測調(diào)焦鏡組的位置。只有當(dāng)編碼器找到零位控制信號(hào)后，編碼器的計(jì)數(shù)器值才是有效的，才能用于檢測閉環(huán)控制的位置反饋信號(hào)。編碼器輸出數(shù)據(jù)有效檢測模塊主要功能是檢測編碼器計(jì)數(shù)值何時(shí)有效，并將有效計(jì)數(shù)值鎖存。

1.7 并行輸出模塊

并行輸出模塊主要是將編碼器輸出數(shù)據(jù)有效檢測模塊鎖存的有效計(jì)數(shù)值并行輸出到單片機(jī)的I/O口上。

2 硬件時(shí)序仿真及結(jié)果分析

利用QuartusII11.0的signalTap II Logic Analyzer實(shí)時(shí)捕獲關(guān)鍵信號(hào)的時(shí)序仿真結(jié)果如圖4和圖5所示.

圖4增量式編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，sig_dir＝1，編碼器可以根據(jù)四倍頻的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定計(jì)數(shù)增加。圖5增量式編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，sig_dir＝0，編碼器可以根據(jù)四倍頻的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定計(jì)數(shù)減少。

圖4 編碼器正轉(zhuǎn)仿真結(jié)果

圖5 編碼器反轉(zhuǎn)仿真結(jié)果

3 結(jié)論

利用CPLD軟件實(shí)現(xiàn)靈活，隨時(shí)可以修改，在線調(diào)試方便的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出增量式調(diào)焦編碼器讀出接口電路。本文根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目需要，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法[9]，設(shè)計(jì)出滿足調(diào)焦伺服系統(tǒng)需要的編碼器讀出電路，可以高精度實(shí)現(xiàn)調(diào)焦鏡組位置的實(shí)時(shí)性反饋，完成伺服控制的閉環(huán)控制。通過硬件調(diào)試，利用Quartus中Signal TapII實(shí)時(shí)捕獲和抓取關(guān)鍵信號(hào)，通過分析驗(yàn)證，編碼器讀出接口電路時(shí)序正確，可以實(shí)現(xiàn)工程需要。較利用電子元器件搭建的硬件電路，該接口設(shè)計(jì)電路集成化高、易于修改、方便調(diào)試、便于維護(hù)、適用性好，可稍加修改用于其它利用編碼器獲取位置信息的工程項(xiàng)目中。

[1] 王建瑞. 基于紅外圖像的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2018, 33(3): 3-5.

WANG Jianrui. Auto focusing technology based on infrared image[J]., 2018, 33(3): 3-5.

[2] 郭藝丹. 電位器式角位移傳感器實(shí)驗(yàn)綜述[J]. 呂梁教育學(xué)報(bào), 2018, 35(4): 1.

GUO Yidan. Summary of potentiometer type angular displacement sensor experiment[J]., 2018, 35(4): 1.

[3] 劉晴晴, 韓利軍, 任磊, 等. 基于增量式光柵編碼器的高精度角位移測量方法[J].航天控制, 2017, 35(3): 3-5.

LIU Qingqing, HAN Lijun, REN Lei, et al. High-precision angular displacement measurement method based on incremental grating encoder[J]., 2017, 35(3): 3-5.

[4] 馬程浩. 光電軸角編碼器的檢測方法分析及研究[J]. 信息科學(xué)報(bào), 2018(18): 2-3.

MA Chenghao. Analysis and research on detection method of photoelectric shaft encoder[J]., 2018(18): 2-3.

[5] 黃雍囥, 洪占勇, 文長明. 基于FPGA的增量式編碼器細(xì)分方法的研究[J]. 國外電子測量技術(shù), 2017, 12(36): 3.

HUANG Yongxi, HONG Zhanyong, WEN Changming. Research on the subdivision method of incremental encoder based on FPGA[J]., 2017, 12(36): 3.

[6] 劉小樹, 萬秋華, 楊守旺, 等. 基于FPGA的增量式編碼器誤差自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2017(2): 3-4.

LIU Xiaoshu, WAN Qiuhua, YANG Shouwang, et al. FPGA-based incremental encoder error automatic monitoring system[J]., 2017(2): 3-4.

[7] 岳振, 顧海峰, 李范明. 一種編碼器實(shí)時(shí)讀出電路設(shè)計(jì)及處理方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013, 13(20): 5956.

YUE Zhen, GU Haifeng, LI Fanming. A real-time readout circuit design and processing method for encoder[J]., 2013, 13(20): 5956.

[8] 王立錦, 劉亞東, 焦讓, 等. 磁旋轉(zhuǎn)編碼器四倍頻電路分析與集成化設(shè)計(jì)[J]. 電子器件, 2005, 28(2): 359-360.

WANG Lijin, LIU Yadong, JIAO Rang, et al. Analysis and integrated design of quadruple frequency circuit for magnetic rotary encoder[J]., 2005, 28(2): 359-360.

[9] 陳楚, 呂石磊, 孫道宗, 等. 基于FPGA的自頂向下乘法器電路設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2017(11): 2-3.

Chen Chu, Lu Shilei, Sun Daozong, et al. Circuit design of top-down multiplier based on FPGA[J]. Digital Technology and Application, 2017(11): 2-3.

Design of Readout Circuit of Incremental Focusing Encoder Based on CPLD

LEI Zengqiang1，XU Huiyong2，CHENG Gang1，SHEN Liangji1，CHEN Zhixue1

(1.,710065,; 2.,710065,)

In the focusing system design of an infrared(IR) imager, the motor drives the focusing lens group to reciprocate along the linear guide rail to change the position of the focusing lens group accurately and to change the focal length. To control the position of the focus lens group accurately, the focus control system requires a high-resolution encoder to reflect the position of the focus lens groupto realize closed-loop control of the group. In the focusing control system of the IR imager, an incremental encoder is used to feedback the position of the focusing lens group. According to the characteristics of the incremental encoder, because of the rich logic resources and programmable flexibility of the complex programmable logic device, a readout circuit is designedthat can accurately feedback the position of the focusing lens group in real time. Verification in an actual project demonstrated that this scheme can read out the position of the incremental encoder accurately in real time, has reliable anti-interference ability, and meets the system requirements of high-precision position control.

closed-loop control, incremental optic-electric encoder, CPLD, readout circuit

A

1001-8891(2020)11-1029-05

2019-12-21；

2020-07-13.

雷增強(qiáng)（1987-），男，碩士，工程師，主要從事紅外技術(shù)應(yīng)用和紅外系統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)研究。E-mail：704962189@qq.com。