楊寧，萬秋華，張澤宇，劉長嶺

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

光電軸角編碼器是集光、機、電于一體的一種數(shù)字測角裝置。它具有高分辨力、高精度、測量范圍廣、易與維護等優(yōu)點。因此，被廣泛應用于航空航天、自動控制和高精度閉環(huán)測速系統(tǒng)等諸多領域。隨著現(xiàn)代科學技術的進步，上述領域對編碼器的要求越來越高，要求編碼器向智能化、集成化、高精度、高可靠性方向發(fā)展。因此，本文提出了一種基于 TMS320F2812為核心的編碼器數(shù)字處理電路，能有效的減少編碼器系統(tǒng)的調試時間，同時實現(xiàn)了編碼器的智能化和高可靠性。

1 TMSF320F2812和編碼器

1.1 TMSF320F2812

TMS320F2812是TI公司C2000系列中性價比較高的一款器件。該器件集成了豐富而又先進的外設，如 128KB的 FLASH存儲器、4KB的引導ROM，同時具有很高的運算精度（32位）和系統(tǒng)處理能力（達到150MIPS）。

1.2 編碼器

光電編碼器以高精度計量圓光柵為位移基準、以光柵莫爾條紋技術為基礎，將空間角位移轉換為數(shù)字信息，具有高分辨力、高精度、高智能化、無接觸測量等優(yōu)點［1-4］。

1.3 編碼器分辨力

將一個圓周角分成2n等分，每個等分所對應的角度稱為分辨力。

1.4 編碼器測角精度

編碼器測量角度結果與真值接近程度的量。

2 系統(tǒng)組成及原理

編碼器主要處理電路都集成在一塊電路板上。由信號放大電路，A/D模數(shù)轉換電路，單片機及串行輸出數(shù)據(jù)電路組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 編碼器信號處理系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of encoder signal process system

碼盤原始信號經(jīng)過放大器整形后通過A/D轉換器把模擬信號轉換成數(shù)字信息，再由DSP通過軟件進行算法處理成自然二進制數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口輸出給上位機。

3 硬件電路設計

3.1 DSP模塊電路設計

DSP采用TI公司的32位定點芯片TMS320F-2812，該芯片兼容 TMS320F2407指令系統(tǒng)，最高可在150MHz主頻下工作，并帶用18K×16BIT零等待周期片上SRAM和128K×16BIT片上FLASH（存取時間36NS）［5］。它具有豐富的篇內外設，使用2812這款芯片減小了電路板面積，并且完全滿足系統(tǒng)設計功能的要求。其內部框圖如圖2所示。

圖2 TMS320F2812內部結構功能Fig.2 Interior configuration diagram of TMS320F2812

3.2 通訊接口電路設計

上位機于本電路接口采用75LBC184差分422形式串口芯片，這種接口方式更少的減小了電路板空間，抗干擾性強。MAX488與2812硬件連線圖如圖3所示。

圖3 MAX488與TMS320F2812硬件連線圖Fig.3 Hardware diagram of MAX488 and TMS320F2812

為提高通訊效率和可靠性，在與上位機傳輸數(shù)據(jù)時本電路采用3片接口芯片，一個接收時統(tǒng)信號用來使DSP工作在上位機要求的頻率內。另外兩個作為串口通訊芯片，用來接收上位機指令和發(fā)送編碼器數(shù)據(jù)。本電路設計時利用DSP片上FIFO功能作為上位機與本電路交流的平臺，很好的完成了編碼器高智能化的要求。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路設計

圖4 MAX1308管腳示意圖Fig.4 Pin diagram of MAX1308

高精度編碼器（以24位編碼器為例）共有32位模擬信號，每一路信號均需要對應的模擬電路對其做前端信號放大處理，在把所有信號通過A/D模擬轉換器把模擬信號轉換成數(shù)字信號，再通過DSP中心處理器進行參數(shù)整定和譯碼工作。本電路采用MAX1308 A/D轉換器。單通道轉換時間0.76s，八通道同時轉換共用時間5.96s。 對于32位模擬信號同時轉換，只需要4片 MAX1308，減少了電路板空間和電路的復雜度。MAX1308是快速數(shù)據(jù)采集與智能化數(shù)據(jù)處理平臺的硬件基礎，管腳示意圖如圖4所示。

MAX1308與2812電路設計簡單，連線少，電路用件少，速度快，可靠性高。MAX1308與2812硬件連線圖如圖5所示。

圖5 MAX1308與TMS320F2812硬件連線圖Fig.5 Hardware diagram of MAX1308 and TMS320F2812

3.4 信號自動調整電路設計

本系統(tǒng)是通過A/D采集32路原始信號的連續(xù)變換的數(shù)字值，中央處理器讀入各路變化的數(shù)字值后通過公式計算出每信號的比較電壓Vs，再與對應原始信號的數(shù)字值進行比較，得出此時的碼盤轉動的角度信息，信號調整電路原理如圖6所示。

圖6 調整電路原理框圖Fig.6 Principle diagram of adjust electrocircuit

3.5 結果

圖7 粗碼信號Fig.7 Diagram of coarse code signal

圖8 比較后的方波圖Fig.8 Pulse diagram of offer compared

以粗碼為例信號如圖7所示，比較電平計算見公式（1）。當信號幅值發(fā)生改變時，比較電平也相應改變，減少了編碼器的錯碼率，增加了系統(tǒng)的可靠性。信號比較電壓Vs：

通常比較電平電壓設定為粗碼信號電壓峰值的三分之一，經(jīng)過以比較電平為參考點計算后，最后形成數(shù)字信號的占空比為1:1，計算結果如圖8所示。

4 結論

本文設計了基于 TMS320F2812的高精度編碼器電路，系統(tǒng)充分發(fā)揮了 TMS320F2812速度及集成度高的優(yōu)勢。實際測試結果表明本系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定時間僅為30s，提高了數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足高頻響的要求，精度也達到了預期目的，并且實現(xiàn)了高可靠性，高智能的要求。

［1］葉盛祥.光電位移精密測量技術［M］.成都：四川科學技術出版社，2003.

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［6］TMS320F28X系列DSP的CPU與外設［M］.張為寧，譯.北京：清華大學出版社，2004-09.