周祥才

(常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

光電編碼器內(nèi)部是一組碼盤結(jié)構(gòu)，一旦受到外部的振動(dòng)或抖動(dòng)干擾，A、B通道輸出信號(hào)有可能出現(xiàn)干擾的窄脈沖信號(hào)，引起正反向錯(cuò)誤計(jì)數(shù)［1］，出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。減少或消除誤碼的方法很多，如通過辨向和電子細(xì)分電路設(shè)計(jì)［2］，讓干擾引起的正反計(jì)數(shù)相抵消，減少誤碼的影響，但干擾不具備對(duì)稱性，計(jì)數(shù)不受控，實(shí)際上不能完全消除誤碼;利用A、B通道信號(hào)出現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路［3］，通過數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器(RAM)固定地址的有序狀態(tài)輸出和軟件判別排除誤碼，該方法有較好的效果，但不具備四倍頻功能，另外RAM數(shù)據(jù)地址固定不變，干擾脈沖的存在會(huì)引起RAM數(shù)據(jù)地址復(fù)位，出現(xiàn)漏計(jì)數(shù)。

針對(duì)四倍頻電路的計(jì)數(shù)脈沖輸出，設(shè)計(jì)了相應(yīng)計(jì)數(shù)脈沖的狀態(tài)電路，并通過軟件對(duì)計(jì)數(shù)狀態(tài)的識(shí)別，甄別每個(gè)正反計(jì)數(shù)脈沖，從根本上消除誤碼計(jì)數(shù)。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及其工作原理

圖1為采用邏輯門電路獲得的四細(xì)分辨向電路［4］。RC積分電路和與門組成單穩(wěn)態(tài)窄脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路，在A、B信號(hào)跳變處產(chǎn)生四路相位依次相差的窄脈沖，后經(jīng)四與或門實(shí)現(xiàn)信號(hào)四倍頻電子細(xì)分和辨向。正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，u01為脈沖信號(hào)，u02為高電平，電路各點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài)和輸出波形如圖2所示。當(dāng)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，u01為高電平，u02為脈沖信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一計(jì)數(shù)和方向識(shí)別，將輸出信號(hào)u01、u02接入與門U5，獲得正反向的計(jì)數(shù)脈沖，并連接至單片機(jī)的端，實(shí)現(xiàn)邊沿觸發(fā)中斷計(jì)數(shù)［4］，同時(shí)將 u01、u02分別接入 P1.4、P1.5，用于正反向方向識(shí)別。

圖1 電子四細(xì)分及辨向電路圖

圖2 四倍頻脈沖輸出狀態(tài)波形圖

在碼盤正反轉(zhuǎn)變化的一個(gè)周期內(nèi)，正反轉(zhuǎn)各有4個(gè)脈沖輸出，為表征每一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，需要8種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于正反轉(zhuǎn)的8個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，顯然僅用A、B信號(hào)變化狀態(tài)是不夠的。本文采用4個(gè)D觸發(fā)器組成計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)相對(duì)應(yīng)的時(shí)序狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生電路，如圖3所示。

圖3 計(jì)數(shù)脈沖輸出狀態(tài)電路圖

D觸發(fā)器兩兩串聯(lián)，同相端信號(hào)輸出的特性方程為:

D觸發(fā)器同相端信號(hào)輸出狀態(tài) Q4、Q3、Q2、Q1剛好對(duì)應(yīng)正反轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)脈沖，正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)波形如圖4所示。

圖4 計(jì)數(shù)脈沖狀態(tài)波形圖

當(dāng)供給D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)足夠高時(shí)，一般取A、B通道信號(hào)最高頻率的8倍以上，則在正反轉(zhuǎn)時(shí)，A、B 通道信號(hào)跳變處的狀態(tài)由 Q4、Q3、Q2、Q1表示，狀態(tài)固定且有序。例如，正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前于B信號(hào)，脈沖計(jì)數(shù)狀態(tài)分別為0001、0111、1110、1000，由于 Q4、Q3、Q2、Q1輸出信號(hào)接入單片機(jī)的 P1 口的 P1.3～ P1.0，若屏蔽 P1 口的高4位，則狀態(tài)可分別記為01H、07H、0EH、08H。同理，當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)狀態(tài)分別為0100、1101、1011、0010，狀態(tài)分別為04H、0DH、0BH、02H。

當(dāng)U5輸出的計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)，引起端下降沿觸發(fā)中斷。在中斷程序中，脈沖能否被計(jì)數(shù)需要判定以下條件:①讀取 P1.4、P1.5值，判定是否是正反轉(zhuǎn)方向;②讀取 P1.3～ P1.0值，判定是否是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)允許出現(xiàn)的正常狀態(tài);③如果是計(jì)數(shù)狀態(tài)，還需要判定是否與上一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)狀態(tài)不相同。因?yàn)樵谡＾D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Q4、Q3、Q2、Q1的狀態(tài)是按時(shí)序變化的，若干擾脈沖產(chǎn)生時(shí)，有可能出現(xiàn)連續(xù)多個(gè)允許計(jì)數(shù)狀態(tài)，如果不加判斷，則有可能產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。如圖5是在正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于抖動(dòng)在A通道出現(xiàn)干擾脈沖時(shí)的狀態(tài)波形圖。Q4、Q3、Q2、Q1依次出現(xiàn)了 01H、07H、0EH、0DH、0EH、08H多個(gè)狀態(tài)，第一、第二、第三和第六個(gè)狀態(tài)是正常計(jì)數(shù)狀態(tài)，第四個(gè)狀態(tài)0DH是非計(jì)數(shù)狀態(tài)，第五個(gè)狀態(tài)0EH雖是計(jì)數(shù)狀態(tài)，但由于與前一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)相同，不能被計(jì)數(shù)。

圖5 干擾時(shí)脈沖計(jì)數(shù)狀態(tài)波形圖

2 計(jì)數(shù)中斷程序的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)角位移和角速度的計(jì)數(shù)方法略有不同，前者只需連續(xù)計(jì)數(shù)，而后者則需要獲取單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)，一般通過T0定時(shí)中斷程序設(shè)置中斷時(shí)間，獲得單位時(shí)間的脈沖計(jì)數(shù)。角位移的脈沖計(jì)數(shù)中斷程序主要包括:P1口的取值;判斷 P1.4、P1.5的電平，確認(rèn)是加數(shù)還是減數(shù);判斷P1的低4位是否是計(jì)數(shù)狀態(tài);判斷加減狀態(tài)是否是上次計(jì)數(shù)狀態(tài);完成加減數(shù);保存本次計(jì)數(shù)狀態(tài)，具體流程圖如圖6所示。

圖6 中斷程序流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過識(shí)別計(jì)數(shù)脈沖狀態(tài)，提高了光電編碼器系統(tǒng)的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性，有效地防止了誤碼被計(jì)數(shù)。但由于每次計(jì)數(shù)需要單片機(jī)的中斷響應(yīng)和狀態(tài)判斷，限制了計(jì)數(shù)脈沖頻率上限。因此，采用這種方法時(shí)，需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速和選用的光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)估算通道的輸出脈沖的最高頻率，恰當(dāng)?shù)剡x取單片機(jī)的工作頻率，確保相鄰兩計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)，系統(tǒng)能夠響應(yīng)計(jì)數(shù)中斷，以免漏計(jì)數(shù)。

［1］李紅果.一種光電編碼器位置檢測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(2):88 －89.

［2］劉玉鳳，劉學(xué)軍.基于增量式光電編碼盤的電機(jī)測(cè)速研究［J］.機(jī)械與電子，2010(2):45－47.

［3］蔣晶，蔣東方，高航.高可靠性增量式光電編碼接口電路設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2009，28(2):1－4.

［4］張國(guó)雄，金篆芷.測(cè)控電路［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.