摘 要： 為了能快速簡(jiǎn)便地判斷光電編碼器的好壞，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino新型集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了Arduino板與可編程智能液晶觸摸顯示器終端的通信控制，完成了對(duì)光電編碼器信號(hào)準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，并能判斷其好壞。檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單方便，對(duì)于基于Arduino集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： Arduino； 光電編碼器； 觸摸顯示器； 脈沖計(jì)數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0124?03

0 引 言

Arduino是一款基于單片機(jī)系統(tǒng)的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的軟硬件系統(tǒng)都具有高度的模塊化，而且軟件系統(tǒng)是完全開(kāi)源的。其硬件系統(tǒng)也是高度模塊化的，在核心控制板的外圍有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類(lèi)傳感器的輸入模塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊[1?2]。Arduino有自己特有的編程語(yǔ)言。其語(yǔ)法規(guī)則類(lèi)似C/C++語(yǔ)言，IDE環(huán)境和語(yǔ)言把單片機(jī)與硬件相關(guān)的一些參數(shù)都參數(shù)化并進(jìn)行了很好的封裝，把端口都打包，寄存器、地址指針之類(lèi)的基本不用管，大大降低了軟件開(kāi)發(fā)難度。因此不用開(kāi)發(fā)者去了解其硬件結(jié)構(gòu)即可對(duì)其編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和創(chuàng)意[3]。

本文提出了一種基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)怆娋幋a器的好壞進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)光電編碼器正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖計(jì)數(shù)。

1 整體設(shè)計(jì)

該檢測(cè)儀主要由調(diào)理電路、Arduino控制板、液晶顯示電路等組成，如圖1所示。

CLKA和CLKB為光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的編碼信號(hào)。調(diào)理電路用來(lái)對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形濾波等信號(hào)處理，最后送至Arduino控制板。Arduino控制板用來(lái)實(shí)現(xiàn)光編碼器脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種脈沖信號(hào)的判別。液晶顯示電路用來(lái)顯示檢測(cè)的參數(shù)，同時(shí)對(duì)不同型號(hào)光電編碼器進(jìn)行選擇控制。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路用于檢測(cè)信號(hào)的調(diào)理，主要是把待測(cè)交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、選通、有效值轉(zhuǎn)換、限幅等處理，送到微控制器進(jìn)行測(cè)量。

圖2為調(diào)理電路框圖，光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的正弦波信號(hào)A、B，經(jīng)施密特觸發(fā)器變?yōu)閍、b兩組方波信號(hào)。A分為兩組：一路經(jīng)微分電路，在方波的上升沿形成脈沖信號(hào)d，再由門(mén)電路輸出，形成正轉(zhuǎn)脈沖，另一路經(jīng)反相器，形成反相方波c，再經(jīng)微分電路形成脈沖信號(hào)e，由門(mén)電路輸出反相脈沖g。b組方波直接連到兩個(gè)門(mén)電路的控制端，作為兩個(gè)門(mén)電路的選通信號(hào)。

光電編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，b組信號(hào)超前90°，它的方波正半波對(duì)應(yīng)不經(jīng)反相器a組方波的上升沿，正半波又使門(mén)電路選通，d組脈沖通過(guò)門(mén)電路形成正轉(zhuǎn)脈沖；而c組方波的上升沿對(duì)應(yīng)b組方波負(fù)半波，此時(shí)雖然微分電路輸出e脈沖，但門(mén)電路關(guān)閉，不能輸出反相脈沖g。當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，情況正好相反。最終輸出的脈沖分別送入控制檢測(cè)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2 Arduino控制板

本檢測(cè)儀采用了意大利最新開(kāi)發(fā)的Arduino Due微控制器。Arduino Due是一塊基于 Atmel SAM3X8E CPU的微控制器板。它是第一塊基于32位ARM核心的Arduino，使用32位ARM核心的Due相較于以往的使用8位AVR核心的其他Arduino更強(qiáng)大：32位核心在一個(gè)時(shí)鐘能處理32位的數(shù)據(jù)?？刂瓢灏?4個(gè)數(shù)字I/O引腳 （其中12路PWM輸出），12個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道 （DAC），I/O口總輸出電流為130 mA。3.3 V端口輸出能力為800 mA，5 V端口輸出能力為800 mA，F(xiàn)LASH 512 KB （所有空間都可以?xún)?chǔ)存用戶(hù)程序），SRAM 96 KB （兩個(gè)部分：64 KB and 32 KB），時(shí)鐘速率[4?5]為 84 MHz。

由于Arduino due的工作電壓為3.3 V，I/O口可承載電壓也為3.3 V，所以經(jīng)過(guò)調(diào)理電路產(chǎn)生的5 V脈沖不能直接處理。本檢測(cè)儀通過(guò)SN74lVC4245芯片把5 V的脈沖整形為3.3 V的脈沖。

2.3 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)中采用了國(guó)產(chǎn)開(kāi)發(fā)的可編程智能LCD（即Programmable Smart LCD，簡(jiǎn)稱(chēng)PS?LCD）。PS?LCD是一種包含LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和通信接口于一體的智能顯示模組，通過(guò)可選的通信接口與外部控制單元（如：51單片機(jī)、ARM、DSP、PC、PLC、總線設(shè)備等）連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

新建Designer工程，定義界面分辨率、界面切換效果和主界面等；設(shè)置背景、加入/設(shè)置控件、定義事件動(dòng)作等；PS?LCD的采用Java Script的腳本語(yǔ)言，Java Script是因特網(wǎng)上最流行的腳本語(yǔ)言，它存在于全世界所有 Web 瀏覽器中，能夠增強(qiáng)用戶(hù)與 Web 站點(diǎn)和 Web 應(yīng)用程序之間的交互。本液晶顯示屏通過(guò)腳本編寫(xiě)實(shí)時(shí)地顯示微控制器采集送過(guò)來(lái)的脈沖個(gè)數(shù)，并進(jìn)行判斷。

用LCD模擬器驗(yàn)證界面效果和通信過(guò)程，重復(fù)前面步驟直到滿(mǎn)意為止。

PS?LCD作為先進(jìn)的智能人機(jī)界面產(chǎn)品，能通過(guò)通信接口輕松靈活地與外部控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。目前，PS?LCD支持兩種通信協(xié)議：CTP（Cooky Talking Protocol）協(xié)議和用戶(hù)自定義（UserDefine）協(xié)議。本檢測(cè)儀采用的是CTP協(xié)議。

在CTP通信模式下，PS?LCD在收到通信命令后，會(huì)立刻執(zhí)行，結(jié)束后會(huì)向主控制器返回結(jié)果。由于PS?LCD的串口通信協(xié)議跟微控制器Arduino Due的通信協(xié)議不一致，在通信過(guò)程中要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和控制。為了取消PS?LCD命令執(zhí)行結(jié)果的自動(dòng)回復(fù)消息，在CTP通信模式下，通過(guò)調(diào)用ctpSet（“reply”， 0）函數(shù)取消PS?LCD的自動(dòng)回復(fù)。PS?LCD同時(shí)通過(guò)通信協(xié)議產(chǎn)生的串口信號(hào)來(lái)控制微控制器的工作，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的效果[6]。

生成界面輸出文件spf，然后將spf文件通過(guò)PS?LCD專(zhuān)用軟件工具Flex下載到PS?LCD驗(yàn)證最終界面效果。

本檢測(cè)儀PS?LCD最終的檢測(cè)界面如圖3所示。

圖3 檢測(cè)界面

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 脈沖計(jì)數(shù)子程序

為了能更加準(zhǔn)確地對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)試，采用外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，Arduino due 控制板的54個(gè)數(shù)字I/O引腳，均可以作為中斷端口。編寫(xiě)的主要計(jì)數(shù)程序如下[7?10]：

void setup（）

{

Serial.begin（115200）；

pinMode（APin， INPUT）；

pinMode（BPin，INPUT）；

attachInterrupt（APin， blinkA，RISING）； //上升沿中斷模式//

attachInterrupt（BPin， blinkB，RISING）；

T=millis（）；

}

void loop（）

{

if（Serial.available（） > 0） //判斷顯示器是否發(fā)送信號(hào)//

{

str1 = Serial.read（）；

if（ str1==′A′）

//根據(jù)顯示器送來(lái)的信號(hào)判斷光電編碼器型號(hào)//

{

count=0；

num=0； //清零//

}

}

while（num！=count）

{

num=count；

sprintf（str，\"pulse.text=%d；\"，num）；

Serial.println（str）；

}

}

void blinkA（）

{

if（（millis（）?T）>0.5） //防抖動(dòng)設(shè)計(jì)//

{

count++；

T=millis（）；

}

}

void blinkB（）

{

if（（millis（）?T）>0.5） //防抖動(dòng)設(shè)計(jì)//

{

count??；

T=millis（）；

}

}

3.2 液晶顯示程序

根據(jù)所要測(cè)試的光電編碼器，選擇不同的型號(hào)，不同型號(hào)的光電編碼器定義不同的發(fā)送信號(hào)，以LBJ?001?2048型光電編碼器為例，選擇按鈕的腳本編寫(xiě)子程序如下：

pulse.text=\"\"； //脈沖顯示個(gè)數(shù)清零//

result.text=\"\"； //脈沖判斷結(jié)果清零//

du.text=\"\"； //角速度顯示結(jié)果清零//

if （xinghao.currentIndex=1） //選擇第一種型號(hào)//

sysCom0.write（0x41）； //向單片機(jī)發(fā)出A控制字符//

else if （xinghao.currentIndex=2） //選擇第二種型號(hào)//

sysCom0.write（0x42）； //向單片機(jī)發(fā)出B控制字符//

…

其中sysCom0.write（0x41）為寫(xiě)入串口發(fā)送緩沖區(qū)，串口向外部發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù) 0x41，即是字符‘A’。當(dāng)Arduino微控板接收到串口送過(guò)來(lái)的‘A’字符時(shí)，即可判斷出待測(cè)試的光電編碼器型號(hào)為L(zhǎng)BJ?001?2048，啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行測(cè)試。同理當(dāng)選擇第二種型號(hào)測(cè)試時(shí)，Arduino微控板將接收到串口送過(guò)來(lái)的‘B’字符時(shí)，即可判斷出待測(cè)試的光電編碼器型號(hào)為SE0932II?5400P/r，啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文著重介紹了基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)Arduino微控板與PS?LCD的通信控制問(wèn)題。由于Arduino是一個(gè)開(kāi)放的單片機(jī)開(kāi)發(fā)人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品的軟硬件平臺(tái)，對(duì)于基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的電子制作競(jìng)賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意開(kāi)發(fā)、電子檢測(cè)產(chǎn)品等方面具有較好的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：155?157.

[2] 李德駿，馬孝輝.基于Arduino平臺(tái)的家用安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技與生活，2011（1）：114?115.

[3] 王汀.微處理機(jī)原理與接口技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2008.

[4] 楊繼志，楊宇環(huán).基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（1）：99?101.

[5] 紀(jì)欣然.基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的智能尋光小車(chē)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：161?163.

[6] 紀(jì)松波，侯婷.智能液晶觸摸顯示終端與單片機(jī)接口的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（12）：16?18.

[7] 崔才豪，張玉華，楊樹(shù)財(cái).利用Arduino控制板的光引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)小車(chē)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2011，32（9）：5?7.

[8] BENDER P， KUSSMANN K. Arduino based projects in the computer science capstone course [J].Journal of Computing Sciences in Colleges， 2012， 27（5）： 152?157.

[9] 鄒建梅，王亞格.利用Arduino增強(qiáng)FLASH互動(dòng)性的研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2010（36）：107?109.

[10] 袁本華，董錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（8）：5049?5050.