北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院 尹曉龍

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基于FPGA的編碼器的研制

北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院 尹曉龍

【摘要】現(xiàn)代技術(shù)最主要的支柱為傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)，在信息社會(huì)里面，傳感器技術(shù)屬于重要技術(shù)基礎(chǔ)，而傳感器種類、質(zhì)量以及數(shù)量和技術(shù)水平將會(huì)對(duì)信息技術(shù)系統(tǒng)所具有的功能以及質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。編碼器主要采用的就是光電技術(shù)，用來進(jìn)行一種非接觸角度計(jì)量，編碼器同時(shí)也是一種儀器儀表，其工作領(lǐng)域主要是位置計(jì)量領(lǐng)域，它完美結(jié)合了這三種信息技術(shù)，所以在實(shí)際工作中的使用范圍也在不斷擴(kuò)大。本課題的研究?jī)?nèi)容主要是為了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器，通過將FPGA相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)編碼器的數(shù)據(jù)采集與處理，并研究其與用相關(guān)單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)的編碼器之間的性能的優(yōu)劣，設(shè)計(jì)出一個(gè)在時(shí)間上更有效率，并且更精確的角度編碼器。

【關(guān)鍵詞】FPGA；編碼器；研制

FPGA是一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，在專門集成電力領(lǐng)域里面，其是半定制電路，不僅可以彌補(bǔ)定制電力具有的不足之處，還可以彌補(bǔ)可編程器所具有的電路數(shù)有效缺點(diǎn)[1]。而編碼器的具體工作原理和作用是把旋轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，而這些脈沖可以有效控制角移位，當(dāng)編碼器和相應(yīng)的齒輪條或者是螺旋絲杠相互結(jié)合的時(shí)候，就能夠準(zhǔn)確地二兩直線位移，其屬于一種旋轉(zhuǎn)式傳感器。依據(jù)工作原理，可以將編碼器分成增量式與絕對(duì)式兩種，本文主要研制的是一種高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器，將FPGA相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到編碼器數(shù)據(jù)采集以及處理中，可以有效解決傳統(tǒng)應(yīng)用單片機(jī)的角度傳感器實(shí)現(xiàn)的角度測(cè)量所具有的不足之處。

1 基于FPGA編碼器數(shù)據(jù)的采集以及處理

多通道模擬量通過多路開關(guān)選擇之后，被AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，然后輸送到FPCA里面，輸進(jìn)去的數(shù)據(jù)被處理之后就會(huì)傳輸?shù)较鄳?yīng)的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來，基于FPCA的這種單片系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理的控制核心部分，這個(gè)控制系統(tǒng)可以內(nèi)換分成多通道采集控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊和存儲(chǔ)控制模塊。多通道采集控制模塊形成A/D采樣時(shí)序以及通道來對(duì)控制邏輯信號(hào)進(jìn)行有效的控制，而數(shù)據(jù)處理模塊可以FFT變換相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)控制模塊會(huì)形成存儲(chǔ)器里面的控制邏輯信號(hào)。由于FPGA本身具有非常豐富的I/O以及處理資源，所以可以同時(shí)檢修數(shù)據(jù)采集控制、存儲(chǔ)控制以及數(shù)據(jù)處理，有效提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力[2]。

編碼器處理數(shù)據(jù)的具體過程為：先通過角度傳感器芯片MLX90316 的SPI接口與FPGA連接，然后通過FPGA處理數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)輸出，輸出時(shí)采用A,B,Z三波形輸出，將360度分成1024份，如果z軸判斷是否為0的輸出，當(dāng)角度小于360/1024度時(shí)，Z軸高電平輸出，否則低電平。當(dāng)角度大于360/1024度時(shí)，A軸為高低電平交替輸出，每一個(gè)高或低電平表示一份角度即360/1034度，例如當(dāng)角度為（360/1024）*4時(shí)輸出波形為：高，低，高，低。當(dāng)角度為360度時(shí)，就是一共有1024個(gè)電平，高，低各512個(gè)。 B軸和A軸輸出波形一樣，但是比A軸延遲1/4個(gè)周期。

2 高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器所具有的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器所具有的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的運(yùn)用單片機(jī)的角度傳感器實(shí)現(xiàn)的角度測(cè)量等功能對(duì)短時(shí)間的數(shù)據(jù)不敏感，所以在運(yùn)用時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的采集就不夠準(zhǔn)確與全面，如果研制出高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器，就會(huì)使角度編碼器的工作效率更高，同時(shí)也更加準(zhǔn)確。高精度單圈絕對(duì)位置角傳感器也屬于單圈絕對(duì)式編碼器，從上述編碼器處理數(shù)據(jù)的整個(gè)過程可知，在其中應(yīng)用FPGA可以有效提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器并沒有采用傳統(tǒng)的那種莫爾條紋測(cè)量法，而是采用的另一種新型編碼方式，只用在光柵盤上面刻畫出一圈碼道，不僅可以顯著減小碼盤整個(gè)體積，同時(shí)也為刻劃工藝帶來了很大的方便[3]。除此之外，僅僅需要一塊碼盤就能夠得到所需光學(xué)測(cè)量信號(hào)，讓編碼器的裝調(diào)過程變得非常容易。同時(shí)，通過應(yīng)用SSPA線陣列來獲得相應(yīng)的廣電信號(hào)，可以使后置處理電路更加簡(jiǎn)化。依據(jù)光柵碼道這種比較特殊的刻畫法，在利用合理有效的算法，就能夠?qū)⒋a盤上面每個(gè)位置的絕對(duì)數(shù)值準(zhǔn)確地讀出來。所以，這種高精度單圈絕對(duì)位置角度傳

感器在滿足具體精度要求的條件下，還變得更加小巧輕便、易于使用以及更加穩(wěn)定可靠。

2.2 高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器所具有的缺點(diǎn)

高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器工作原理并不復(fù)雜，就是通過黑白條紋來分割編碼器碼盤圓周，從而對(duì)角度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種編碼器必須涉及到系統(tǒng)算法、圖像傳感器以及圖像處理和光電轉(zhuǎn)換等方面。雖然其工作原理簡(jiǎn)單，可是其實(shí)現(xiàn)會(huì)受到傳感器中的象素空間分布限制以及被其所具有的不均勻性所影響，同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的誤差，對(duì)其數(shù)據(jù)處理算法提出了比較高的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的來說，高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器的優(yōu)點(diǎn)可以有效解決實(shí)際測(cè)量工作中存在的問題，而其所具有的缺點(diǎn)可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法來解決。本課題的目標(biāo)如果可以順利完成，那么就可以將這種基于FPGA的高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器設(shè)計(jì)出來，使角度編碼器的測(cè)量更加高效，同時(shí)提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度，對(duì)位置計(jì)量領(lǐng)域具有非常重大的實(shí)際意義。本文首先介紹了FPGA和編碼器，然后引出本課題所研究的高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器，對(duì)其信息收集以及處理進(jìn)行分析，最后比較高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器和用相關(guān)單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)的編碼器所具有的優(yōu)缺點(diǎn)，以此來表明研制出高精度單圈絕對(duì)位置角度傳感器的重要作用和意義。

參考文獻(xiàn)

[1]馮英翹,萬(wàn)秋華,宋超等.光電編碼器精碼信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電子技術(shù),2013,33(2):121-125.

[2]袁慶丹,葉樹林.FPGA在步進(jìn)電機(jī)單步進(jìn)給特性測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,01(8):78-80.

[3]宛世源,宋寶,唐小琦等.基于FPGA的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線偵聽器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014,16(1): 93-95.

尹曉龍（1989-），男，碩士，研究方向：基于FPGA的編碼器研制。

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