鄭均輝++甘泉

摘 要： 在低速狀態(tài)下經(jīng)LPC2136普通單片機(jī)利用UART通信技術(shù)，通過對(duì)光電編碼器的正交信號(hào)分析，來模擬正交編碼器的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向及精確定位的數(shù)字化顯示，為編碼器應(yīng)用在低速的自動(dòng)智能控制領(lǐng)域提供了一個(gè)很好的解決方案。測(cè)試證實(shí)該設(shè)計(jì)對(duì)光電編碼器的計(jì)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)記測(cè)器的計(jì)數(shù)值在低速旋轉(zhuǎn)條件下非常準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞： 光電編碼； LPC2136； 接口設(shè)計(jì)； UART通信技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0042?03

0 引 言

在工業(yè)控制精度要求相對(duì)較高的領(lǐng)域，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量控制等自動(dòng)化控制應(yīng)用中，通常需要用正交編碼器對(duì)各種位移、速度、角度等進(jìn)行精確測(cè)量[1]。目前，在一些高級(jí)ARM處理器中，如Cortex?M3內(nèi)核的STM32F系列、周立功的LM3S601/608微控制器[2]等已經(jīng)集成了編碼器接口。但是在實(shí)際工作中出于成本的考慮，需要使用價(jià)格比較低的微控制器，而它們的缺陷是沒有編碼器接口，因此就需要通過常規(guī)的控制器來仿真編碼器接口以滿足應(yīng)用需求。

本文以NXP公司的LPC2136處理器為對(duì)象，研究其在低速轉(zhuǎn)動(dòng)中模擬光電編碼器接口顯示編碼器正反轉(zhuǎn)，記錄轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)定位進(jìn)行標(biāo)注，然后完成對(duì)JVH?10BM?E5光電編碼器的精確控制，將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后通過GPIO模擬SPI方式發(fā)送到7段碼顯示，得到準(zhǔn)確直觀的數(shù)字化顯示結(jié)果，同時(shí)通過UART口把數(shù)據(jù)送到PC在串口助手顯示。

1 光電編碼器簡(jiǎn)介

編碼器（Encoder）作為傳感產(chǎn)品的一大重要分支[3]，能將信號(hào)或數(shù)據(jù)編制并轉(zhuǎn)換為可用以通信、傳輸和存儲(chǔ)之形式的設(shè)備。編碼器最重要的應(yīng)用就是定位，目前其已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場(chǎng)合[4]。如機(jī)床工具、航空航天、鐵道交通、新能源及港口機(jī)械等行業(yè)，都在使用著大量的編碼器產(chǎn)品[5]。而光電編碼器，是一種通過光電轉(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)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔[6]。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。光電編碼器的正反轉(zhuǎn)判斷信號(hào)如圖1所示。A、B兩相信號(hào)是相差[14]周期，如果A提前[B 14]周期則表明順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，若B提前[A 14]周期則表明逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LPC2136微控制器是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32 位ARM7TDMI?S CPU，帶有256 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器。其內(nèi)部具有2個(gè)32位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，均具有4路捕獲、4路比較匹配并輸出電路。定時(shí)器對(duì)外設(shè)時(shí)鐘（Pclk）周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，可選擇產(chǎn)生中斷或根據(jù)4個(gè)匹配寄存器的設(shè)定，在到達(dá)指定的定時(shí)值時(shí)執(zhí)行其他動(dòng)作（輸出高/底電平、反轉(zhuǎn)或者無動(dòng)作）。4個(gè)捕獲輸入，用于在輸入信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)捕獲定時(shí)器值并產(chǎn)生中斷。

圖1 光電編碼器信號(hào)示意圖

本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為JVH?10BM?E5的光電編碼器，有A、B、Z三條信號(hào)線，在它內(nèi)部光柵盤共有100個(gè)柵格，即每旋轉(zhuǎn)3.6°就能發(fā)出一個(gè)沿變信號(hào)。硬件電路中使用了LPC2136中的P0.16，P0.17，P0.18引腳分別連接光電編碼器的信號(hào)線A，B，Z。使用其GPIO口P0.2，P0.3，P0.4來模擬SPI總線對(duì)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)傳輸顯示，各個(gè)數(shù)碼管之間共陰極顯示，通過P0.6～P0.13控制數(shù)碼管段位，用74HC595模擬SPI來選通控制哪一個(gè)顯示。硬件系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)原理框架

設(shè)計(jì)使用12 MHz外部晶振，通過LPC2136定時(shí)器1的捕獲功能來獲取光電編碼器信號(hào)A，Z的信號(hào)，通過配置P0.10的CAP1.0通過捕獲A信號(hào)的下降沿從而產(chǎn)生中斷。光電編碼器在正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)A的波形比信號(hào)B的波形提前90°。通過對(duì)A，B信號(hào)序列研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在信號(hào)A下降沿到來那一刻，如果信號(hào)B是高電平，則能判斷光電編碼器是在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之，則能判斷光電編碼器是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，把LPC2136的P0.17設(shè)置成GPIO的輸入模式連接光電編碼器的信號(hào)B端，通過檢測(cè)信號(hào)A下降沿產(chǎn)生中斷的那一刻信號(hào)B的高低電平就能判斷出編碼器的正反轉(zhuǎn)，通過4個(gè)數(shù)碼管與上位機(jī)同步顯示。

數(shù)碼管顯示時(shí)使用SPI接口的串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI等3條線來發(fā)送數(shù)據(jù)給74HC595使其不斷刷新，刷新頻率小于24 Hz的時(shí)候會(huì)使人感覺發(fā)光閃爍，因此，刷新每個(gè)數(shù)碼管的時(shí)間間隔不能大于10 ms，刷新頻率越高顯示亮度越大。

UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，一般使用3條線，GND、RxD和TxD用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在本次嵌入式設(shè)計(jì)中，UART0用來與PC進(jìn)行通信，波特率設(shè)為9 600 b/s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。UART首先將接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來傳輸。消息幀從一個(gè)低位起始位開始，后面是7個(gè)或8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)可用的奇偶位和一個(gè)或幾個(gè)高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開始位時(shí)它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時(shí)鐘頻率同步。如果選擇了奇偶，UART就在數(shù)據(jù)位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯(cuò)誤校驗(yàn)。在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對(duì)進(jìn)來的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號(hào)來指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)使用ADS1.2開發(fā)環(huán)境，EasyJtag在線調(diào)試下載工具，使用串口助手來接收LPC2136發(fā)送過來的編碼器數(shù)據(jù)。首先對(duì)LPC2136進(jìn)行初始化，配置I/O口P0.17、P0.18引腳為數(shù)據(jù)輸入， 配置UART0波特率為9 600 b/s，采用查詢方式來獲取接收或發(fā)送完成時(shí)狀態(tài)。定時(shí)器1的P0.10為下降沿捕獲端口。模擬SPI時(shí)定義P0.2為CLK時(shí)鐘信號(hào)，P0.3為DATA數(shù)據(jù)信號(hào)，發(fā)送1 B數(shù)據(jù)循環(huán)8次，P0.4 LATCH鎖存信號(hào)，等接收到8位數(shù)據(jù)后通過鎖存信號(hào)不斷復(fù)位或置位進(jìn)行位接收字節(jié)接收發(fā)送，通過不斷掃描來點(diǎn)亮數(shù)碼管。在使用I/O模擬SPI時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要一定的時(shí)鐘周期來延時(shí)，由于數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示需要不斷刷新，故延時(shí)函數(shù)需調(diào)用點(diǎn)亮數(shù)碼管的語句，否則，多處使用延時(shí)函數(shù)數(shù)碼管就會(huì)產(chǎn)生閃爍。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

程序初始化之后開在捕獲中斷程序中設(shè)置變量flag_int = 0xaa，在主函數(shù)不斷循環(huán)當(dāng)判斷到flag_int為0xaa后來判斷P0.10的電平即正交編碼器B信號(hào)的輸出電平，如果為高，則編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，編碼器位置計(jì)數(shù)（程序中使用變量count）值加1；如果P0.10的電平為低，則編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，編碼器位置計(jì)數(shù)值減1。由于使用的光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)值為100，故在count=100時(shí)，需對(duì)count清零，同時(shí)對(duì)光電編碼器的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)加1。

圖3 MCU主流程圖

正交編碼器低速仿真接口設(shè)計(jì)的主要算法如下。

void __irq Timer1_CapInt （void） //下降沿捕獲中斷函數(shù)

{

T1IR = 1 << 4； //清除CAP1.0中斷標(biāo)志

flag_int=0xaa；

VICVectAddr = 0x00； // 向量中斷處理結(jié)束

}

if（flag_int==0xaa）

//判斷正反轉(zhuǎn)及對(duì)光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)數(shù)

{

if（（（IO0PIN&0x00000400）==0x00000400））

//P0.10為高正轉(zhuǎn)

{

flag_int=0x00；

count++； //記錄轉(zhuǎn)動(dòng)的位置

if（count==0x65） //360°記100個(gè)數(shù)

count=0；

UART0_SendByte （count）； //串口助手顯示

}

else if（（（IO0PIN&0x00000200）==0x00000000））

{

flag_int=0x00；

count??；

if（count==0xff）

count=0x64；

UART0_SendByte （count）；

}

}

If（count==0x64） //輸出編碼器Z軸信號(hào)即編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)

{

Encoder_Cycle ++；

UART0_SendByte（Encoder_Cycle）；

}

4 結(jié) 語

本文介紹了編碼器的工作原理、LPC2136 MCU的部分外設(shè)功能以及在低速狀態(tài)下如何通過普通單片機(jī)來模擬正交編碼器接口的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的流程。通過單片機(jī)來模擬正交編碼器的設(shè)計(jì)為編碼器應(yīng)用在低速的自動(dòng)智能控制領(lǐng)域提供了一個(gè)很好的解決方案。把編碼器信號(hào)同時(shí)輸入到創(chuàng)思杰ZN96系列智能記測(cè)器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，證實(shí)本設(shè)計(jì)對(duì)光電編碼器的計(jì)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)記測(cè)器計(jì)數(shù)值在低速旋轉(zhuǎn)條件下非常準(zhǔn)確。由于系統(tǒng)沒有對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的各種機(jī)械干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，因此就需要在工業(yè)應(yīng)用中進(jìn)一步增加硬件濾波或者軟件濾波消除誤差。同時(shí)，如何在濾波成本與濾波性能之間取得較好的性價(jià)比，也需要進(jìn)一步探索研究。

參考文獻(xiàn)

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