柳 穎

（海軍七〇二廠 上海 200434）

1 引言

光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測(cè)量，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸連接，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼或一串脈沖【1】。光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。某引俄雷達(dá)傳動(dòng)裝置分機(jī)中就是使用了增量式光電編碼器。該編碼器將天線指向的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成四路脈沖信號(hào)提供給中央控制分機(jī)的天線轉(zhuǎn)角增量組件，用來(lái)控制掃描裝置和中央處理器。實(shí)際使用過程中，由于光電編碼器工作環(huán)境差、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，出現(xiàn)的故障頻率較高且部件脫離系統(tǒng)后修理難度大。因此提出研制某引俄雷達(dá)光電編碼器試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)的需求。待測(cè)試的光電編碼器能便捷地安裝在檢測(cè)平臺(tái)中，檢測(cè)平臺(tái)能模擬雷達(dá)天線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況，提供待測(cè)件所需的工作電源，通過液晶屏直觀顯示每路輸出信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)。

2 光電編碼器的原理及其在雷達(dá)中的運(yùn)用

2.1 增量式光電編碼器的工作原理

增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，以此來(lái)表示轉(zhuǎn)過的角位移量。增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成［1］。在圖形的主碼盤（光電盤）周邊上刻有間距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測(cè)窄縫，它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90°。工作時(shí)，鑒向盤靜止不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為?。划?dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為大。當(dāng)光電碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線透過光電碼盤和光欄板狹縫，形成忽明忽暗的光信號(hào)。光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，通過信號(hào)處理電路后，向系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)［6］。

2.2 增量式光電編碼器在雷達(dá)中的應(yīng)用

增量式光電編碼器送出的四路脈沖信號(hào)經(jīng)控制分機(jī)中的天線旋轉(zhuǎn)角增量部件處理得到粗略的、中等的和精確的脈沖序列，用來(lái)控制掃描裝置和中央處理器。天線轉(zhuǎn)動(dòng)一周，精確方位產(chǎn)生器輸出4096個(gè)增量脈沖，該增量脈沖由掃描裝置脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，大約每隔4分根據(jù)計(jì)算結(jié)果形成一個(gè)地址單元，用于從只讀存儲(chǔ)器相應(yīng)單元提取掃描轉(zhuǎn)角正余弦代碼，從而形成掃描的角度增量。

該型雷達(dá)光電編碼器的碼盤用不銹鋼薄板制成，圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。透光槽在碼盤圓周上等分，數(shù)量固定為n。假如光電碼盤的編碼數(shù)位1，在時(shí)間t內(nèi)測(cè)量到的脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速n=60N（/t*1）［11］。碼盤上的編碼數(shù)量越多，測(cè)量精度也隨著越高。光電編碼器的工作電源為12V，工作時(shí)輸出的四路脈沖信號(hào)（A，B，C，D），使用雙蹤示波器測(cè)試的波形圖如下：圖2中黃色波形為C路，藍(lán)色波形為D路；圖3中黃色波形為A路，藍(lán)色波形為C路；圖4中黃色波形為A路，藍(lán)色波形為B路。

分析上述波形圖，可得出以下結(jié)論：

1）D路脈沖頻率最低，天線一分鐘轉(zhuǎn)10圈，D路一分鐘內(nèi)有10個(gè)脈沖輸出，脈寬400ms±40ms；

2）在兩個(gè)D路脈沖之間，C路脈沖有32個(gè)輸出，脈寬2.5ms±0.5ms；

3）在兩個(gè)C路脈沖之間，A路脈沖有32個(gè)輸出，脈寬2.5ms±0.5ms；

4）A路和B路的輸出脈沖個(gè)數(shù)路同，相位差為90°。

3 光電編碼器檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過對(duì)光電編碼器的安裝和轉(zhuǎn)動(dòng)方式的研究，以雷達(dá)正常工作時(shí)采集的信號(hào)為依據(jù)，理清光電編碼器輸出各波形間的工作原理及特征關(guān)系。研制的光電編碼器檢測(cè)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）在檢測(cè)平臺(tái)中，光電編碼器的安裝方式與實(shí)際裝備相同；

2）檢測(cè)平臺(tái)能模擬雷達(dá)天線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度；

3）檢測(cè)平臺(tái)能提供電機(jī)工作及光電編碼器工作所需的多路直流電源；

4）檢測(cè)平臺(tái)能直接顯示四路脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)。

3.1 系統(tǒng)方案

引俄雷達(dá)專用光電編碼器檢測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)方案如圖5所示。主體部分為試驗(yàn)臺(tái)架，有2個(gè)試驗(yàn)筒，可同時(shí)安裝2個(gè)光電編碼器，以便于進(jìn)行信號(hào)比對(duì)；齒輪及直流電機(jī)、減速箱組成的傳動(dòng)部件；電源部件；脈沖計(jì)數(shù)及顯示電路部分。

3.2 硬件組成

1）試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架材質(zhì)選取鋁合金；機(jī)械結(jié)構(gòu)減速比16：1，直流電機(jī)采用齒輪減速傳動(dòng)。檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)兩個(gè)光電編碼器安裝試驗(yàn)筒，每個(gè)試驗(yàn)筒以軸套連接的方式固定光電編碼器。

2）電源部件

電源部件將輸入的交流220V電壓轉(zhuǎn)換成光電編碼器檢驗(yàn)檢測(cè)裝置所需的三路直流電壓。24V直流電壓用于直流電機(jī)；12V直流電源供光電編碼器工作；5V電壓供單片機(jī)計(jì)數(shù)及顯示電路。

3）脈沖計(jì)數(shù)電路

選用用低功耗單片機(jī)MSP430F169為該部分電路的核心。該電路能對(duì)光電編碼器的四路輸出脈沖信號(hào)在天線轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間周期進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)并上傳給頂蓋板上安裝的液晶顯示屏，直觀顯示。MSP430系列單片機(jī)是TI公司推出的一種16位的單片機(jī)【2】。由于它具有較高的集成度，豐富的片內(nèi)外設(shè)、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

MSP430F169型單片機(jī)含有定時(shí)器A（Timer_A）和定時(shí)器B（Timer_B），它們是檢測(cè)裝置程序設(shè)計(jì)的核心。定時(shí)器有3個(gè)相同的捕獲/比較模塊為實(shí)時(shí)處理提供了靈活的控制手段。每個(gè)模塊都用于捕獲事件發(fā)生時(shí)間或產(chǎn)生定時(shí)時(shí)間間隔【3】。每發(fā)生一次捕獲或定時(shí)時(shí)間間隔，捕獲/比較模塊寄存器將產(chǎn)生中斷。

檢測(cè)平臺(tái)需要對(duì)每路輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器的捕獲/比較模塊。又因?yàn)樾盘?hào)間兩兩相對(duì)關(guān)系明確，因此只需要單片機(jī)同時(shí)計(jì)兩次脈沖數(shù)，便能將四路信號(hào)正確與否判別出來(lái)。如D路信號(hào)與C路信號(hào)的測(cè)量：D路信號(hào)頻率慢，C路信號(hào)頻率快?？梢允褂肨imer_A的捕獲/比較通道1來(lái)實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，因?yàn)槎〞r(shí)器時(shí)鐘源可以選擇來(lái)自內(nèi)部時(shí)鐘（ACLK、SMCLK）或外部時(shí)鐘源，所以將外部的頻率快的C信號(hào)作為捕獲/比較模塊的時(shí)鐘源，將頻率慢的D信號(hào)作被捕獲信號(hào)，即用C信號(hào)捕獲頻率慢的D信號(hào)。在硬件連接中，將C路信號(hào)接至MSP430F169的P2.1口，將D路信號(hào)接至Timer_A的捕獲/比較輸入端P1.2口。

中斷服務(wù)程序的流程圖如圖7所示。而另一對(duì)信號(hào)的測(cè)量可以采用定時(shí)器B（Timer_B）來(lái)實(shí)現(xiàn)，選A路信號(hào)和C路信號(hào)為一組，其中頻率快的A路信號(hào)為捕獲/比較模塊的外部時(shí)鐘，頻率慢的C路信號(hào)為被捕獲信號(hào)。

4）顯示電路

串口屏是一種集成化的顯示器件，不僅集成了彩色TFT液晶顯示屏，同時(shí)自帶CPU處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及觸摸屏等輸入器件，具備液晶顯示功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、串口通信及觸控輸入等多種功能［5］。計(jì)數(shù)值的顯示采用串口TFT彩屏實(shí)現(xiàn)，顯示內(nèi)容為：A相（B相）脈沖個(gè)數(shù)，C相脈沖個(gè)數(shù)，D相脈沖個(gè)數(shù)。串口屏使用方便，無(wú)需更改核心控制代碼，只需在原來(lái)的代碼基礎(chǔ)上增加串口發(fā)送和接收函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)彩屏顯示。單片機(jī)MSP430F169與串口顯示屏的硬件連接關(guān)系見圖8所示。所有串口屏都必須先將所要顯示的圖片按一定的順序或編號(hào)保存到串口屏的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。圖片的編排設(shè)計(jì)是在串口屏廠家提供的編輯軟件中進(jìn)行，編排好后生成相應(yīng)的配置文件并下載到串口屏中［5］。

MSP430F169的通用串行同步/異步（USART）是一個(gè)串行通信接口，它允許7位或8位串行位流以預(yù)設(shè)的速率或外部時(shí)鐘確定的速率移入、移出MSP430。USART接口支持兩種不同的串行協(xié)議：通用異步協(xié)議（UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議）［2］。在檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中采用異步（UART）協(xié)議方式發(fā)送脈沖數(shù)值給串口屏［12］。發(fā)送脈沖數(shù)值時(shí)需要將脈沖數(shù)值分解為個(gè)位和十位，并轉(zhuǎn)換為字符發(fā)送出去［8］。

4 結(jié)語(yǔ)

研制引俄雷達(dá)專用光電編碼器檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，解決了雷達(dá)光電編碼器無(wú)法脫離系統(tǒng)獨(dú)立維修的困難。該試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)小巧、操作簡(jiǎn)便、顯示直觀，適合內(nèi)場(chǎng)對(duì)更換下來(lái)的光電編碼器故障件及生產(chǎn)備件進(jìn)行檢測(cè)及修理。推廣及使用該光電編碼器試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)將大大提高光電編碼器故障件的維修效率。