自制增量式编码器及其与单片机的接口设计

‘工业控制计算机)2008年21卷第11期 3 自制增量式编码器及其与单片机的接口 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 · Home—madeQuadratureEncoderandIntefferencewithMCU 范 腾 张玉芳 张珊珊 王富东 (苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021) 摘要 介绍一种简易增量式光电编码器的制作方法，并设计了能够有效消除反转误差的通用单片机接口电路与接口软件。利 用增强型单片机的输入捕捉功能能够更有效地实现编码器的接口。 关键词：正交编码器，单片机接口，输入捕捉 Abstract Thefabricationofasimplehome-madequadratureencoderisintroducedinthispaper，andtheinterfacehardwareand softwaredesignwithMCUisalsogiven．TheenhancedMCUwithinputcapturemoduleCanbemoreeffectivetoachieve theencoderinterface． Keywords：quadratureencoder，MCUInterface．inputcapture 增量型编码器(也称正交编码器)是自动控制系统中广泛应 用的一种测量元件，但是普通的单片机并不具备编码器的接口， 从而给使用上带来一定的不便。目前只有在一些高档的MCU 和用于电动机控制的专用MCU／DSP才具有编码器的接口 (QuadratureEncoderInterface)。虽然已经有了一些关于编码 器与单片机接口的研究 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，但是效果并不理想。 在一些应用中，有时由于空间限制或其它原因难以使用现 成的编码器产品，然而却可以利用现场条件自制简易的编码器。 简易编码器的精度虽然不高，但是已经可以满足一般的需要，特 别对于低成本的应用。 本文介绍一种简易增量式编码器的制作，并针对MCS一51 单片机设计了可靠的接口。近年来已经出现了一些具有较高性 能的与MCS一51单片机兼容的新型MCU，利用具有捕捉功能 的MCU更容易实现与编码器的接口设计。 1增量式编码器及其制作 作为产品的光电式增量编码器中的光源和接收电路位于码 盘的两侧，这样工作比较可靠。码盘上的刻线能够阻挡光线的通 过，从而在接收端形成不同的电平信号。 自制的简易编码器也可以采用类似的结构，可以使用市场 上容易购买的光遮断器作为检测元件。但是码盘的加工和安装 却比较困难，特别是对于空间狭小的应用。相对于透射式的码 盘，采用反射式结构更容易实现。如图1所示。 透射式的码盘一般需要专门 制作，并且需要安装在测量轴上。 而反射式码盘则可以利用现有的 机械结构实现，例如测量轴的转 速时。可以在轴表面贴装能够反 射光线的材料；在测量车轮转速 时，则可以在车轮的侧面贴装反 射面。市场上购买的红外反射式 光电传感器对黑白两种色彩有很 强的对比输出。因此用黑纸剪裁 成光栅状的条纹贴在白纸上，能 够制作成灵敏度很好的反射式码 圈1 透射式与反射式码盘结构 ·曩育鄙田家大学生创新性实验计划项目 盘。如图2所示。 与实际编码器的原理类似， 可以配置2个在位置上错开90 度的两个传感器，形成A、B两相 输出信号。必要时还可以在专门 的位置上设置Z相信号的传感 器。为了减少体积与功耗。我们专 门制作了由一个发光管与两个接 收管组成的码盘传感器，将三只 光电管排列成一字并与码盘的反 光线倾斜一个角度，以便形成相差 圈2自翻式反射式码盘光橱 90度的信号输出。为了消除信号的抖动，在输出端可以增加施 密特触发器将信号反向后再传送至单片机，如图3所示。 反光线 圈3自制的反射式码盘传感器 上述自制的编码器．除了在分辨率上不能做得很高外，其它 各种性能与实际的编码器产品没有什么区别。90度的相位差在 实际应用中也并不那么严格，只要错开一定角度即可。实际的分 辨率取决于码盘的最大直径和光电传感器的尺寸，在实际应用 中一般都能取得很好的效果。 2编码器与单片机的接口 如上所述的两路相位相差90度的脉冲信号A、B再由单片 机进行处理即可得到计数值。虽然可以通过外加一个D触发器 得到方向信号，再根据方向信号进行加减计数处理，但这种方法 由于有信号延迟容易产生反转误差。利用单片机直接对脉冲信 号的边沿进行检测，可以避免产生反转误差。 万方数据 4 自制增量式编码器及其与单片机的接口设计 用MCS-51单片机实现的具体方法是：将信号A连接至外 部中断0，再将其反向后连接至外部中断1。将信号B作为方向 信号连接至某一输入引脚(如P3．O)，这样在信号A的上升沿与 下降沿都能产生中断申请。由于在不同的转向时信号A的下降 沿(中断有效)所对应的方向信号电平正好相反，单片机在中断 服务程序中首先检测信号B的状态，根据不同的状态进行相反 的处理(计数值增量或减量)。这样能够有效地防止反转时产生 的误差，从而实现精确计数。相应的C语言程序段如下： sbitDIR=P3"0；／／方向信号引脚 int cnt； ／／计数器数值变量 ／／外部中断0服务程序 voidint_O(void)interrupt0using1 { if(DIR)cnt++： elsecnt一一： } ／／外部中断1服务程序 voidint．．1(void)interrupt2using2 { if(DIR)cnt--； elsecnt十+： 1 ／／以下为主程序(略) 上述的方法虽然能够实现精确计数，但需萼占用两个外部 中断源，在一些应用中会受至旷限制。目前的新型单片机一般都具 有增强的功能，如输入捕捉、输出比较，等等。利用输入捕捉功能 能够更容易地实现编码器的接El。例如SST公司和Philips公司 所生产的与MCS-51兼容的增强型单片机具有一个可编程计 数器阵列模块PCA，它由一个专用的计数器和5个工作通道所 组成。5个通道可以工作于4种方式之一：软件定时器方式、输 入捕捉方式、输出比较方式和PWM方式。输入捕捉方式可以在 脉冲上升沿或者／和下降沿捕捉，并可同时产生中断请求。利用 这个功能可以很容易地实现编码器的信号检测与处理。 为了消除反转误差，同时也增加了分辨率，将PEA设置为 上升沿和下降沿捕捉方式。在PCA中断服务程序中，首先检测 信号A的状态，以判别其是上升沿中断还是下降沿中断。无论是 上升沿还是下降沿，信号B都有两种可能(正转和反转)。因此象 前面一样。还需要再根据不同的情况进行相反的处理。具体的C 语言程序段如下(采用PCA通道4)： sbitDIR=P3‘0：／／方向信号引脚 sbitPLS=P1‘6：／／PCA输入通道4，与P1．6公用引脚 int cnt； ／／计数器数值变量 ／／PCA中断服务程序 voidint_pca(void)interrupt6using2 { if(PLS) ／／判断是上升沿还是下降沿 { if(DIR)cnt++： elsecnt--；} else { 盱(DIR) cnt--； elsecnt++；} CCF3=0； ／／清除中断标志 } ∥ 主程序PCA初始化 CMOD=0x00；／／PCA的输入时钟信号频率 CCAPM3=0x31：／／PCA通道4工作方式 CR=I： ／／启动PCA EC=1： ／／PCA中断允许 ∥ 以下为其它主程序(略) 3结束语 除了专用的QEl接口外，增量式光电编码器与通用单片机 的接口问题一直没有得到很好地解决。本文作者经过认真的分 析研究和反复尝试，终于圆满解决了这个问题。实际测试表明， 该方法能够有效地消除由于反转所造成的误差，并且具有较高 的频率响应能力。 在实际应用中，一方面可以利用增强型单片机的捕捉功能 很方便地实现编码器的接口。另一方面，也可以利用少引脚的通 用单片机(如89C2051)制作专门的编码器检测处理器。再利用 通信接13将信息的综合处理结果(考虑Z信号的结果)传送出 来，这对于很多应用系统都有重要的实际应用价值。 参考文献 [1]马忠梅，刘滨．戚军，等．单片机C语言Windows环境缩程宝典[M]． 北京：北京航空航天大学出版社，2003 [2]SST89E564RDDatasheet，SiliconStorageTechnologyInc． 2003 [收稿日期：2008．8．18] ·+-—卜-+-+—+—+-—卜—+—+—+—+—+-+—+-+—+-+—+-+-—卜——卜-■—-+——+一-+-+-—卜-■一-■—-+—+-+-+-+—一．——+——卜—_．——+—+-—卜噜．．一—。+。-。+。-—一-■一-+· (上接第2页) bResuR=inEndpoint．XferData(refinData．refxferLen)； 通过开发PC主机上的应用程序实现PC主机对DSP高速 采样的控制。DSP内部留有控制参数的内存空间con[】，主机应 用程在采样之前首先设置有关参数，包括采样速率、采长度、采 样通道以及是否需要同步触发等。然后在启动采样前发送一个 控制包到DSP中，DSP根据控制参数切换继电器实现各种功 能。最后启动采样。主机通过批量读数据，读取采样结果。主机 应用程序通过对数的初步分析后，在应用程序的波形窗1：3显示 出采波形结果。 3实验验证 为了验证了该系统能完成多通道连续采样的可行性和准确 性，采用信号源发生器产生内部阻抗5∞、频率1kHz、幅值2V 的正弦信号作为输入。 PC机读取到的采样数据通过 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 整理，绘制出波形图如图6。 波形 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 整个数据传输没有丢包，另外量程调节、频率调 节、采样调节和多种触发方式都做了实验，功能强大可靠。 经测试，USB读速度最高可达到9．4MB／s。USB写速度可 达到4．3MB／s。 L．．．．+．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．一一 圈6 PC机绘制出来的采样数据波形 参考文献 [1]钱峰．EZ—USBFX2单片机原理、编程及应用[M]．北京：北京航空航 天大学出版社，2006 【2]毕宇辉，黄成军，郭灿新，等．基于USB2．0 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的DSP高速数据采 集系统的设计[J]．江苏电机工程，2006(9)：41—44 [3]TI公司．ADSl271手册【K] [4]TI公司．TMS320C5502手册[K] [5]CYPRESS公司．CY7C68013手册[K] [收稿日期：200&7．281 =罴 ：l 。罴罴。淼淼i2 万方数据 自制增量式编码器及其与单片机的接口设计 作者： 范腾， 张玉芳， 张珊珊， 王富东 作者单位： 苏州大学机电工程学院,江苏,苏州,215021 刊名： 工业控制计算机 英文刊名： INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER 年，卷(期)： 2008，21(11) 引用次数： 0次 参考文献(2条) 1.马忠梅.刘滨.戚军 单片机C语言Windows环境编程宝典 2003 2.SST 89E564RD Datasheet 2003 相似文献(0条) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gykzjsj200811002.aspx 下载时间：2010年1月2日