光電編碼器是目前伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最多的傳感器，它通過(guò)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。光電編碼器與電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。

目前光電編碼器已經(jīng)普遍應(yīng)用在雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式3種。

絕對(duì)型編碼器在轉(zhuǎn)軸的每一個(gè)位置均可讀出唯一對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，抗干擾、無(wú)需掉電記憶，但其制造工藝復(fù)雜、價(jià)格是增量型編碼器的幾倍到幾十倍。因此在實(shí)際的應(yīng)用中，增量型編碼器占據(jù)了統(tǒng)治地位。

增量式編碼器工作原理

增量式編碼器由光源、碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和光電轉(zhuǎn)換電路組成，其原理如圖1所示。

圖1 增量式編碼器原理圖

當(dāng)碼盤(pán)隨同被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵保持不動(dòng)。光線(xiàn)穿過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵的縫隙照射在光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件即會(huì)輸出相位相差900電度角的近似于正弦波的兩組差分電信號(hào)，這兩組差分信號(hào)再經(jīng)脈沖整形轉(zhuǎn)換為普通的單端電平信號(hào)，最后對(duì)兩個(gè)單端電平信號(hào)進(jìn)行倍頻、鑒相和計(jì)數(shù)等操作，以得到碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的方向和位置。

本文旨在解決增量編碼器倍頻、鑒相、計(jì)數(shù)的問(wèn)題，充分利用FPGA豐富的邏輯模塊和IO模塊，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的接口電路，并行輸出結(jié)果以供進(jìn)一步操作，如圖2所示。

圖2 編碼信號(hào)處理模塊

倍頻、鑒相、計(jì)數(shù)原理分析

編碼器碼盤(pán)和檢測(cè)光柵有兩組對(duì)應(yīng)的等間距透光縫隙，相互錯(cuò)開(kāi)1／4節(jié)距，用于在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)光電發(fā)送及接收裝置產(chǎn)生通斷變化，使得光電檢測(cè)器件輸出相位上相差90o的信號(hào)A、B。根據(jù)A和B的相位關(guān)系可判斷出碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。

當(dāng)A相位超前B90o時(shí)，DIR(方向信號(hào))為高電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)A滯后B90o時(shí)，DIR(方向信號(hào))為低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)。碼盤(pán)信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后得出碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度才能轉(zhuǎn)換為位置信息，計(jì)數(shù)器加減以方向信號(hào)為依據(jù)。

與此同時(shí)，碼盤(pán)上還有一個(gè)開(kāi)孔用來(lái)判斷碼盤(pán)的絕對(duì)位置，即碼盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生一個(gè)索引信號(hào)I，有的也用I作為對(duì)位、清零信號(hào)。如圖3所示。

圖3 編碼器輸出信號(hào)

編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，A相和B相所輸出的脈沖數(shù)相同，脈沖數(shù)決定了編碼器的精度。

由圖3可知，在一個(gè)編碼脈沖輸出周期中，A和B信號(hào)共產(chǎn)生了4個(gè)跳變沿。捕捉每個(gè)跳變并且進(jìn)行計(jì)數(shù)，即：當(dāng)A為高電平時(shí)，B在上升沿則加1，下降沿則減1；A為低電平時(shí)，B在下降沿則減l，上升沿則加l；B為高電平時(shí)，A在上升沿則減1，下降沿則加l；在B為低電平時(shí)，A在上升沿則加1，下降沿則減l。

如此在每個(gè)周期內(nèi)，碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)數(shù)4次，反轉(zhuǎn)時(shí)也計(jì)數(shù)4次，使計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量增加了4倍。若一個(gè)編碼脈沖信號(hào)量化誤差為φ，則四倍頻后的量化誤差降為φ/4，其角位移的測(cè)量精度提高了4倍，同時(shí)光電碼盤(pán)的分辨率也提高了4倍。

信號(hào)四倍頻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于捕捉A、B信號(hào)的上升沿和下降沿。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字型電路即D觸發(fā)器作為延遲環(huán)節(jié)來(lái)檢測(cè)邊沿的變化，A、B相倍頻脈沖寬度和延時(shí)時(shí)間均由時(shí)鐘(外部有源晶振提供)控制，倍頻后的脈沖寬度一致，可以有效地克服傳統(tǒng)RC微分型或積分型邊沿檢測(cè)電路的不足。

A、B信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器后的信號(hào)分別記為A1、B1。將A1、B1作為倍頻的原始信號(hào)，將消除A、B信號(hào)中尖脈沖帶來(lái)的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。A1、B1再經(jīng)過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器，延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期，將產(chǎn)生A2、B2信號(hào)。

即A2、B2分別滯后A1、B1一個(gè)時(shí)鐘周期，且A1、A2的相位分別滯后B1、B290o(假定此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，B1超前A190o)，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的，需要能夠完全捕捉到一個(gè)周期內(nèi)脈沖的上升沿和下降沿，即圖4的圓黑點(diǎn)。

從圖4中虛線(xiàn)所示的狀態(tài)可知，A1和A2，B1和B2兩組信號(hào)里都有一組不同的電平狀態(tài)，故采用3個(gè)異或門(mén)以求得信號(hào)的4倍頻信號(hào)F4_CLK。與此同時(shí)，采用兩個(gè)與非門(mén)來(lái)求得方向信號(hào)。

圖4 A、B信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器后的信號(hào)圖

光電編碼器線(xiàn)數(shù)為1024，四倍頻后旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生4096個(gè)脈沖，其精度為0．0879o。為滿(mǎn)足精度要求，本設(shè)計(jì)采用的是16位可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為-65536~65535，利用Altera公司的設(shè)計(jì)軟件自帶的LPM（宏功能模塊）模塊實(shí)現(xiàn)該計(jì)數(shù)模塊。

接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)使用的軟件是Altera公司的Quartus II，選用的芯片是CycloneⅢ的EP3C16Q240。該芯片有15408個(gè)邏輯單元，56個(gè)乘法器，4個(gè)鎖相環(huán)，20個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)器容量為504Kbit，最高工頻率可為437.5MHz，輸入輸出電壓3.3V[8]，如此強(qiáng)大的資源足以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期的功能。

1 子模塊的原理圖設(shè)計(jì)

FPGA具有動(dòng)態(tài)可系統(tǒng)重構(gòu)和靜態(tài)可重復(fù)編程的特性，使得可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改硬件的功能。我們可以通過(guò)原理圖輸入或者HDL(硬件描述語(yǔ)言)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。根據(jù)上一節(jié)原理的介紹，生成倍頻、鑒相、計(jì)數(shù)模塊的頂層文件原理圖，如圖5所示。

圖5 頂層原理圖

其中，輸入為正交編碼信號(hào)A、B，輸出為16位計(jì)數(shù)結(jié)果。該頂層原理圖分為兩部分，一個(gè)是倍頻、鑒相模塊，如圖6所示；一個(gè)是使用自帶的宏功能模塊實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)模塊。編碼信號(hào)經(jīng)倍頻、鑒相后產(chǎn)生四倍頻信號(hào)F4_CLK、方向信號(hào)ENADD，再經(jīng)過(guò)pluse_count實(shí)現(xiàn)16位可逆計(jì)數(shù)功能。當(dāng)ENADD為高電平即碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)；當(dāng)ENADD為低電平即碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)。

圖6 倍頻、鑒相原理圖

2 編譯及下載

在Quartus II中依次進(jìn)行如下操作：新建工程、選擇目標(biāo)芯片、繪制原理圖、管腳分配、芯片參數(shù)及配置選項(xiàng)設(shè)置，即可對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行編譯。

編譯完成后將在工程文件夾下將生成后綴名為sof和pof的兩個(gè)下載文件，這兩個(gè)文件的區(qū)別在于：前者是通過(guò)JTAG口下載到FPGA芯片中（配置FPGA芯片），直接運(yùn)行程序，而掉電后程序消失；后者是通過(guò)AS口下載到配置芯片中，上電后將自動(dòng)完成配置，運(yùn)行程序。

前者下載的速度快，一般用于FPGA的調(diào)試過(guò)程；而后者由于是燒寫(xiě)EPCS配置芯片（實(shí)際上是串行FLASH），速度較慢，一般用于開(kāi)發(fā)后期的程序固化。本次設(shè)計(jì)也是遵循調(diào)試階段采用JTAG模式燒寫(xiě)下載，待程序確定后采用AS模式燒寫(xiě)下載[11]。

波形仿真及分析

編譯通過(guò)后，我們使用Quartus II自帶的仿真器進(jìn)行功能仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的邏輯是否正確。在建立矢量源文件時(shí)，首先設(shè)置編碼信號(hào)A超前B 90o得到仿真結(jié)果如圖7所示；然后設(shè)置編碼信號(hào)B超前A 90o得到仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖7、圖8中可以看出，當(dāng)信號(hào)A超前B 90o即電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，方向信號(hào)為高電平，實(shí)現(xiàn)四倍頻且一個(gè)周期內(nèi)加法計(jì)數(shù)4次；反之，當(dāng)信號(hào)B超前A 90o即電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，方向信號(hào)為低電平，同樣實(shí)現(xiàn)四倍頻且一個(gè)周期內(nèi)減法計(jì)數(shù)4次。由此可知，仿真結(jié)果與理論分析完全一致，本接口電路邏輯正確，具有實(shí)際意義。

在實(shí)際調(diào)試階段中，連接好編碼器和電路板，通過(guò)QuartusII的Signaltap II來(lái)捕捉和顯示實(shí)時(shí)信號(hào)，所得的結(jié)果與預(yù)期也是一致的，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。

圖7 信號(hào)A超前B 90o仿真結(jié)果

圖8 信號(hào)B超前A 90o仿真結(jié)果

小結(jié)

基于FPGA的增量式編碼器的接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理，克服了使用ASIC(專(zhuān)用集成電路)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而產(chǎn)生的編譯復(fù)雜、通用性差等缺點(diǎn)。該接口電路具有適用性好、集成度高、抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)處理快等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種需要使用增量式編碼器測(cè)量位置和速度的場(chǎng)合。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“基于FPGA的增量式編碼器接口電路的設(shè)計(jì)”，作者為張圣超、佘洪波。