旋轉(zhuǎn)編碼器是一種高精度的角位置測量傳感器，具有分辨率高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在以位置或角度為對(duì)象的控制系統(tǒng)中。將編碼器安裝在電機(jī)軸的非負(fù)載端跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，其反饋信號(hào)傳遞給控制器，構(gòu)成對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制[1]。

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出兩路正交脈沖，即兩路(A、B)相位差90°的方波，其相位關(guān)系標(biāo)志電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)A相超前B相90°時(shí)，標(biāo)志電機(jī)正轉(zhuǎn)，如圖1所示；當(dāng)B相超前A相90°時(shí)，標(biāo)志電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖2所示。編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，輸出脈沖數(shù)固定，通過累加A、B兩相信號(hào)的脈沖數(shù)可以計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。

本文用VHDL語言設(shè)計(jì)了一種增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路，可以配置在CPLD或者FPGA上，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器輸出信號(hào)的四倍頻、雙向可逆計(jì)數(shù)和與單片機(jī)接口的功能。下面介紹各個(gè)電路的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)源碼。

1四倍頻電路設(shè)計(jì)原理

對(duì)于每個(gè)確定的編碼器，其脈沖周期T對(duì)應(yīng)的角位移固定為q，其量化誤差為q/2。若將A和B信號(hào)四倍頻，則計(jì)數(shù)脈沖的周期將減小到T/4，量化誤差減小為q/8，從而使角位移測量精度提高4倍[2]。

如圖1和圖2所示，在任意一個(gè)周期T內(nèi)，A、B兩路信號(hào)各變化了兩次，分別產(chǎn)生一次上升沿和一次下降沿，若用Y對(duì)A、B兩路信號(hào)的跳變沿計(jì)數(shù)，則在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，信號(hào)Y就會(huì)出現(xiàn)4次變化，實(shí)現(xiàn)編碼器信號(hào)的四倍頻。

2轉(zhuǎn)向鑒別電路設(shè)計(jì)原理

在信號(hào)跳變沿時(shí)檢測另一相信號(hào)的電平值可以判斷轉(zhuǎn)向[3]。例如，在A相信號(hào)上升沿時(shí)檢測B相信號(hào)電平，若B為低電平(如圖1)，表示電機(jī)正轉(zhuǎn)；若B為高電平(如圖2)，表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。結(jié)合上面所述四倍頻原理，計(jì)數(shù)規(guī)則總結(jié)如下。

(1)檢測到以下狀態(tài)表示電機(jī)正轉(zhuǎn)，加計(jì)數(shù)：

①A相上升沿，B=0；②A相下降沿，B=1；③B相上升沿，A=1；④B相下降沿，A=0。

(2)檢測到以下狀態(tài)表示電機(jī)反轉(zhuǎn)，減計(jì)數(shù)：

①B相上升沿，A=0；②B相下降沿，A=1；③A相上升沿，B=1；④A相下降沿，B=0。

3與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)原理

編碼器的脈沖計(jì)數(shù)值一般要傳送給單片機(jī)或其他控制器進(jìn)行處理，而CPLD的全局時(shí)鐘的頻率高于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，為保證CPLD和單片機(jī)之間計(jì)數(shù)值傳輸?shù)恼_性，單片機(jī)首先發(fā)送信號(hào)給CPLD，將計(jì)數(shù)值鎖存后再進(jìn)行傳輸。CPLD與單片機(jī)接口示意圖如圖3所示。本設(shè)計(jì)中CPLD檢測到單片機(jī)鎖存信號(hào)的上升沿后將當(dāng)前計(jì)數(shù)值鎖存[4]，然后在單片機(jī)位選信號(hào)的上升沿和下降沿分時(shí)將16bit計(jì)數(shù)值的高8位和低8位傳送給單片機(jī)8bitI/O端口。

4實(shí)現(xiàn)電路的源代碼

本設(shè)計(jì)利用D觸發(fā)器的延時(shí)作用檢測信號(hào)跳變沿，D輸入端接脈沖信號(hào)，則Q輸出端是上一個(gè)CLK周期的脈沖信號(hào)狀態(tài)。在CLK的上升沿檢測Q端輸出和D端信號(hào)電平值是否一致，不一致表示出現(xiàn)跳變沿。

設(shè)A和B是A、B相的源信號(hào)，經(jīng)過D觸發(fā)器后A、B相信號(hào)記為A1、B1，則計(jì)數(shù)規(guī)則表示為：

5仿真結(jié)果

利用ALTERA的開發(fā)工具M(jìn)AX+PlusⅡ，輸入VHDL文本文件，目標(biāo)設(shè)備為EPM7128SLC84[5]，CLK周期為200ns，A、B的周期為2000ns，編譯后仿真波形如圖4~圖7所示。

圖4是編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)的仿真波形，在A相信號(hào)的1個(gè)周期，兩條標(biāo)記線內(nèi)，計(jì)數(shù)值OUTPUT由初始值4增加到8，實(shí)現(xiàn)四倍頻加計(jì)數(shù)。

圖5是編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真波形，在A相信號(hào)的1個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)值OUTPUT由初始值15減少到11，實(shí)現(xiàn)四倍頻減計(jì)數(shù)。

圖6是編碼器由正轉(zhuǎn)切換為反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真波形。如圖中標(biāo)記線所示，B相超前A相后的第一個(gè)CLK的上升沿，計(jì)數(shù)方向立即改變，由加計(jì)數(shù)變?yōu)闇p計(jì)數(shù)。

如圖7中標(biāo)記線所示，在鎖存信號(hào)lock上升沿時(shí)16bit計(jì)數(shù)值鎖存于OUT_lock；位選信號(hào)choose上升沿后的第一個(gè)CLK上升沿，8bit計(jì)數(shù)值OUTPUT8輸出OUT_lock的高8位；choose下降沿時(shí)OUTPUT8輸出OUT_lock的低8位。

由上述仿真波形可以看出，本電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了編碼器的轉(zhuǎn)向鑒別、四倍頻、雙向計(jì)數(shù)以及與單片機(jī)通信的功能。

本文設(shè)計(jì)的編碼器接口電路，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，即使在正反轉(zhuǎn)頻繁切換的場合也能高精度地工作。本接口電路已應(yīng)用在單級(jí)旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)中，且運(yùn)行良好。