基于DSP的絕對(duì)式光電編碼器設(shè)計(jì)

趙 波

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

光電編碼器又稱為光電角位移傳感器，其采用光、機(jī)、電組合方式實(shí)時(shí)輸出被測物的角度信息。采用光柵元件作為角度傳感器，通過光電變換，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信息，用數(shù)字信息可以實(shí)現(xiàn)角度、位置、速度、加速度的精確測量。

光電編碼器隨著精度的極大提高具有廣闊的應(yīng)用前景，其主要民用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榫芗庸C(jī)床、機(jī)器人及高精度閉環(huán)調(diào)速等。軍用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)測量和光電經(jīng)緯儀等。

20世紀(jì)90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，光電編碼器技術(shù)得到了極大提高，向著體積跟小、精度高方向發(fā)展。目前的光電編碼器大多采用DSP芯片作為主處理器，利用DSP芯片的強(qiáng)大運(yùn)算能力計(jì)算角度數(shù)據(jù)，時(shí)時(shí)輸出目標(biāo)角度信息。

1 系統(tǒng)組成原理

光電編碼器的組成原理如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，2812為光電編碼器功能核心。光電編碼器各部分完成功能如下。

1）2812負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像傳感器的數(shù)字口圖像數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)存入外部存儲(chǔ)器中；當(dāng)DSP芯片和D/A轉(zhuǎn)換器需要圖像數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)將圖像數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器中取出提供給DSP芯片和D/A，V5 FPGA完成整個(gè)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2）光柵碼盤是編碼器的核心元件，它是一塊具有若干同心圓碼道的玻璃盤，每條碼道由若干等周期的透明與不透明的線條組成。

3）串行接口采用標(biāo)準(zhǔn)422A格式接口，采用差分傳輸模式。

4）外采樣提供需要的輸入脈沖模式。

5）D/A轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電路原理圖

圖2 電路原理圖1

圖3 電路原理圖2

2.2 光電接收電路

采用硅光電二極管作為光電接收器件，它有三個(gè)電極：前極（信號(hào)極），后極（正偏壓極），環(huán)極（接地）。工作電路見圖4。

圖4 光電接收器件工作電路圖

2.3 DSP處理器

在整個(gè)系統(tǒng)中，TI公司的TMS320F2812型號(hào)芯片是相對(duì)常用的DSP處理器，該型號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器隸屬于32位定點(diǎn)DSP處理器產(chǎn)品簇，相對(duì)而言在DSP領(lǐng)域中處于領(lǐng)先位置。TMS320F2812芯片的頻率，在理想的狀態(tài)下可以高達(dá)150 MHz，對(duì)于有效提升控制系統(tǒng)的整體精度和芯片處理能力有著積極意義。同時(shí)該芯片基于C/C++高效32位TMS320C28x DSP內(nèi)核展開工作，能夠支持浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫，因此對(duì)于實(shí)現(xiàn)在定點(diǎn)處理器上展開浮點(diǎn)運(yùn)算能夠呈現(xiàn)良好的勝任狀態(tài)。

DSP程序是設(shè)計(jì)中重要的組成部分，主要為DSP和A/D采集芯片之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)DSP接收到外采樣信號(hào)進(jìn)行外采時(shí)，就啟動(dòng)A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行采集，根據(jù)要求設(shè)置采樣頻率和采樣通道數(shù)目，每一次數(shù)據(jù)采樣完成后，將采集到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，進(jìn)行角度計(jì)算，送外部顯示及串口輸出。

圖5 2812小系統(tǒng)框圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

為了滿足采樣速度的要求，軟件設(shè)計(jì)采用C語言，軟件主要由五部分工作流程組成。首先需要對(duì)程序展開初始化，主要工作內(nèi)容為設(shè)置堆棧并且系統(tǒng)復(fù)位。而后展開數(shù)據(jù)采集，即對(duì)精碼、中精碼及粗碼分別進(jìn)行采集，并且采集預(yù)制零位差。隨后展開細(xì)分，包括象限判別，除法運(yùn)算，查表程序等方面的工作。進(jìn)一步展開第一、第二次校正及對(duì)徑相加程序。最后，將粗碼格雷碼進(jìn)行編譯，形成自然二進(jìn)制碼及第三次精粗校正，并輸出總代碼。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

本文以DSP 2812為核心，設(shè)計(jì)了絕對(duì)式光電編碼器。給出了具體的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定可靠，在實(shí)際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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