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隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，各種傳感器的應用也越來(lái)越多。旋轉編碼器作為速度和位移反饋的傳感器，主要應用于數控機床、高精度的閉環(huán)調速系統、伺服電動(dòng)機、異步電動(dòng)機、步進(jìn)電動(dòng)機、電梯曳引機、電梯門(mén)機乃至機械軸等需要對運動(dòng)速度和位移信息反饋的自動(dòng)化控制場(chǎng)合，以保證機械的高精度穩定運轉，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和保障安全運營(yíng)。 本文針對旋轉編碼器在工業(yè)現場(chǎng)中的應用，基于LPCI768硬件平臺，設計出一種旋轉編碼器采集模塊，該模塊內部具有高精度分析、整形、解碼電路，可同時(shí)對2路編碼器輸入信號進(jìn)行分析、解碼。經(jīng)過(guò)處理的旋轉信號通過(guò)高性能處理器進(jìn)行采集及數字濾波。旋轉編碼器同時(shí)還對2路編碼器信號進(jìn)行角速度計算，最終模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)將采集到的旋轉位置值以及角速度值發(fā)送到DPU(分散處理單元)，以供工業(yè)現場(chǎng)使用。 1 旋轉編碼器 旋轉編碼器是一種測量轉動(dòng)部件運動(dòng)情況的傳感器，是將旋轉的機械位移量轉換為電氣信號，對該信號進(jìn)行處理后檢測位置、速度等的傳感器。所謂編碼，其實(shí)就是將旋轉角度的信息轉換為單片機可讀的電信號的過(guò)程。旋轉編碼器根據工作原理可以分為接觸式、光電式和電磁式三種}根據輸出信號的形式又可以分為增量式和絕對值兩種，其中增量式編碼器是工業(yè)中最常用的編碼器。 增量編碼器包括碼盤(pán)、發(fā)光元件、接收元件和信號處理部分。當軸旋轉時(shí)帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉，這樣刻線(xiàn)處透光，問(wèn)隔處不透光，透過(guò)的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分，產(chǎn)生脈沖信號輸出，輸出信號一般包括A、B兩相(相位差90°)，有些編碼器每轉一圈還會(huì )輸出一個(gè)零位脈沖Z，作為機械參考零位。當主軸以順時(shí)針?lè )较蛐D時(shí)，A通道信號位于B通道之前；當主軸逆時(shí)針旋轉時(shí)，A通道信號則位于B通道之后，從而可以由此判斷主軸是正轉還是反轉。 2 CAN總線(xiàn) CAN總線(xiàn)(Controller Area Network)，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)最初是德國B(niǎo)osch公司于1983年為汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)的，它是一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)(Field Bus)的范疇。隨著(zhù)CAN總線(xiàn)的不斷完善和發(fā)展，它目前已被國際化標準組織采納為國際標準。 CAN總線(xiàn)是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，基本設計規范要求有較高的位速率和高抗干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。信號傳輸距離達到10 km時(shí)，仍然可提供高達5kb/s的數據傳輸速率。CAN協(xié)議經(jīng)lSO標準化后有IS011898標準和IS011519標準兩種。它們兩者的區別在于對物理層的定義不同。ISOll898是通信速度為125 kb/s---1 Mb/s的CAN高速通信標準，而ISOll519是通信速度為125 kb/s以下的CAN低速通信標準。 3 硬件設計 根據系統功能需求，本文選用NXP公司生產(chǎn)的LPCI768處理器，該處理器是一款基于ARMCortex--M3內核的32位處理器，它具有3流水線(xiàn)和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數據總線(xiàn)以及用于外設的稍微低性能的第三條總線(xiàn)，同時(shí)還包含一個(gè)支持隨機跣轉的內部預取指單元，工作頻率可達100MHz。LPCI768處理器的外設組件包含高達512 kB的Flash存儲器、64 kB的數據存儲器、4個(gè)通用定時(shí)器、8通道的12位ADC、10位DAC、電機控制PWM、4個(gè)UART、2條CAN通道、帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達70個(gè)的通用I/0管腳．圖1為旋轉編碼器采集模塊總體框圖。 圖1 旋轉編碼器采集模塊總體框圖 3.1 CPU部分 由芯片手冊可知，LPCI768可以選擇內部RC振蕩器或者主振蕩器作為系統時(shí)鐘源，而由于內部RC振蕩器精度無(wú)法滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)通訊的要求，而主振蕩器可以工作的頻率范圍為1 MHz～25 MHz，故選取12 MHz的晶振加上22 pF的電容構成Pierce振蕩器，作為主振蕩器的時(shí)鐘源。由于本系統未使用芯片的A/D模塊，故VDDA可以跟VDD一起連接到3．3V，每對VDD、GND引腳間需連接一個(gè)0.1uF的去耦電容。同時(shí)JTAG及通訊引腳均通過(guò)10k的上拉電阻連接到VDD，以提高信號傳輸的穩定性。 3.2 旋轉編碼器采集部分 旋轉編碼器應用于角度定位或測量時(shí)，由于旋轉軸的晃動(dòng)可能引起編碼器輸出波形的抖動(dòng)，從而引發(fā)誤計數現象，在這種情況下就不能對波形進(jìn)行正確計數，本系統通過(guò)一個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)器來(lái)消除旋轉編碼器輸出脈沖信號的抖動(dòng)。圖2為旋轉編碼器采集電路中的一路。 圖2 旋轉編碼器采集電路中的一路。 分析電路可知，當旋轉編碼器正轉時(shí)，F1輸出脈沖序列，當旋轉編碼器反轉時(shí)，R1輸出脈沖序列閉，電路仿真波形見(jiàn)圖3。 圖3 旋轉編碼器采集電路仿真波形 3.3 CAN總線(xiàn)通訊部分 LPC1768處理器支持CAN 2.0B規范，兼容IS011898-1標準，基于此，本文選取飛利浦半導體公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器，通訊匹配電阻選取120 ，i1，CAN收發(fā)器電路見(jiàn)圖4。 圖4 CAN收發(fā)器電路 3.4 電源部分 LPC1768工作電壓為3. 3 V，而CAN收發(fā)器及旋轉編碼器采集電路部分電壓為5 V，所以先使用MC33063將輸人電壓降到5V，供相關(guān)電路使用，然后再通過(guò)LM1117-3.3V將5V電壓降到3.3V，作為處理器工作電壓。電源電路見(jiàn)圖5。 圖5 電源電路 4 軟件設計 系統采用RealView MDK-ARM V4.10為開(kāi)發(fā)平臺，以C語(yǔ)言為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，程序主要分三個(gè)部分：旋轉編碼器采集部分采用中斷方式，通過(guò)LPC1768的定時(shí)捕獲單元來(lái)完成對輸人脈沖信號的計數工作；CAN通訊部分也采用中斷方式監聽(tīng)來(lái)自DPU或者其他控制主機傳來(lái)的命令，然后執行相應的數據傳送任務(wù)；而主程序則通過(guò)一定的時(shí)間調度算法，完成旋轉編碼器轉動(dòng)方向的判斷、角速度的計算以及設置相應的指示燈狀態(tài)、處理CAN通訊過(guò)程中出現的異常狀況、喂狗等操作。主程序流程圖見(jiàn)圖6。 圖6 主程序流程圖 5 結論 本文設計完成的旋轉編碼器采集模塊，適用于各類(lèi)工業(yè)控制現場(chǎng)，具有較廣的應用前景。經(jīng)實(shí)驗室初步驗證并應用于某工業(yè)現場(chǎng)測試，該模塊對旋轉編碼器輸人信號處理結果滿(mǎn)足用戶(hù)要求，并且能夠可靠地與現場(chǎng)控制系統進(jìn)行通訊，工作性能穩定，具有很強的抗千擾能力和很高的安全性。 |
