基于絕對編碼器的數(shù)據(jù)采集

0 引言
    在跟蹤控制系統(tǒng)中，控制精度總是受各方面因素的影響?？刂葡到y(tǒng)功能和性能的實現(xiàn)受數(shù)據(jù)采集的影響，具體有傳感器采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?、算法處理及輸出控制?個基本環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，環(huán)節(jié)之間也有誤差傳遞，從而影響跟蹤控制精度。在這些環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)源是重要的一環(huán)，沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源會對相應(yīng)的控制模式帶來影響。

1 數(shù)據(jù)采集的編碼實現(xiàn)
    跟蹤控制系統(tǒng)所需采集的數(shù)據(jù)為跟蹤運行軌道上的平面坐標(biāo)的變化速度，跟蹤系統(tǒng)通過平面坐標(biāo)的變化特征跟蹤軌道，而跟蹤軌道由兩組電機(jī)進(jìn)行控制，故對數(shù)據(jù)的采集也就變成了對兩組電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集。數(shù)據(jù)采集用的傳感器，可以采用由旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的模擬編碼器。旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的是模擬信號，通過對主副線圈產(chǎn)生的信號進(jìn)行誤差補(bǔ)償最后形成所需信號，該信號還要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換。很明顯在高精度控制情況下，這種方式產(chǎn)生的誤差大，誤差補(bǔ)償有限。也可以采用基于光電原理的數(shù)字式傳感器，這類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時采用的是Eltra編碼器，為了配合跟蹤控制系統(tǒng)的需求選用了單轉(zhuǎn)絕對編碼器。單轉(zhuǎn)絕對編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個具有編碼的圓盤，通過光電轉(zhuǎn)換，把光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，再經(jīng)過信號處理，形成數(shù)據(jù)信號的編碼系列。對單轉(zhuǎn)絕對編碼器而言，它的編碼位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個位置的輸出代碼是唯一的，這樣的好處是：當(dāng)電源斷開時，絕對型編碼器并不與實際位置分離；當(dāng)電源再次接通時，編碼器的讀數(shù)仍然是當(dāng)前的有效讀數(shù)。編碼器的輸出代碼用于確定具體的位置，編碼采用二進(jìn)制碼便于對信號進(jìn)行處理，從而得到實際位置的讀數(shù)。從內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)看，二進(jìn)制碼是直接從圓形光盤的轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換脈沖取得的，從一個編碼變到另一個編碼時，如果采用順序二進(jìn)制碼，位置的同步和采集就變得非常困難。
    如4位二進(jìn)制數(shù)由7(0111)變換到8(1000)時，順序二進(jìn)制碼的每一位都改變了狀態(tài)，要求同一瞬間同時改變狀態(tài)是不可能的，這使得在改變狀態(tài)的過渡時刻得到的編碼讀數(shù)有可能完全是錯誤的。為了克服這一問題，在數(shù)據(jù)采集的編碼中采用格雷碼，這樣就解決了順序二進(jìn)制碼存在的問題。

2 編碼器的接口
    跟蹤控制系統(tǒng)的中控室與數(shù)據(jù)采集點的距離較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不受外界電磁干擾的影響，選用了SSI(Synchronization Serial Interface，同步串行接口)絕對編碼器，從數(shù)據(jù)采集點到中控室之間的數(shù)據(jù)傳輸采用RS 422標(biāo)準(zhǔn)。RS 422是全雙工的傳輸方式(同一時間既可以發(fā)送，又可以接收)，RS 422標(biāo)準(zhǔn)是雙平衡信號方式，接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，在較遠(yuǎn)距離信號傳輸過程中，利用信號差分特點，消除在傳輸過程中外界電磁干擾的影響。但仍然需要處理信號同步問題，Eltra提供的絕對編碼器需要外界提供時鐘觸發(fā)信號，以啟動單穩(wěn)態(tài)電路，在單穩(wěn)態(tài)電路的控制下實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換、存儲和發(fā)送。Eltra具有SSI接口的絕對編碼器所需的時鐘激勵信號如圖1所示。

    由圖可知，要使絕對編碼器正常工作，必需要由外部提供時鐘信號，將所產(chǎn)生的差分時鐘信號用作絕對編碼器開始工作所需要的同步時鐘激勵信號，這樣設(shè)計使編碼器的工作穩(wěn)定性得到了極大地提高。同步問題的解決使采集數(shù)據(jù)的誤差降低，對跟蹤控制系統(tǒng)整體跟蹤精度的提高起到了決定性的作用。

3 接口的設(shè)計及編程
    編碼器要求時鐘發(fā)生電路提供的時鐘信號可以調(diào)整，調(diào)整范圍為100 kHz～1 MHz。根據(jù)邏輯時序的要求，在靜止條件下，時鐘和數(shù)據(jù)信號處于邏輯高電平上，編碼器內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路不工作。在第一個時鐘信號下降沿，單穩(wěn)態(tài)電路啟動，編碼器內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)信號輸入到P／S(并／串)轉(zhuǎn)換器，并在轉(zhuǎn)換器內(nèi)存儲。在時鐘信號上升沿MSB(最高有效位)被傳送至輸出端的數(shù)據(jù)線上。當(dāng)時鐘信號再次至下降沿，接口從數(shù)據(jù)線上得到MSB數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，單穩(wěn)態(tài)電路再次重新啟動。每次當(dāng)順序時鐘脈沖信號在上升沿時，數(shù)據(jù)連續(xù)傳送至輸出數(shù)據(jù)線上，同時需要控制信號處于下降沿。在順序時鐘脈沖結(jié)束時，外部控制信號時鐘需要獲得LSB(最低有效位)的數(shù)據(jù)，當(dāng)順序時鐘脈沖被中斷，單穩(wěn)態(tài)電路不再啟動。一旦TM(單位定時電路時間信號)消失，數(shù)據(jù)線路回到邏輯高電平上，編碼器內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路自動停止工作。信號波形示意如圖2所示。

    為了產(chǎn)生時鐘信號，選用SPCE061A芯片作為處理器，該芯片為16位芯片，帶32位I／O，具有串行輸出接口，雙16位定時器／計數(shù)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    以SPCE061A芯片為處理器，設(shè)計一個最小系統(tǒng)，如圖4所示。

    該最小系統(tǒng)構(gòu)成的電路簡單，穩(wěn)定性好，滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

4 數(shù)據(jù)信號的傳輸
    對本系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)信號是二進(jìn)制編碼，在數(shù)據(jù)采集過程中沒有對數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行封裝，因此數(shù)據(jù)信號的傳輸是直接通過物理鏈路層進(jìn)行。由于被控對象離中控室較遠(yuǎn)，因此數(shù)據(jù)采集后需要傳輸較長的距離，如采用一般的RS 232接口的非平衡傳輸方式，即所謂單端通信方式，其收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，典型的RS 232信號在正負(fù)電平之間變化，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15 V，負(fù)電平在-5～-15 V。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，傳輸線上為TTL電平，從開始傳送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，傳輸線上的電平從TTL電平到RS 232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12 v與-3～-12 V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2～3 V，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15 m，最高速率為20 Kb／s。RS 232是為點對點通信而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為3～7 kΩ，所以RS 232僅適合本地設(shè)備之間的通信，對距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸顯然存在問題。
    RS 422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，由于接收器采用高輸入阻抗，發(fā)送驅(qū)動器比RS 232的驅(qū)動能力更強(qiáng)，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點。RS 422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式或硬件方式(一對單獨的雙絞線)實現(xiàn)。RS 422的最大傳輸距離約為1 000 m，最大傳輸速率為10 Mb／s，其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100 Kb／s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100 m長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1 Mb／s。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采樣率為10 Kb／s，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x大約為80 m，可見在本系統(tǒng)中采用RS 422完全可以滿足要求。

5 轉(zhuǎn)換器
    數(shù)據(jù)采集后需要傳送到中控室的主計算機(jī)進(jìn)行處理，在中控室的計算機(jī)端，數(shù)據(jù)信號是通過串口以RS 232標(biāo)準(zhǔn)接入的。而數(shù)據(jù)源端輸出的信號是RS 422標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)編碼是格雷碼，不能直接與主計算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集還需要由激勵信號啟動。由此設(shè)計一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生激勵信號，控制數(shù)據(jù)采樣的采樣率進(jìn)行采樣。轉(zhuǎn)換器也作為絕對編碼器輸出數(shù)據(jù)的接收器，轉(zhuǎn)換器接收數(shù)據(jù)以后，將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，再將二進(jìn)制代碼進(jìn)行處理，直接轉(zhuǎn)換為控制轉(zhuǎn)速的編碼信號，這樣就大大減輕了主計算機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析處理的工作。轉(zhuǎn)換器將處理后的轉(zhuǎn)速信號以RS 232標(biāo)準(zhǔn)與主計算機(jī)的串口之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于轉(zhuǎn)換器的位置也在中控室，距離主計算機(jī)很近，故采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)完全能夠滿足要求，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的采樣率，利用串口通信的波特率也能滿足系統(tǒng)需要。
    在本系統(tǒng)中，絕對編碼器采用的是成品，保證了數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，主計算機(jī)采用工控機(jī)，其穩(wěn)定性和可靠性也能滿足要求。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為了提供同步激勵和接收數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，只能自己分析設(shè)計，對底層物理鏈路層而言，需要進(jìn)行充分的考慮，本文不對轉(zhuǎn)換器的分析和設(shè)計進(jìn)行討論。

6 結(jié)語
    在數(shù)據(jù)采集方面，就跟蹤控制系統(tǒng)而言，采用旋轉(zhuǎn)變壓器，其價格相對較低，但是其采集的一次信號為模擬量，要經(jīng)過中間的A／D轉(zhuǎn)換和二次誤差調(diào)整與精度補(bǔ)償，給數(shù)據(jù)源的精度帶來一定影響。使用絕對編碼器，由于輸出的是數(shù)字信號(光電轉(zhuǎn)換在內(nèi)部完成)，減少了轉(zhuǎn)換與補(bǔ)償帶來的誤差影響，提高了數(shù)據(jù)精度，精確的數(shù)據(jù)源對控制精度起到了絕定性的作用。盡管數(shù)據(jù)通信已經(jīng)較為成熟，但選擇適當(dāng)?shù)姆绞綔p小數(shù)據(jù)傳輸過程帶來的影響也是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，這在實際系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該得到相應(yīng)的重視。就本文提出設(shè)計的系統(tǒng)模型，在硬件系統(tǒng)配置上進(jìn)行了充分的考慮，所采集的數(shù)據(jù)與跟蹤算法的配合，使跟蹤控制的精度得到了保證，在實際運行過程中監(jiān)測的結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，實際運行控制精度比設(shè)計預(yù)期的精度要高。