機(jī)械測(cè)量中旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機(jī)的通用接口

　　在準(zhǔn)備”Freescale”杯全國(guó)大學(xué)生智能車比賽中我們開(kāi)始的時(shí)候是采用紅外傳感器來(lái)測(cè)量速度，但是它受環(huán)境的干擾很大，且響應(yīng)頻率很小，還達(dá)不到1K Hz，為了提高速度測(cè)量精度和響應(yīng)頻率，減小環(huán)境的干擾，決定采用了旋轉(zhuǎn)編碼器，我們成功地開(kāi)發(fā)了單片機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器的最簡(jiǎn)硬件接口。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器及其工作原理

　　旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量角度的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

　　它將測(cè)量到的角度量轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，用來(lái)檢測(cè)被檢對(duì)象的角位移、角速度、角加速度、線位移、線速度和線加速度等，因而，應(yīng)用十分廣泛。旋轉(zhuǎn)編碼器有絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式所測(cè)量到的角位置是絕對(duì)位置;而增量式所測(cè)量的是轉(zhuǎn)動(dòng)體角位移的累計(jì)量。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器有一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差(相對(duì)于一個(gè)周波為360度)，將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

　　由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

　　信號(hào)輸出有正弦波(電流或電壓),方波(TTL、HTL),集電極開(kāi)路(PNP、NPN),推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)(對(duì)稱A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開(kāi)關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。 A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。A、A- 、B、B- 、Z、Z-連接，由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。

　　為方便用戶使用，旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)有電壓、NPN、PNP、T、D多種輸出方式。不同輸出方式的抗電磁干擾的能力也不同。因而，可根據(jù)使用的具體要求選擇恰當(dāng)輸出形式的旋轉(zhuǎn)編碼器。本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)編碼器的單相聯(lián)接輸出方波。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機(jī)的接口

　　由于工程實(shí)踐和比賽的需要，我們研究開(kāi)發(fā)了一種單片機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器直接接口的方法。此方法就是直接將旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)端與Freescale 的S12的單片機(jī)的輸入捕捉/輸出比較通道(IOC)極為簡(jiǎn)潔，由此構(gòu)成的系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單而可靠性很高。旋轉(zhuǎn)編碼器A相輸出信號(hào)，故可使用單片機(jī)的IOC1(IOC0～I(xiàn)OC7任意一個(gè)都可以)與之相接。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)線的長(zhǎng)度及電磁干擾的程度，可以在旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機(jī)之間增加光電耦合器，或整形門電路，以抵抗干擾，調(diào)理旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入信號(hào)。我們?cè)谑褂弥胁捎昧穗妷狠敵鲂问降男D(zhuǎn)編碼器，而且信號(hào)線很短，接口電路見(jiàn)圖1。

　　                   圖1 旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機(jī)的接口電路

　　圖1上拉電阻R是因?yàn)槲覀兊木幋a器是NPN型集電極開(kāi)路的。在這個(gè)接口方式中，將旋轉(zhuǎn)編碼器的A相與單片機(jī)的IOC1/PT1引腳相連，輸出端需接1KΩ的上拉電阻，這個(gè)電阻是我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，其空載輸出脈沖頻率為0~10KHz。

　　實(shí)物圖見(jiàn)圖2，我們采用齒輪嚙合的原理將電機(jī)的齒輪和編碼器的齒輪嚙合，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)編碼器的旋轉(zhuǎn)，編碼器就在接上拉電阻的信號(hào)線A上產(chǎn)生方波。

　　                       圖2 智能車上旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝

　　接口程序

　　上述接口方法是利用了S12單片機(jī)的ECT模塊的外部輸入捕捉/輸出比較工作方式。單片機(jī)也僅僅使用外部輸入捕捉的來(lái)處理旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)，只要將旋轉(zhuǎn)編碼器的A相(或B相)接至外部輸入捕捉口IOC1(IOC0～I(xiàn)OC7任意一個(gè)都可以)，程序如下：

　　用PT1(IOC1)通道作為速度脈沖信號(hào)輸入，ECT模塊初始化步驟如下：

　　1)設(shè)置TIOS寄存器，設(shè)置PT1通道為輸入;

　　2)設(shè)置TCTL4寄存器，使得上升沿和下降沿(任何沿)均能得到捕捉;

　　3)設(shè)置ICOVW_NOVW寄存器，保護(hù)脈沖累加器的數(shù)據(jù);

　　4)置位ICPAR_PA1EN，使能脈沖累加器。設(shè)置此寄存器之后，脈沖累加器開(kāi)始計(jì)數(shù);

　　5)通過(guò)讀取PACN1寄存器，即可以獲取當(dāng)前的脈沖累加值。

　　初始化程序?yàn)椋?/p>

　　void ECT_initial(void) //ECT初始化

　　{

　　DDRT_DDRT1=0; //置PT1(IOC1)腳為輸入

　　TIOS_IOS0=0;

　　TIOS_IOS1=0; //通道1為輸入捕捉

　　TCTL4=0b00001101; //通道1為任何沿捕捉

　　TSCR1_TEN=1; //計(jì)數(shù)器1使能

　　ICOVW_NOVW1 = 1; //保護(hù)

　　ICPAR_PA1EN = 1; //脈沖累加器使能

　　}

　　在每一控制周期開(kāi)始時(shí)，MC9S12DG128讀取脈沖累加器中的數(shù)值(average[5])，然后與前5個(gè)控制周期的脈沖累加器值求和(all_speed)再求平均值，做為當(dāng)前速度反饋值(speed)。程序流程圖如圖3所示。

　　                             圖3 直流電機(jī)測(cè)速流程圖

　　計(jì)數(shù)速度的測(cè)試

　　采用以下兩種方法對(duì)電機(jī)測(cè)速部分進(jìn)行測(cè)試：

　　1)讓智能車在賽道上行駛，每20ms將賽車當(dāng)前速度值通過(guò)SCI串口發(fā)送到上位機(jī)上，并利用串口調(diào)試器進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)正好在一圈當(dāng)中賽車行駛的速度值進(jìn)行累加求和，再乘以20ms，得到的總行駛距離約為27m，而模擬賽道總長(zhǎng)約為26m，兩者的相對(duì)誤差不到4%。這說(shuō)明，速度傳感器測(cè)量基本準(zhǔn)確。

　　2)直流電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，改變脈沖捕捉方式，在上升沿、下降沿和任何沿捕捉方式間進(jìn)行切換。不改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)占空比設(shè)置，理想情況下，單位時(shí)間內(nèi)捕捉的脈沖數(shù)滿足：上升沿獲取下的脈沖數(shù)=下降沿獲取下的脈沖數(shù)=任何沿獲取下的脈沖數(shù)/2。在脈沖捕捉方式不變的情況下，改變PWM信號(hào)占空比(即改變速度給定值)，檢測(cè)的速度值與占空比近似成線性比例關(guān)系。以上間接說(shuō)明脈沖檢測(cè)的可靠性。