基于VHDL的旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路的實現(xiàn)

摘 要： 用VHDL語言設計的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路，實現(xiàn)了四倍頻、雙向計數(shù)的功能以及與單片機的接口。給出了在MAX Plus II環(huán)境下的VHDL源代碼和時序仿真結(jié)果。本設計在角度測量、位移測量和高度測量等方面有廣泛的應用價值。
關(guān)鍵詞： 旋轉(zhuǎn)編碼器；四倍頻；VHDL；Max Plus II

　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、響應速度快等特點，被廣泛應用在以位置或角度為對象的控制系統(tǒng)中。將編碼器安裝在電機軸的非負載端跟隨轉(zhuǎn)動，其反饋信號傳遞給控制器，構(gòu)成對電機的閉環(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)系標志電機的轉(zhuǎn)向，當A相超前B相90°時，標志電機正轉(zhuǎn)，如圖1所示；當B相超前A相90°時，標志電機反轉(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兩相信號的脈沖數(shù)可以計算電機轉(zhuǎn)過的角度。

　本文用VHDL語言設計了一種增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路，可以配置在CPLD或者FPGA上，實現(xiàn)對編碼器輸出信號的四倍頻、雙向可逆計數(shù)和與單片機接口的功能。下面介紹各個電路的設計原理和實現(xiàn)源碼。
1 四倍頻電路設計原理
對于每個確定的編碼器，其脈沖周期T對應的角位移固定為q，其量化誤差為q/2。若將A和B信號四倍頻，則計數(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，在任意一個周期T內(nèi)，A、B兩路信號各變化了兩次，分別產(chǎn)生一次上升沿和一次下降沿，若用Y對A、B兩路信號的跳變沿計數(shù)，則在一個脈沖周期內(nèi)，信號Y就會出現(xiàn)4次變化，實現(xiàn)編碼器信號的四倍頻。
2 轉(zhuǎn)向鑒別電路設計原理
在信號跳變沿時檢測另一相信號的電平值可以判斷轉(zhuǎn)向[3]。例如，在A相信號上升沿時檢測B相信號電平，若B為低電平(如圖1)，表示電機正轉(zhuǎn)；若B為高電平(如圖2)，表示電機反轉(zhuǎn)。結(jié)合上面所述四倍頻原理，計數(shù)規(guī)則總結(jié)如下。
(1)檢測到以下狀態(tài)表示電機正轉(zhuǎn)，加計數(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)表示電機反轉(zhuǎn)，減計數(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 與單片機接口設計原理
編碼器的脈沖計數(shù)值一般要傳送給單片機或其他控制器進行處理，而CPLD的全局時鐘的頻率高于單片機的時鐘頻率，為保證CPLD和單片機之間計數(shù)值傳輸?shù)恼_性，單片機首先發(fā)送信號給CPLD，將計數(shù)值鎖存后再進行傳輸。CPLD與單片機接口示意圖如圖3所示。本設計中CPLD檢測到單片機鎖存信號的上升沿后將當前計數(shù)值鎖存[4]，然后在單片機位選信號的上升沿和下降沿分時將16 bit計數(shù)值的高8位和低8位傳送給單片機8 bit I/O端口。

4 實現(xiàn)電路的源代碼
本設計利用D觸發(fā)器的延時作用檢測信號跳變沿，D輸入端接脈沖信號，則Q輸出端是上一個CLK周期的脈沖信號狀態(tài)。在CLK的上升沿檢測Q端輸出和D端信號電平值是否一致，不一致表示出現(xiàn)跳變沿。
設A和B是A、B相的源信號，經(jīng)過D觸發(fā)器后A、B相信號記為A1、B1，則計數(shù)規(guī)則表示為：


5 仿真結(jié)果
利用ALTERA的開發(fā)工具MAX+PlusⅡ，輸入VHDL文本文件，目標設備為EPM7128SLC84[5]，CLK周期為200 ns，A、B的周期為2 000 ns，編譯后仿真波形如圖4~圖7所示。

　圖4是編碼器正轉(zhuǎn)時的仿真波形，在A相信號的1個周期，兩條標記線內(nèi)，計數(shù)值OUTPUT由初始值4增加到8，實現(xiàn)四倍頻加計數(shù)。
圖5是編碼器反轉(zhuǎn)時的仿真波形，在A相信號的1個周期內(nèi)，計數(shù)值OUTPUT由初始值15減少到11，實現(xiàn)四倍頻減計數(shù)。
圖6是編碼器由正轉(zhuǎn)切換為反轉(zhuǎn)時的仿真波形。如圖中標記線所示，B相超前A相后的第一個CLK的上升沿，計數(shù)方向立即改變，由加計數(shù)變?yōu)闇p計數(shù)。
如圖7中標記線所示，在鎖存信號lock上升沿時16 bit計數(shù)值鎖存于OUT_lock；位選信號choose上升沿后的第一個CLK上升沿，8 bit計數(shù)值OUTPUT8輸出OUT_lock的高8位；choose下降沿時OUTPUT8輸出OUT_lock的低8位。
由上述仿真波形可以看出，本電路的設計實現(xiàn)了編碼器的轉(zhuǎn)向鑒別、四倍頻、雙向計數(shù)以及與單片機通信的功能。
本文設計的編碼器接口電路，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。本接口電路已應用在單級旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)中，且運行良好。
參考文獻
[1] 夏冬梅，孫林.基于CPLD的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路模塊設計[J].機械制造與自動化，2009，38(5)：156-157，160.
[2] 史曉娟，李海芹.基于CPLD的四倍頻鑒相計數(shù)電路在運動控制器中的應用[J].制造技術(shù)與機床，2008(6)：85-87.
[3] 馬志建，戴炬，張峰，等.基于CPLD的編碼器倍頻鑒相計數(shù)電路設計[J].儀器儀表用戶，2009，16(4)：82-84.
[4] 黃任.AVR單片機與CPLD/FPGA綜合應用入門[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[5] 王志鵬，付麗琴.可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)MAX+plusⅡ[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.