基于MSP430F149單片機(jī)的光電編碼器位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的工業(yè)位置控制領(lǐng)域中，為了提高控制精度，準(zhǔn)確地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)是十分重要的。傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量位移裝置已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，而數(shù)字式傳感器光電編碼器,能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電脈沖輸出, 主要用于機(jī)械位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測(cè)，具有精度高，體積小等特點(diǎn)，因此決定采用光電編碼器進(jìn)行位移檢測(cè)。

美國(guó)TI公司推出的MSP430系列16位單片機(jī)，具有低功耗，運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，正日益得到廣泛的應(yīng)用。本文將高精度MSP430單片機(jī)應(yīng)用在系統(tǒng)中，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng),滿足了鋼鐵廠的生產(chǎn)要求。

1、光電編碼器原理

光電編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，其基本原理就是在特制的碼盤上按一定規(guī)律編排光柵圖案，將這些圖案用光電頭讀取，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩陀行蚺帕械碾娖叫盘?hào)。光電編碼器輸出信號(hào)為A , B , Z 3 個(gè)信號(hào),其中A , B 為相位差90°的方波信號(hào), Z 為過(guò)零脈沖信號(hào)。如圖1所示，光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一周,A、B 相輸出同樣數(shù)量的脈沖, Z相輸出一個(gè)脈沖，脈沖的個(gè)數(shù)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，電機(jī)的運(yùn)行距離成正比關(guān)系，因此通過(guò)計(jì)算脈沖數(shù)就能計(jì)算出電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中所運(yùn)行的距離。



A相、B相都是光電編碼器產(chǎn)生的，這兩個(gè)信號(hào)的前沿和后沿都對(duì)應(yīng)著光電碼盤的1/4節(jié)距的信息。因此在實(shí)際中為了提高光電編碼器的定位精度通常采用四倍頻方法進(jìn)行處理。鑒相就是通過(guò)分析圖1的A相，B相信號(hào)，得出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。如果A相脈沖超前B相90，說(shuō)明電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果B相脈沖超前A相脈沖90，說(shuō)明電機(jī)反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種四倍頻電路，其原理圖如圖2所示，相應(yīng)的時(shí)序圖如圖3所示。由時(shí)序圖3可以看出，A和B信號(hào)經(jīng)四倍頻電路后，輸出信號(hào)為XA，XB兩個(gè)信號(hào)，在同一時(shí)刻，XA，XB只有一個(gè)是脈沖信號(hào)，另一個(gè)是高電平。因此，將XA，XB兩個(gè)信號(hào)連接到單片機(jī)相應(yīng)的端口上，對(duì)這兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行判斷、計(jì)數(shù)和計(jì)算，就可以得出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)向和位移量。



2、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)框圖見圖4。整個(gè)系統(tǒng)主要由差動(dòng)隔離整形，倍頻電路，鑒相計(jì)數(shù)模塊，主控芯片，通訊模塊，數(shù)顯模塊組成。光電編碼器選用SIEMENS公司的1XP8001-1型號(hào)，輸出電壓為5V。從光電碼盤輸出的A，B，A－,B－經(jīng)過(guò)差動(dòng)隔離整形模塊后能減少現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾，尤其是共模干擾，處理后的信號(hào)經(jīng)四倍頻電路后連到主控芯片，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，處理，計(jì)算，得到被控對(duì)象的位移結(jié)果。位移結(jié)果一方面送數(shù)顯表顯示，另一方面可通過(guò)串口將位移結(jié)果送到上位機(jī)，便于在上位機(jī)中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，打印，綜合分析。

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3、系統(tǒng)硬件組成

3.1 、主控芯片及外圍電路

主控芯片我們采用MSP430F149單片機(jī)，它具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，功耗低等特點(diǎn)； 整個(gè)系統(tǒng)采用3.3V供電，本設(shè)計(jì)電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好的滿足系統(tǒng)的要求，另外TPS76033芯片的封裝很小，又能節(jié)約PCB板面積。

復(fù)位電路采用MAX809STR芯片，復(fù)位電路可以采用R-C復(fù)位電路，但是使用復(fù)位芯要比使用R-C復(fù)位電路的可靠性高，因此我們就采用MAX809STR芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。
    
數(shù)顯電路采用LED顯示方式，MSP430具有豐富的I/O口資源，采用并行方式與LED連接非常方便，這種方式既能滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求，又可以降低系統(tǒng)成本。在單片機(jī)與數(shù)碼顯示連接時(shí)選擇P4.0～P4.7引腳用來(lái)輸出顯示數(shù)據(jù)，P2.1,P2.2,P2.3，P2.4引腳用來(lái)控制數(shù)碼管的選通狀態(tài)。

3.2 、16位計(jì)數(shù)器

本次設(shè)計(jì)采用MSP430F149提供的計(jì)數(shù)器對(duì)倍頻后的XA,XB信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。MSP430F149提供了兩個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，分別是Timer_A,Timer_B，這是兩個(gè)用途非常廣泛的16位計(jì)數(shù)器，在設(shè)計(jì)中使用Timer_A計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，將XA和XB兩個(gè)信號(hào)相或后與Timer_A相連，即XA和XB相或后與P1.0引腳相連。無(wú)論電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器引腳上都有脈沖信號(hào)，都可進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使用計(jì)數(shù)器的捕獲模塊對(duì)XA和XB信號(hào)進(jìn)行方向判斷，Timer_A計(jì)數(shù)器中提供有3個(gè)捕獲模塊，均可以滿足系統(tǒng)的需要。編碼器四倍頻電路輸出的XA信號(hào)與捕獲模塊1相連，XB與捕獲模塊2相連，即XA信號(hào)同時(shí)與P1.2引腳相連，XB信號(hào)同時(shí)與P1.3引腳相連。捕獲模塊捕獲XA和XB信號(hào)的上升沿，通過(guò)程序的判斷就可以判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

3.3、 串行模塊

MSP430單片機(jī)使用RS-485協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊， RS-485改進(jìn)了RS-232的缺點(diǎn)，傳輸速率可達(dá)到10MB/S,傳輸距離達(dá)1200米。由于MSP430輸出的是TTL電平，而RS-485串口卡是485電平，因此需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與485電平之間的轉(zhuǎn)換。硬件連接使用USART0串口，即連接時(shí)使用P3.4,P3.5引腳與MAX485的相應(yīng)引腳相連。

4、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率。整個(gè)系統(tǒng)程序包括主程序，鑒相計(jì)數(shù)程序，顯示子程序，串行通訊程序幾個(gè)模塊組成。程序流程圖見圖５。

主程序主要包括系統(tǒng)的初始化：對(duì)串口，計(jì)數(shù)器等硬件的初始化：計(jì)數(shù)值的讀取、處理、計(jì)算：調(diào)用顯示子程序，用于數(shù)據(jù)的顯示。



鑒相計(jì)數(shù)程序主要用于電機(jī)方向的判斷和計(jì)數(shù)脈沖值的處理。系統(tǒng)中電機(jī)方向的判斷是靠計(jì)數(shù)器中的捕獲模塊捕獲XA,XB信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在程序中，設(shè)計(jì)一個(gè)寄存器保存電機(jī)的方向，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，捕獲模塊捕獲XA信號(hào)有效，在中斷服務(wù)程序中將電機(jī)方向設(shè)為正轉(zhuǎn)標(biāo)志。反之亦然，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，捕獲XB有效，將電機(jī)方向設(shè)為反轉(zhuǎn)標(biāo)志。在主程序中只需根據(jù)寄存器的值，就可知道電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。為了防止計(jì)數(shù)器中正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)值發(fā)生混亂，每次捕獲發(fā)生時(shí)，在中斷服務(wù)程序中都將計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)，保證了電機(jī)換向后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

串行通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)可根據(jù)上位機(jī)的需要，將處理后的計(jì)數(shù)值上傳給上位機(jī)，用于統(tǒng)計(jì)，打印等。系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在接受中斷服務(wù)程序中得到接受的上位機(jī)指令后，單片機(jī)就可將計(jì)數(shù)脈沖值，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送端口向上位機(jī)發(fā)送。串行通訊采用中斷方式可大大節(jié)省CPU資源，從而保證了系統(tǒng)的高速度，高可靠性。

5、本文創(chuàng)新點(diǎn)

本文充分利用MSP430單片機(jī)軟硬件的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了外圍模塊的設(shè)計(jì)，大大提升了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際自動(dòng)控制領(lǐng)域的運(yùn)行中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，收到了良好的效果，具有很好的實(shí)用價(jià)值。