基于CPLD的編碼器解碼接口、PWM輸出方案

圖2：解碼計(jì)數(shù)部分的原理

　　SM2100芯片有1-4通道16位ABZ相編碼器計(jì)數(shù)器。通過讀取各通道的計(jì)數(shù)寄存器（CNT*）可以得到該通道當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。對(duì)各通道的計(jì)數(shù)清零寄存器（CNT*_CLR）的寫操作將把該道的計(jì)數(shù)寄存器清零。
　　每道計(jì)數(shù)器的輸入端都有4倍頻電路和3階數(shù)字濾波器電路。數(shù)字濾波器的帶寬分4檔可調(diào)，分別是10M,5M,2.5M,625K，分別可以濾除ABZ 相信號(hào)上的寬度小于300ns、600ns、1.2us、4.8us的干擾。對(duì)模式寄存器（MODE）的寫操作可以分別設(shè)定各通道的濾波器帶寬。
　　在Z相信號(hào)的上升沿，會(huì)把當(dāng)前的編碼器計(jì)數(shù)值鎖存在索引寄存器（CNT*_IDX）中，同時(shí)把狀態(tài)寄存器（STATUS）中的對(duì)應(yīng)標(biāo)志位置1。CPU 芯片可以依據(jù)SM2103的狀態(tài)寄存器和索引寄存器的值進(jìn)行回零點(diǎn)處理。狀態(tài)寄存器的索引標(biāo)志位在狀態(tài)寄存器讀操作后自動(dòng)清零。
　　B、PWM輸出
　　SM2100芯片有1-4通道16位PWM輸出。用于產(chǎn)生互補(bǔ)（差分）的脈寬調(diào)制信號(hào)有死區(qū)控制功能?？梢杂脕韺?duì)3相位晶體管的控制完成電機(jī)控制中的功率驅(qū)動(dòng)和3相逆變器功能，也可以或結(jié)合低通濾波完成DA轉(zhuǎn)換功能。
　　PWM輸出脈沖的周期可以通過往控制寄存器PWM_TL、PWM_TH寫入數(shù)據(jù)來設(shè)置。有效數(shù)據(jù)為16位，即PWM_TL的8位和PWM_TH的低4位。
　　第n通道的脈沖寬度可以通過往控制寄存器PWM_WnL、PWM_WnH寫入數(shù)據(jù)來設(shè)置。有效數(shù)據(jù)為16位，即PWM_WnL的8位和PWM_WnH的低4位。
　　往PWM_EN寄存器的最低位寫入1時(shí)，使能PWM；寫入0時(shí)，禁止PWM輸出（輸出0電平）。
　　當(dāng)PWM脈沖寬度的設(shè)置大于脈沖周期的設(shè)置值時(shí)，輸出脈沖的占空比保持為100%。
　　C、通用IO應(yīng)用
　　對(duì)SM2100芯片的通用輸入輸出的操作，直接對(duì)GPI 、GPO寄存器進(jìn)行讀寫即可。這項(xiàng)功能可以用來完成對(duì)系統(tǒng)中的開關(guān)量控制，或類似于PLC中的I/O點(diǎn)控制。
　　2、 2100的應(yīng)用方案舉例介紹
　　2.1 SM2100芯片在運(yùn)動(dòng)控制卡中的應(yīng)用：基于PCI的讀數(shù)卡SMP330
　　SMP330卡是利用SM2103及PCI接口芯片設(shè)計(jì)出的32位PCI總線的3通道AB相解碼計(jì)數(shù)和PWM輸出卡。該卡適用于電機(jī)控制，數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)中的位置監(jiān)測(cè)。它體現(xiàn)了上述SM2100系列芯片的一切功能特點(diǎn)，包括3通道16位A/B相編碼計(jì)數(shù)器，3個(gè)16位的PWM信號(hào)輸出，和多路通用的數(shù)字輸入、輸出通道。
　　因?yàn)槭前蹇?jí)別的產(chǎn)品，因此還做了系統(tǒng)性質(zhì)電路調(diào)理處理。例如編碼器信號(hào)接口采用差分輸入接收，高速光電隔離；PWM輸出經(jīng)過74LS06芯片OC輸出；數(shù)字量的輸出輸入都經(jīng)過光電隔離，其中輸出還經(jīng)過達(dá)林頓管增加驅(qū)動(dòng)電流；此外還在板上增加了隔離電源模塊，用以增加系統(tǒng)的抗干擾性。
　　下圖3是SMP330的系統(tǒng)功能框圖：

　　SMP330卡可以用到多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：電機(jī)控制、過程監(jiān)視、工業(yè)過程控制。具體的有：抄數(shù)機(jī)、測(cè)量分析儀器、半自動(dòng)化定位機(jī)器、PC機(jī)數(shù)顯等。它可以完成系統(tǒng)中的讀數(shù)功能，也就是對(duì)實(shí)際位置/速度信息的測(cè)量，還有利用PWM功能對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)數(shù)字GPI/O功能也可以用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行I/O擴(kuò)展。
　　比如抄數(shù)機(jī)。我們?cè)趯?shí)際工件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，對(duì)一些較復(fù)雜或不規(guī)則工件的機(jī)械外型設(shè)計(jì)比較困難，同時(shí)也特別消耗時(shí)間。這種情況下，如果有實(shí)際的參考實(shí)物，利用抄數(shù)機(jī)的位置探測(cè)部位對(duì)實(shí)物的外殼的實(shí)際位置信息快速而又精準(zhǔn)的測(cè)得，直接利用測(cè)得的數(shù)據(jù)恢復(fù)出其“外貌”來，則設(shè)計(jì)就是一個(gè)快速高效的仿制了。那么這個(gè)抄數(shù)機(jī)設(shè)備中主要的處理部件就可以利用SMP330卡來實(shí)現(xiàn)。

圖3：是SMP330的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 SM2100芯片在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用
　　已經(jīng)有部分客戶利用SM2100芯片方案來實(shí)現(xiàn)其伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品了，在產(chǎn)品里擔(dān)當(dāng)速度與位置的接口處理功能，以及對(duì)PWM輸出產(chǎn)生的功能。
　　此處以無(wú)刷直流數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器為例。一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理框圖可以用下圖4來表示。

圖4：無(wú)刷直流電機(jī)的控制框圖

　　我們?nèi)绻麑?duì)上圖3進(jìn)行深一步的全數(shù)字化電路設(shè)計(jì)性細(xì)分，可以得到如下的圖5數(shù)字直流伺服系統(tǒng)功能框圖：

圖5：數(shù)字直流伺服系統(tǒng)框圖

　　那么，在上圖5中蘭色框體部分就可以用SM2100系列芯片方案來實(shí)現(xiàn)，灰色框范圍內(nèi)的功能則可以用DSP或FPGA來實(shí)現(xiàn)，這樣就形成一個(gè)全數(shù)字伺服系統(tǒng)方案。當(dāng)然在這個(gè)系統(tǒng)中，SM2100只是成但部分的功能及接口，主體的閉環(huán)算法處理是在DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)（用FPGA方案實(shí)現(xiàn)也是深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品之一，它囊括了2100在內(nèi)，更主要的是新型FPGA的特點(diǎn)使得比起DSP方案來有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，此處不再贅述）。
　　這樣的方案里面，結(jié)合SM2100來實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是增加系統(tǒng)可靠性、性能好。
　　綜上所述，一個(gè)數(shù)字直流伺服系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)器）的處理部分實(shí)現(xiàn)，就可以用一個(gè)DSP結(jié)合一個(gè)SM2100芯片就完成了。