基于DSP和FPGA的編碼器信號(hào)測(cè)量及處理的通用模塊

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越多，特別是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、軍事工程和現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域不可缺少的部分。因而，自動(dòng)控制元件如作為動(dòng)力裝置的各種電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和作為信號(hào)變換的各種控制電機(jī)在各種控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，不僅需要控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要反饋裝置。因此，編碼器作為電機(jī)的角度、速度、方向的檢測(cè)裝置，也得到了廣泛的應(yīng)用。編碼器又有旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器和光電編碼器。其中，光電編碼器精度高,抗干擾能力強(qiáng),接口簡(jiǎn)單,使用方便,因而獲得了最廣泛的應(yīng)用。

光電編碼器按編碼方式又主要有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩大類(lèi)，前者具有分辨率高、價(jià)格較低、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，然而在當(dāng)今工業(yè)中，無(wú)掉電記憶功能又對(duì)其應(yīng)用構(gòu)成了很大局限;后者結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、接口數(shù)字化、抗干擾能力強(qiáng)、具有掉電記憶功能，在應(yīng)用中也越來(lái)越受重視。

當(dāng)前市場(chǎng)上，德國(guó)海德漢公司的產(chǎn)品種類(lèi)繁多，具有很好的品質(zhì)保證，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其在半導(dǎo)體和電子制造業(yè)等領(lǐng)域。海德漢光電編碼器占有很大市場(chǎng)份額，而與之相配套的解碼設(shè)備不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)臺(tái)使用的海德漢編碼器設(shè)計(jì)出了增量式和絕對(duì)式的通用數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊具有信號(hào)處理速度快、精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、應(yīng)用靈活廣泛、使用和調(diào)試方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能很好滿足使用需求。

1 海德漢編碼器概述

1.1 高精度增量式編碼器

增量式編碼器是經(jīng)過(guò)光柵將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。其光柵由周期性刻線組成，通過(guò)計(jì)算自某點(diǎn)開(kāi)始的增量數(shù)(測(cè)量步距數(shù))獲得位置信息。本模塊要測(cè)量的高精度海德漢增量式編碼器的光柵上還有刻有距離編碼參考點(diǎn)的軌道，加快參考點(diǎn)回零。下圖1為某帶距離編碼的圓光柵。

圖1帶距離編碼參考點(diǎn)的圓光柵(ERA4480)

這些參考點(diǎn)彼此相距數(shù)學(xué)算法確定的距離。已過(guò)三個(gè)參考點(diǎn)的兩個(gè)脈沖后，后續(xù)電子設(shè)備就能找到絕對(duì)參考點(diǎn)。

1.2　高精度絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制( 格雷碼) 或PRC碼對(duì)碼盤(pán)上的物理刻線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖序列并以數(shù)字量輸出，其每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的唯一的數(shù)字編碼，因而具有掉電記憶功能。

有時(shí)，通過(guò)位置編碼器獲得位置值的數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋環(huán)還需要編碼器提供一些附加值。為使系統(tǒng)具有更高可靠性，編碼器還需具有錯(cuò)誤檢測(cè)和診斷功能。海德漢公司的Endat2.2數(shù)據(jù)接口是一種適用于編碼器的雙向數(shù)據(jù)接口，可傳輸絕對(duì)式或增量式編碼器的位置值，也能傳輸或更新保存在編碼器中的信息或保存新信息。由于采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式它只需要4條線。數(shù)據(jù)傳輸保持與后續(xù)電子設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)同步。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型(位置值、參數(shù)或診斷信息等)通過(guò)后續(xù)電子設(shè)備發(fā)至編碼器的模式指令選擇。

2 硬件設(shè)計(jì)

本模塊采用了DSP和FPGA結(jié)合的工作方式。DSP主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，非常適合高密度、重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理。FPGA/CPLD器件一方面可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，非常適用于實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面物理機(jī)制和純硬件電路一樣，十分可靠，尤其是抗強(qiáng)電磁干擾。兩者結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，速度快且可靠性好。

根據(jù)方案功能需求，設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖中，模塊連接器為標(biāo)準(zhǔn)的DB15連接器，通過(guò)管腳配置，能相應(yīng)地與增量式編碼器和采用EnDat2.2接口的絕對(duì)式編碼器進(jìn)行信號(hào)交流。模塊的收發(fā)單元支持的是RS-485形式，差分信號(hào)和單端信號(hào)通過(guò)接口芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高對(duì)高精度增量式編碼器數(shù)據(jù)測(cè)量精度，需在同一個(gè)增量編碼器上安裝4個(gè)讀數(shù)頭，各自測(cè)量增量式編碼器數(shù)據(jù)，再合成得到位置值。這樣，板卡上讀取編碼器信號(hào)的接口設(shè)置有4個(gè)。

FPGA芯片選用賽靈思公司Spartan-3AN系列的XC3S700An,logic cells為10476。

實(shí)現(xiàn)：①對(duì)增量信號(hào)的計(jì)數(shù)和參考信號(hào)的采集，在進(jìn)行計(jì)數(shù)達(dá)到參考碼道的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行增量信號(hào)的清零;②對(duì)Endat2.2絕對(duì)式編碼器位置信號(hào)的采集;③在外同步時(shí)鐘上升沿到來(lái)前，保存計(jì)數(shù)處理，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM中，等待DSP讀取。

本模塊選用的DSP芯片為T(mén)I公司的TMS320F28335，主頻可達(dá)150MHz。TMS320F28335增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在保持了原有DSP芯片優(yōu)點(diǎn)如強(qiáng)大控制和信號(hào)處理能力、C語(yǔ)言編程效率等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，節(jié)省了代碼執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間。F28335通過(guò)GPIO端口與XC3S700An連接有4路地址線和16根數(shù)據(jù)線，可以接受16種編碼器信號(hào)。模塊中DSP部分開(kāi)辟參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)，在中斷信號(hào)到來(lái)的時(shí)候讀取FPGA中數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)合成，通過(guò)SCI串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機(jī)箱，電器形式為RS422。

模塊板卡由5V電源供電。3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)硬件架構(gòu)，分別對(duì)DSP和FPGA進(jìn)行軟件功能分析和具體編程實(shí)現(xiàn)。

FPGA部分使用Xilinx公司的ISE10.1開(kāi)發(fā)軟件，采用Verilog語(yǔ)言，接受從接口管腳輸入的編碼器信號(hào)，相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)海德漢高精度增量式編碼器輸出并經(jīng)細(xì)分盒細(xì)分后的TTL脈沖計(jì)數(shù)和參考信號(hào)生成，或者是與絕對(duì)式編碼器的Endat2.2通信。DSP部分開(kāi)發(fā)軟件采用TI公司的CCS5.2，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。DSP完成對(duì)信號(hào)最終的位置合成處理，在這里，首先要定義編碼器的相關(guān)參數(shù)，如：編碼器總刻度數(shù)、分辨率、帶參考碼道的增量式編碼器的參考點(diǎn)數(shù)，還要考慮增量信號(hào)進(jìn)入FPGA前的細(xì)分?jǐn)?shù)(取決于IBV600)，以及FPGA對(duì)TTL計(jì)數(shù)是否進(jìn)行四倍頻等。使用時(shí)，根據(jù)具體編碼器類(lèi)型進(jìn)行參數(shù)修改。

軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)高精度海德漢增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器的位置值的讀取。下面將分別進(jìn)行介紹。

3.1 測(cè)量增量式編碼器位置值

3.1.1 相關(guān)部分的FPGA設(shè)計(jì)

增量式編碼器是一旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，輸出一系列脈沖。一般來(lái)說(shuō)編碼器輸出有三相信號(hào)：A、B、Z。A、B兩相信號(hào)是相位相差90°的正交方波脈沖串,每個(gè)脈沖代表被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)了一定的角度,A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向,即當(dāng)A相超前B相,轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn);當(dāng)B相超前A相,轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)。Z信號(hào)是一個(gè)代表參考碼道的脈沖信號(hào),可用于調(diào)零、對(duì)位。對(duì)象每旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，A、B兩者的脈沖發(fā)生變化，根據(jù)AB相位變化方向和脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算角位移。當(dāng)AB相位變化為00 10 11 01 00時(shí)，為輸出正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)P加1;當(dāng)AB相位變化為00 01 11 10 00時(shí)，為輸出反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)P減1。相位變化幾次計(jì)數(shù)操作幾次。需要指出的是，相位的狀態(tài)變化只有嚴(yán)格按照上面8中方式改變時(shí)，F(xiàn)PGA才進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。在Verilog編程時(shí)，可以把前一個(gè)AB相電平狀態(tài)和后一個(gè)AB相電平狀態(tài)組成一個(gè)散轉(zhuǎn)地址向量，然后把這個(gè)向量作為條件語(yǔ)句，進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。比如，當(dāng)AB從00變?yōu)?0時(shí)，向量就為0010，P=P+1。相反，若AB從10變?yōu)?0，這個(gè)向量就為1000，P=P-1。下面為FPGA讀取TTL數(shù)據(jù)并組成散轉(zhuǎn)地址向量的Verilog代碼：

always @(posedgeinClk)

begin

regUa1a2State = {inIncUa1,inIncUa2};//讀取AB向量

if(regUa1a2State!=regAllState[1:0]) //狀態(tài)變化

begin

regAllState= {regAllState[1:0],regUa1a2State};//組成新的散轉(zhuǎn)地址向量

regPulseStateChanged= 1;

end

elsebegin

regPulseStateChanged= 0;

end

end

另外，增量式編碼器不具有斷電記憶功能，每次啟動(dòng)時(shí)都需確定零位。以前，只有一個(gè)零位參考點(diǎn)時(shí)，有時(shí)需轉(zhuǎn)360°Z相位出現(xiàn)脈沖才能確定零位。高精度海德漢編碼器參考點(diǎn)碼道有若干個(gè)距離編碼參考點(diǎn)，任一參考點(diǎn)經(jīng)過(guò)讀數(shù)頭時(shí)，Z相位輸出脈沖。此時(shí)，需要把之前的脈沖計(jì)數(shù)P保存下來(lái)(記為Q)，P清零。這樣，每次Z相位輸出脈沖時(shí)，P的數(shù)值就為上次經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)后的脈沖數(shù)，這是DSP確定零位和當(dāng)前參考點(diǎn)的重要依據(jù)。

FPGA測(cè)得4個(gè)讀數(shù)頭的4組信息，寫(xiě)入雙口，等待DSP讀取。每組寫(xiě)入雙口的數(shù)據(jù)有兩個(gè)：①上一次過(guò)參考碼道時(shí)的計(jì)數(shù)增量計(jì)數(shù)RefPulseCnt(Q值)，②增量計(jì)數(shù)PulseCnt(P值)。

3.1.2 相關(guān)部分的DSP設(shè)計(jì)

DSP程序中先生成增量式編碼器參考碼道的參考角度，也就是每個(gè)距離編碼參考點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)以及角度。又因?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)參考點(diǎn)間脈沖數(shù)(即Q值)是不同且唯一的，可以根據(jù)讀取的FPGA雙口中的Q值確定最近經(jīng)過(guò)的參考點(diǎn)，然后“查表”可以得到該參考點(diǎn)的角度。同時(shí)，DSP讀取P值再乘以分辨率得到已當(dāng)前參考點(diǎn)后的角度，合成后兩者相加可以確定相應(yīng)讀數(shù)頭測(cè)得的位置值。分辨率為360°/刻度值總刻度數(shù)*進(jìn)入FPGA前細(xì)分?jǐn)?shù)*4(本模塊FPGA對(duì)TTL計(jì)數(shù)的處理實(shí)質(zhì)就是對(duì)AB路信號(hào)進(jìn)行了4倍頻)所有讀數(shù)頭過(guò)完零以后，輸入到DSP的4路讀數(shù)頭信號(hào)相對(duì)參考碼道的零點(diǎn)而言，都有一個(gè)絕對(duì)位置。一般來(lái)說(shuō)，安裝讀數(shù)頭時(shí)，要參考測(cè)量的單個(gè)讀數(shù)頭的位置值對(duì)4個(gè)讀數(shù)頭的位置要進(jìn)行調(diào)整，通常，相鄰兩個(gè)讀數(shù)頭之間相差90度最好。以任何一個(gè)讀數(shù)頭為基準(zhǔn)，其他3個(gè)讀數(shù)頭的絕對(duì)位置相對(duì)基準(zhǔn)讀數(shù)頭而言的位置差為90°,180°,270°。為了簡(jiǎn)化，以電路板輸入端口的1作為基準(zhǔn)量。合成位置量為A=(A1+A2+A3+A4-90-180-270)/4=(A1+A2+A3+A4-540°)/4，由于有安裝系統(tǒng)誤差，且要求合成位置值要大于0，計(jì)算時(shí)可以用520°替代540°。其范圍為(e,e+359.999999)，e為誤差，這個(gè)時(shí)候要對(duì)360做求模處理，最后得到的合成值的工作范圍就為(0,359.9999999)。3.2 測(cè)量絕對(duì)式編碼器的位置值

模塊參考海德漢公司提供的endat2.2相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，設(shè)置好參數(shù)：根據(jù)編碼器位數(shù)和模式命令設(shè)置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)ct_tx_oem_value、ct_rx_oem_value;需要傳送的附加信息個(gè)數(shù)ai_count;傳輸時(shí)鐘頻率參數(shù)freq_oem_value;恢復(fù)時(shí)間III (tST)的設(shè)置參數(shù)freq_tst_value等。測(cè)量EnDat2.2的子文件根據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)操作。另外，程序帶有電纜傳輸延遲測(cè)量模塊pdm。然后，按照下圖4的格式根據(jù)自己對(duì)信息的需求設(shè)置向編碼器傳輸?shù)男盘?hào)d_in。在系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)后立即通過(guò)start_trans信號(hào)控制開(kāi)始與編碼器通信。接收編碼器數(shù)據(jù)，讀出相應(yīng)d_out信號(hào)數(shù)據(jù)，得到代表位置值的數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口。

圖4 endat2.2輸入數(shù)據(jù)“d_in”

上圖中，Mode bits為6位模式指令，最基本的編碼器發(fā)送位置值模式為000111。模式指令和其他參數(shù)的含義都可以在技術(shù)手冊(cè)中查到。

DSP從FPGA雙口RAM中讀取絕對(duì)式信號(hào)數(shù)據(jù)，取有效位數(shù)后再乘以該絕對(duì)式編碼器的分辨率即得到位置信息。分辨率為360°/2^N，N是對(duì)應(yīng)的絕對(duì)式編碼器位數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)輸出

模塊通過(guò)RS422異步串行接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，串行接口通過(guò)DSP的SCI口實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的模塊同時(shí)需要上位機(jī)發(fā)送的同步采樣頻率信號(hào)，將其與DSP相連，作為中斷信號(hào)啟動(dòng)ISR功能。同時(shí)，該信號(hào)管腳通過(guò)跳針把該外同步時(shí)鐘分給FPGA。這樣，保證兩者的時(shí)鐘源是統(tǒng)一的，然后DSP訪問(wèn)FPGA的雙口就能實(shí)現(xiàn)正確讀取所需數(shù)據(jù)。過(guò)程時(shí)序示意圖如圖5所示：

圖5 整體過(guò)程時(shí)序示意圖

如上圖所示，在t_1時(shí)，F(xiàn)PGA即啟動(dòng)與編碼器的通信，在t_2時(shí)，F(xiàn)PGA把增量式編碼器脈沖計(jì)數(shù)或者絕對(duì)式編碼器信息存入雙口，在t_3時(shí)，外同步時(shí)鐘上升沿啟動(dòng)DSP中斷程序，讀取已經(jīng)存儲(chǔ)在FPGA雙口中的數(shù)據(jù)并合成位置值，合成量綱后通過(guò)RS422接口把絕對(duì)位置值傳遞給主控機(jī)箱。這樣，主控得到的數(shù)據(jù)是上一幀的數(shù)據(jù)，即有一幀的延遲，時(shí)鐘頻率越大，延遲越小。因此，對(duì)采樣頻率有一定要求，不能太低。4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

模塊設(shè)計(jì)好以后，需搭建平臺(tái)檢測(cè)是否實(shí)現(xiàn)功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示：

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖6所示：打開(kāi)電源控制開(kāi)關(guān)，然后從PC機(jī)把DSP和FPGA程序分別通過(guò)仿真器加載到F28335和XC3S700AN芯片中，打開(kāi)主控機(jī)箱。最后，點(diǎn)擊CCS上的運(yùn)行鍵，撥動(dòng)編碼器，可在CCS軟件界面右上方的變量觀察窗口觀察編碼器位置值。界面如下圖7所示：

圖7 實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察位置值的CCS界面

本實(shí)驗(yàn)中，所使用的編碼器為23位海德漢絕對(duì)式編碼器ECN1023，外同步時(shí)鐘源為500HZ。FPGA內(nèi)部頻率為10MHz,向Endat2.2輸入的頻率為64MHz的32分頻。觀察到該界面中位置值為359.8117303848267度。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)real-time與自動(dòng)刷新功能還觀察到，界面上數(shù)據(jù)的變化與編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)幾乎同步，編碼器停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后前3位之前的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，第3、4、5位數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，本模塊滿足了一定的測(cè)量速度和測(cè)量精度，能夠很好工作。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本模塊的性能有了一定了解后，還需對(duì)精度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)模塊與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀同時(shí)測(cè)量一臺(tái)海德漢絕對(duì)式編碼器，360度測(cè)量正反相各測(cè)24組值。結(jié)果，正測(cè)RMS值為0.67角秒，極差為1.9角秒;反測(cè)RMS值為0.76角秒，極差為2.2角秒。兩組誤差曲線圖如下圖8所示：

圖8 正反轉(zhuǎn)檢測(cè)兩組誤差數(shù)據(jù)曲線

從圖中觀察到，從0到23的24組數(shù)據(jù)皆是從0度到36度變化時(shí)測(cè)量得到的。如圖所示，兩組誤差曲線基本重合，可在最大誤差點(diǎn)加個(gè)修正值減小誤差。

結(jié)語(yǔ)

編碼器應(yīng)用廣泛。本文詳細(xì)介紹了一個(gè)測(cè)量各類(lèi)海德漢編碼器的數(shù)據(jù)的通用且實(shí)用的模塊。該模塊基于XilinxFPGA平臺(tái)和TI DSP平臺(tái)，使用和調(diào)試方便，使用者可快速掌握;通過(guò)了實(shí)驗(yàn)和精度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的，工作可靠;模塊小巧，可以與上位機(jī)通信，可以很好的被結(jié)合到嵌入式系統(tǒng)中。目前，本模塊已用于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)用的增量式和絕對(duì)式編碼器數(shù)據(jù)的處理，擬結(jié)合到實(shí)驗(yàn)室驅(qū)動(dòng)控制機(jī)箱中，正進(jìn)一步開(kāi)發(fā)它對(duì)海德漢絕對(duì)式編碼器Endat2.2附加信息的測(cè)量和處理。