如何設(shè)計基于ARM的旋轉(zhuǎn)編碼器采集模塊？

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的提高，各種傳感器的應(yīng)用也越來越多。旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度和位移反饋的傳感器，主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、高精度的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服電動機(jī)、異步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、電梯曳引機(jī)、電梯門機(jī)乃至機(jī)械軸等需要對運(yùn)動速度和位移信息反饋的自動化控制場合，以保證機(jī)械的高精度穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和保障安全運(yùn)營。

本文針對旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用，基于LPCI768硬件平臺，設(shè)計出一種旋轉(zhuǎn)編碼器采集模塊，該模塊內(nèi)部具有高精度分析、整形、解碼電路，可同時對2路編碼器輸入信號進(jìn)行分析、解碼。經(jīng)過處理的旋轉(zhuǎn)信號通過高性能處理器進(jìn)行采集及數(shù)字濾波。旋轉(zhuǎn)編碼器同時還對2路編碼器信號進(jìn)行角速度計算，最終模塊通過CAN總線將采集到的旋轉(zhuǎn)位置值以及角速度值發(fā)送到DPU(分散處理單元)，以供工業(yè)現(xiàn)場使用。

1 旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種測量轉(zhuǎn)動部件運(yùn)動情況的傳感器，是將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號，對該信號進(jìn)行處理后檢測位置、速度等的傳感器。所謂編碼，其實就是將旋轉(zhuǎn)角度的信息轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可讀的電信號的過程。旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)工作原理可以分為接觸式、光電式和電磁式三種}根據(jù)輸出信號的形式又可以分為增量式和絕對值兩種，其中增量式編碼器是工業(yè)中最常用的編碼器。

增量編碼器包括碼盤、發(fā)光元件、接收元件和信號處理部分。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，這樣刻線處透光，問隔處不透光，透過的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分，產(chǎn)生脈沖信號輸出，輸出信號一般包括A、B兩相(相位差90°)，有些編碼器每轉(zhuǎn)一圈還會輸出一個零位脈沖Z，作為機(jī)械參考零位。當(dāng)主軸以順時針方向旋轉(zhuǎn)時，A通道信號位于B通道之前;當(dāng)主軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，A通道信號則位于 B通道之后，從而可以由此判斷主軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

2 CAN總線

CAN總線(Controller Area Network)，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線最初是德國Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的，它是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線(Field Bus)的范疇n]。隨著CAN總線的不斷完善和發(fā)展，它目前已被國際化標(biāo)準(zhǔn)組織采納為國際標(biāo)準(zhǔn)。

CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有較高的位速率和高抗干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。信號傳輸距離達(dá)到10 km時，仍然可提供高達(dá)5kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN協(xié)議經(jīng)lSO標(biāo)準(zhǔn)化后有IS011898標(biāo)準(zhǔn)和IS011519標(biāo)準(zhǔn)兩種。它們兩者的區(qū)別在于對物理層的定義不同。ISOll898是通信速度為125 kb/s---1 Mb/s的CAN高速通信標(biāo)準(zhǔn)，而ISOll519是通信速度為125 kb/s以下的CAN低速通信標(biāo)準(zhǔn)。

3 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，本文選用NXP公司生產(chǎn)的LPCI768處理器，該處理器是一款基于ARMCortex--M3內(nèi)核的32位處理器，它具有3流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線，同時還包含一個支持隨機(jī)跣轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元，工作頻率可達(dá)100MHz。LPCI768處理器的外設(shè)組件包含高達(dá)512 kB的Flash存儲器、64 kB的數(shù)據(jù)存儲器、4個通用定時器、8通道的12位ADC、10位DAC、電機(jī)控制PWM、4個UART、2條CAN通道、帶獨(dú)立電池供電的超低功耗 RTC和多達(dá)70個的通用I/0管腳.圖1為旋轉(zhuǎn)編碼器采集模塊總體框圖。

3.1 CPU部分

由芯片手冊可知，LPCI768可以選擇內(nèi)部RC振蕩器或者主振蕩器作為系統(tǒng)時鐘源，而由于內(nèi)部RC振蕩器精度無法滿足CAN總線通訊的要求，而主振蕩器可以工作的頻率范圍為1 MHz～25 MHz，故選取12 MHz的晶振加上22 pF的電容構(gòu)成Pierce振蕩器，作為主振蕩器的時鐘源。由于本系統(tǒng)未使用芯片的A/D模塊，故VDDA可以跟VDD一起連接到3.3V，每對VDD、 GND引腳間需連接一個0.1uF的去耦電容。同時JTAG及通訊引腳均通過10k的上拉電阻連接到VDD，以提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.2 旋轉(zhuǎn)編碼器采集部分

旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用于角度定位或測量時，由于旋轉(zhuǎn)軸的晃動可能引起編碼器輸出波形的抖動，從而引發(fā)誤計數(shù)現(xiàn)象，在這種情況下就不能對波形進(jìn)行正確計數(shù)，本系統(tǒng)通過一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來消除旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖信號的抖動。圖2為旋轉(zhuǎn)編碼器采集電路中的一路。

分析電路可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)時，F(xiàn)1輸出脈沖序列，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器反轉(zhuǎn)時，R1輸出脈沖序列閉，電路仿真波形見圖3。

3.3 CAN總線通訊部分

LPC1768處理器支持CAN 2.0B規(guī)范，兼容IS011898-1標(biāo)準(zhǔn)，基于此，本文選取飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片作為CAN總線收發(fā)器，通訊匹配電阻選取120 ，i1，CAN收發(fā)器電路見圖4。

3.4 電源部分

LPC1768工作電壓為3. 3 V，而CAN收發(fā)器及旋轉(zhuǎn)編碼器采集電路部分電壓為5 V，所以先使用MC33063將輸人電壓降到5V，供相關(guān)電路使用，然后再通過LM1117-3.3V將5V電壓降到3.3V，作為處理器工作電壓。電源電路見圖5。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用RealView MDK-ARM V4.10為開發(fā)平臺，以C語言為主要開發(fā)語言，程序主要分三個部分：旋轉(zhuǎn)編碼器采集部分采用中斷方式，通過LPC1768的定時捕獲單元來完成對輸人脈沖信號的計數(shù)工作;CAN通訊部分也采用中斷方式監(jiān)聽來自DPU或者其他控制主機(jī)傳來的命令，然后執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送任務(wù);而主程序則通過一定的時間調(diào)度算法，完成旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動方向的判斷、角速度的計算以及設(shè)置相應(yīng)的指示燈狀態(tài)、處理CAN通訊過程中出現(xiàn)的異常狀況、喂狗等操作。主程序流程圖見圖6。