（机械电子工程专业论文）铁轨检测车数据采集硬件电路的设计与实现.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 铁轨检测车数据采集硬件电路的设计与实现 摘要 随着我国经济的不断发展，科技的不断进步，现代化程度的不断提 高，铁路建设事业也进入了一个飞速发展的“黄金时期”，铁轨检测车是 铁路修建、铁路养护等工程项目建设中一个非常重要的检测设备。高精 度，多功能，低成本，使用方便灵活的铁轨检测车一直以来就是铁路建 设部门的梦想。应铁路部门的要求，从以上角度考虑我们机器人实验室 开始了这个项目研发里程。硬件电路作为整个设计过程中重要的一环， 有着极其重要的理论和现实意义。 在参考了国内外许多文献以后，以及联系工程的现状，最后决定采 用以光电编码器，光栅测量尺为主要传感器的测量系统。这样不仅可以 在测量精度上能够满足工程实际的需要，而且比起激光测量、陀螺仪测 量、红外线测量等测量方法，成本低、工作效率高，而且系统稳定、可 靠。整个测量系统的特点如下： ( 1 ) 机构设计上采用前后两辆检测小车，它们之间通过三自由度的回 转连接杆连接。传感器安装在后面的测量小车上，前面的小车直接与被 测铁轨的测量点直接接触是“被测小车”。装在后面测量小车上的传感器 与前面被测小车的测量点之间是静态接触，基本不会发生与检测铁轨的 滑动摩擦，因此基本上可以与非接触式测量相媲美。 ( 2 ) 本测量系统所使用的光电编码器和光栅测量尺是基于光栅测量 原理基础上的传感器，是用数字脉冲信号来标定旋转角度或者位移的高 精度传感器。通过我们自己设计的上4 倍频电路以后，测量精度进一步 太原理 大学硕士研究生学位论文 提高，可以达到5 u r n 以上，是不采用倍频电路时的四倍，而且可靠性相对 较高，成本低。 ( 3 ) 测量数据上采用一次测量六个原始数据，这样多的数据量便于以 后的分析计算，通过计算可以得到轨向，两轨面高度差，轨距等参数。 从而能够在最大限度的基础上的减少随机误差，真实的反映铁轨参数。 ( 4 ) 以单片机和笔记本电脑为核心的硬件电路设计。以单片机为核心 的嵌入式低层电路负责数据的实时采集和锁存。然后由单片机的u s a r t 异步通讯模块，通过异步传输方式将数据通过计算机的r - 2 3 2 串口上传 到上位p c 。由上位机机负责复杂的数据计算处理，给出计算结果。这样 就把单片机的功耗低，硬件计数电路实时性好，上位机计算能力强等优 点综合应用到了一起。上位机使用普通的笔记本电脑，与以往工控机相 比，省去了电源托线的麻烦，而且体积小，重量轻，使用更加灵活轻便。 ( 5 ) 采用硬件倍频，鉴向，计数，最大记录数据信号频率为4 m h z s 。不 仅能够实时检测实时记录，而且能实时给出计算结果。并且实现多路数 据同时锁存，分时处理最大限度的减少了误差。 关键词：传感器，光电编码器，单片机，倍频电路，异步通讯 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g na n dr e a l l z a t i o no ft r a c k i n s p e c t i o nd o l l y sh a r d w a r ee l e c t r l cc i r c u i t a b s t r a c t a l o n gw i t ho u rc o u n t r ye c o n o m yf l o u r i s h i n gc o n t i n u o u s l y ，s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p i n gu n r e m i t t i n g l y ，m o d e r n i z ed e g r e et or a i s ec o n t i n u o u s l y ， t h er a i l r o a dc o n s t r u c t i o nb u s i n e s sa l s oh a sg o ti n t oa ”g o l dp e r i o d ”w h i c hf l i e s t od e v e l o ps o o n t r a c ki n s p e c t i o nd o l l yi sav e r yi m p o r t a n te q u i p m e n to f r a i l r o a db u i l d i n ga n dp r o t e c t i n ge t e ak i n do f r a i l r o a dt r a c ka n di n s p e c td o l l y t h a ti sh i g ha c c u r a c y ，m u l t i f u n c t i o n ，l o wc o s t ，c o n v e n i e n ta l w a y sh a sb e e na d r e a mo f t h er a i l r o a dc o n s t r u c t i o nw o r k e r s s oo u rr o b o tl a b o r a t o r yb e g i n st o c a r r yo u t t h i sp r o j e c tt om e e tt h en e e do f m i l w a yi n t e r e s t s h a r d w a r ee l e c t r i c c i r c u i t sd e s i g ni sav e r yi m p o r t a n tp a r to f t h i sp r o j e c t ，w h i c hh a v ev e r yi m p o r t a n ta c a d e m i cr e a l i s t i cm e a n i n g a ta f t e rm a k i n gr e f e r e n c et om a n yd o m e s t i ca n d f o r e i g nl i t e r a t u r e ，a s w e l la st h er e l a t i o np r o j e c tp r e s e n ts i t u a t i o n ，w ed e c i d e dt od e s i g nt h es y s t e m t h a tt a k et h ep h o t o e l e c t r i c i t ye n c o d e r sa n dt h ed i f f r a c t i o ng r a t i n gm e a s u r e s g a u g e a st h em a i ns e n s o r s t h es y s t e mn o to n l ym a yb ea b l et om e e tt h e p r o j e c ta c t u a ln e e d s i nt h em e a s u r i n ga c c u r a c y ，m o r e o v e rc o m p a r e so t h e r m e a s u r i n gt e c h n i q u es u c ha sl a s e rs u r v e y ，g y r o s c o p es u r v e y ，i n f r a r e dm e a s u - r e m e n ta n ds oo n ，i ti sl o w e ri nc o s t ，h i g h e ri nw o r k i n ge f f i c i e n c y t h e s y s t e mi ss t a b l ea n d r e l i a b l ea l s o t h ee n t i r em e a s u r e m e n ts y s t e m c h a r a c t e r i s t i ci sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo r g a n i z a t i o nd e s i g n su s e st w os u r v e y sd o l l y , b e t w e e nt h e mi sa t h r e e d e g r e eo ff r e e d o mr o t a t i o nc o n n e c t i o n s t h es e n s o r s i n s t a l lo nt h e i i i 太原理= 大学硕十研究生学位论文 b e h i n ds u r v e yd o i l y t h ef r o n td o l l yd i r e c tc o n t a c tt ot h er a i lt h a ti sb e e nt o m e a s u r e dc a l l e d “m e a s u r e dd o l l y ”i ti ss t a t i cc o n t a c tb e t w e e nt h es e n s o r s f i x e do nt h eb e h i n dd o l l ya n dt h e “m e a s u r e dd o l l y ，b a s i cc a n n o to c c u r s l i d i n gf r i c t i o n ，t h e r e f o r em a yc o m p a r ef a v o r a b l yw i t ht h en o n - c o n t a c tt y p e s u r v e y ( 2 ) t h ep h o t o e l e c t r i c i t ye n c o d e r sa n dt h ed i f f r a c t i o ng r a t i n gm e a s u r e g a u g er u l et h a tt h es y s t e mu s e s di sb a s e do nt h ed i f f r a c t i o ng r a t i n gs u r v e y p r i n c i p l e t h e ya r eh i g ha c c u r a c ys e n s o r st h o s ec a nd e m a r c a t e st h ed e g r e e s 。r o t a t i o no rt h ed i s p l a c e m e n tw i t ht h ed i g i t a lp u l s es i g n a l a f t e ru s i n gt h e4 d o u b l i n gc i r c u i t st h a tw ed e s i g n s ，t h em e a s u r i n ga c c u r a c yf u r t h e re n h a n c e s ， m a ya c h i e v ea b o v e5 a n ，i sf o u rt i m e so ft h a tn o tu s i n gt h ed o u b l i n g c i r c u i t m o r e o v e rt h er e l i a b l ei sh i 曲a n dt h ec o s ti sl o w ( 3 ) t h es y s t e mc a ng e ts i xp r i m a r yd a m sa tat i m e s u c hm a n yd a t a sw i l l b ea d v a n t a g e o u sf o rt h el a t e ra n a l y s i s ，m i g h to b t a i nt h ea x l ea p p r o a c h e s ，t w o t o p so fr a i lh e i g h td i f f e r e n c ea n ds oo n s oi tc a nr e d u c er a n d o me r r o ri nt h e m a x i m u ml i m i ta n df i g u r eo u tr a i lp a r a m e t e r a c t u a l l y ( 4 ) t a k i n gm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta n dn o t e b o o kc o m p u t e ra sc o r e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ti sr e s p o n s i b l ef o r t h ed a t ar e a l t i m eg a t h e r i n ga n dt h el o c k i n g t h e nt h ed a t a sa r ep a s s e dt oa p o r t a b l eb o o k - c o m p u t e rb yu s a r ta s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e o fp i cm i c r o p r o c e s s o rt h r o u g ht h er - 2 3 2 t h ep o r t a b l eb o o k - c o m p u t e ri s r e s p o n s i b l ef o rc o m p l e xd a t ac o m p u t a t i o n ，p r o d u c e st h ec o m p u t e dr e s u l t s oi t a d da l lt h e s em e r i t st o g e t h e rj u s tl i k em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tp o w e rl o s s i sl o w , h a r d w a r ec o u n t i n gc i r c u i tt i m e l i n e s si s g o o d ，t h ep o r t a b l eb o o k - c o m p u t e rc o m p u t a t i o na b i l i t yw a ss t r o n ga n ds oo n o nt h ep o s i t i o nm a c h i n e u s eo r d i n a r yn o t e b o o kc o m p u t e r , c o m p a r e sw i t hf o r m e rl a b o rc o n t r o l l i n g m a c h i n eh a so m i t t e dt h ep o w e rs o u r c el i n e s m o r e o v e rt h ev o l u m ei ss m a l l t h e w 太原理工大学硕士研究生学位论文 w e i g h ti sl i g h ta n di sv e r yc o n v e n i e n tt ou s e ( 5 ) u s i n gt h eh a r d w a r et od o u b l ef f e q u e n c y ，j u d g et h e d i r e c t i o na n d c o u n t t h eb i g g e s td a t ar e c o r d i n gs i g n a l l i n gf r e q u e n c yi s4 m h z s n o to n l yi t c a nr e a l t i m e i n s p e c t a n dr e a l t i m er e c o r d m o r e o v e ri tc a nr e a l t i m e p r o d u c et h ec o m p u t e dr e s u l t 。i tr e a l i z e st h a tt h em u l t i c h a n n e ld a t a sb e e nl o c k t os a v ea tt h es a m et i m ea n db e e np r o c e s s e da td i f f e r e n tt i m e ，s oi tc a nr e d u c e e r r o ri nt h em a x i m u m1 i m i t k e y w o r d s ：s e n s o r ，p h o t o e l e c t r i ce n c o d e s ，m i c r o p r o c e s s o r , f o u rd o u b l i n gc i r c u i t s ，a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n s v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教9 币的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盘益窟 日期： 坌! ! ! 墨兰竺 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容【保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 麴鲎羞 日期： 导师签名：蔓无害日期导师签名：砻垄釜日期 ) o 口芎k 乍 26 奄岁t y 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 我国铁路运营线路近7 万k m ，与国外线路相比，线路状态较差，超期服役钢轨 数量大，钢轨损伤发生率高，因钢轨损伤造成的钢轨折断的情况经常发生，直接危及 行车安全。随着列车速度的不断提高，铁路无车时间间隔不断减少，这意味着铁路养护 工作越来越重要。铁轨的状况是铁路养护最重要的指标之一。目前德国的铁轨检测仪 采取自动测试方式以记录仪形式输出，而我国对铁轨检测工作还停留在依靠铁路总局 的大型铁路保养车上，远远满足不了我国现在蓬勃发展的铁路建设事业。而且在测量 成本上和测量的时效性上等方面也难以满足要求。 德国的测量方式与我国现行标准相同，德国d g t 公司生产铺设高速铁路的设备， 其中包括轨道检测车。铁轨检测仪重量为3 2 k g ，一次充电1 6 h 可工作3 h 。该车由操 作人员步行推行，数据采集后送回计算机处理。 日本东海道铁路公司于1 9 6 4 年开发了第1 列新干线多功能检查列车，用来检查、 测量和评估电气系统，轨道系统和下部建筑的状态和性能。2 0 0 0 年研制出新一代新 干线多功能检测车，2 0 0 1 年夏季投人使用。成为世界上第1 个可在速度2 7 0k m h 下 进行下部结构检查的列车组。该检查列车检查东京到博多1 0 6 9k m 线路可在2 天内完 成吐 东日本公司于1 9 9 2 年研制出r - 3 0 0 型确认车，1 9 9 3 年又开发出r - 4 0 0 型确认车。 其中r - 4 0 0 型确认车采用了惯性测量原理，利用陀螺作为主要的传感器。 k a n e k o 公司的k s 一5 7 4 5 a 型轨道检测车可以同时测量如下关键量：两轨平行度、 超高、扭曲、曲率、轨向等。是世界上最轻便，功能最强的检测车之一。采用手推前 进方式工作，每小时检测里程小于6 公里。 澳大利亚p a i l s c a n 非接触式轨道测量系统是一种以摄像原理为基础的非接触式 轨道检查系统，能够同步地提供关于轨道几何尺寸、钢轨断面轮廊、扣件、轨下垫板 及轨底坡的测录数据。r a i l s c a n 系统能够连续检测轨道，经改进其输出信号可达5 0 次s ，能够以o 一3 6 0k m h 的速度完成测量工作。 我国于1 9 5 3 年制成第1 辆轨检车，1 9 5 5 年试制成铁研5 5 型轨检车，均属第1 太原理工大学硕士研究生学位论文 代机械式轨检车，1 9 7 0 年研制出t s k1 5 型第2 代简易电气式轨检车，1 9 8 6 年研制成 功第三代x g j _ 1 型轨检车和g j - 3 型轨检车。目前，中国铁道科学院研制的安全综合 检测车和轨道状态确认车可以高速快捷的实现轨道检测。后者利用陀螺作为主要传感 器，根据惯性原理实现精确检测。可检测如下项目：距离、速度、轨矩、曲率、水平 及超高、高低、轨向、扭曲、车体振动加速度。具有轨道几何状态检测系统数据准确 可靠、数据采集和编辑功能强大，线路限界检测系统灵敏可靠等特点。 山东省科学院激光研究所研制的轨道几何状态参数自动检测装置系统，利用水平 气泡和发射、接收管和处理电路等进行钢轨水平测量；轨距和里程测量采用光电脉冲 编码器，把机械运动转化为电脉冲，完成位置检测。 上海理工大学电力工程系采用低功耗8 9 c 5 5 型c p u 与少量外围芯片、宽温型背 光点阵式液晶显示器、高精度传感器构成智能铁道测试仪。其操作方式由液晶汉字 提示，测量数据由仪器自动检测纪录，故障自动提示并声音报警。作为铁轨直线段 和小曲率半径线段的综合测量仪器，可测量两条轨道的内侧宽度、两条轨道的高度差 和测量记录点的定点距离。 综合国内外许多铁轨检测车成功和失败的教训，我们从铁轨检测车的检测原理， 设计方案，测量精度，成本高低，方便耐用等方面考虑，最后决定采用如本文描述中 的方案来设计铁轨检测车的硬件电路。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章测量系统简介 硬件电路设计是铁轨检测小车设计过程中很重要的一个部分，它负责终端传感器 数据量的采集，传输，分析和处理，所以它的设计直接关系到整个测量系统的可靠性 和测量系统所能达到的精度。为了对测量系统有一个清晰的认识，首先简单介绍一下 小车的结构。 2 1 铁轨检测参数分析 铁路不平顺性测量是要测出两轨的高度，水平、轨向、轨距、轨面扭曲等五项要 素。综观这五项要素，它们都是由两轨的轨面和轨的内侧面的纯几何关系决定的。空 间任何点线面都可以表示在一个空间平面内。如果用起始平面作为基准，在基准平面 内测量若干点，而后在已测的三点上重建一个空间平面，第二个空间平面可以表示在一； 起始平面内，再以第二个平面做基准平面测出若干点，而后建第三个基准平面，以此 类推可将整个铁路上的双轨表示在第一个基准平面内，从而计算出整个铁路上轨面和 内侧的几何关系来。我们就是按这一原理来研制轨道检测小车的。 ： 2 2 铁轨检测小车的结构 铁路检测小车由基准小车和被测小车两个小车组成，两个小车的结构基本相同。 见图2 - l 所示，两小车间通过回转连接杆连接，回转连接杆具有绕三个坐标轴转动的 自由度，以保证每个小车的姿态相互独立，小车底部的三个行走轮决定小车平面的方 向，小车底部另有与两轨内侧面紧密接触的三个测距轮，决定小车平面的位置。第一 个小车作为测量的基准平面，其平面上安装两个悬臂测量杆，悬升至第二个小车的上 方，悬臂杆上安装精度为微米级的量具光栅测量尺，测量第二个小车的行走轮正上方 的车身面上的点，反映轨道的高度。如图2 - 2 所示。 在轨道内侧面的轨面以下1 6 毫米处有三个轮( 一面一个轮，另一面两个轮) ， 经压力弹簧涨紧机构紧贴在轨的内侧面上。其中两个轮轴上安装有空心光电编码器 1 ，2 。这三个轮除决定基准面的位置外，还用于检测轨向和轨距。另外在轮l 的旁边 安装一个测量轨距的光栅尺l 。编码器记录走过两轨内侧面的距离，两轨内侧面走过 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 的距离相等时轨向是直线，两侧距离不等是轨向偏转引起的。通过记录两侧的距离差 可以计算出轨向的偏转角度。内侧轮的活动支架距离的变化是由轨距变化引起的，其 上安装的光栅尺2 ，3 ，4 读数的变化反映轨距变化。在基准小车的车架正对轨面的上 方安装有自行开发的轨面扭曲传感器，传感器检测轨道顶面与两轨顶面相对于两轨中 线组成平面的扭转角度。 每个小车有三个行走轮，一条轨道上两个行走轮，分别安装测量轮距8 0 0 r a m ， 另一轨道上有一个行走轮，这一行走轮在轨向方向上与前两轮相距4 0 0 m m 。 在基准平面车上固定安装两条悬臂测量杆，悬伸向被n d , 车上方。一条悬伸 一 4 u u 一 6 w 一一i 一 i 一 一i 一i ，：心夕 基准轨 i ：= 8 0 0 4 0 0 1 图2 - 1 轨道检测小车原理图 f i g2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f r a i l r o a dt r a c ki n s p e c t i o nd o i l y l l s 0 m m ，另一条悬伸6 8 0 m m ，在测量杆上正对被测小车车轮的正上方，分别安装三 个数字高度传感器( 光栅测量尺2 ，3 ，4 ) ，数字高度传感器的触头压在被测小车正对 车轮的上顶面上，只有高度方向变化，基本没有沿平面方向的滑动。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 测量系统工作流程 图2 - 2 传感器安装图 f i 9 2 - 2d r a w i n gf o rf i x a t i o no f s e n s o r s 综合上述分析可以看到，测量系统所需要采集的数据有光电编码器f 的触发次 数，光电编码器2 的数据，光栅尺1 - 4 的数据。一共有6 组待测数据量需要测量。 r 检测工作开始时光电编码器和光栅尺复位置数，光电编码器l 预置数为3 4 1 4 ， 光电编码器2 预置数为4 0 0 0 ，光栅尺1 - 4 预置数为4 0 0 0 。而后每前进4 0 0 m m 由压在 轨内侧的单轮上的光电编码器l 发出请求采样信号，单片机响应光电编码器1 发出的 采样请求信号以后，记下中断次数，然后进入中断程序执行数据采集子程序同时锁存 其余的5 组数据，然后分时读取这5 组数据放入数据缓冲区，然后中断返回。主程序 把这6 组数据通过r s 2 3 2 计算机串行通讯口上传到上位机，由上位机负责计算铁轨 的参数，给出计算结果。每前进4 0 0 m m ，重复上述采样过程。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章硬件计数电路的设计 测量位移的方法有很多钟，一种方法是使用位置传感器，测量到的位移量由变送 器经d 转换成数字量，送至系统进行进一步处理。此方法虽然检测精度高，但在 多路、长距离位置监控系统中，由于其成本昂贵、安装困难，因此并不适用。另一种 方法是使用光电编码器。在位置控制系统中。由于车轮既可能正转，也可能反转，而且 在整个测量过程中，铁轨高度是个上下变化的缓变量，所以要对与其相连的编码器输 出的脉冲进行计数，要求相应的计数器既能实现加计数，又能实现减计数，即进行可 逆计数。 光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化 时，光电编码器便会发出a 、b 两路相位差9 0 。的数字脉冲信号。正转时a 超前b 为 9 0 。，反转时b 超前a 为9 0 。脉冲的个数与位移量成比例关系，因此，通过对脉 冲计数就能计算出相应的位移【4 1 。该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在 很多位置控制和测量系统中经常采用这种位置测量方法。使用光电编码器测量位移， 准确无误的计数起着决定性作用。一般的单片机都有处理外部中断请求的功能，外部 信号产生脉冲的上升沿或者下降沿引起单片机中断，单片机通过程序设计记录中断的 触发次数也能实现对光电编码器信号的计数。但是使用软件方式对光电编码器的脉冲 进行方向判别和计数降低了系统控制的实时性，尤其当使用光电编码器的数量较多 时，且其可靠性也不及硬件电路。但其外围电路比较简单，所以在计数频率不高的情 况下，使用软件计数仍有一定的优势。但是不能保证测量系统的实时性和可靠型。本 测量需要测量的数据量较多，而且要求一定的测量时效性，良好的稳定性，较高的高 测量精度，所以使用软件计数无疑很难满足这种要求。所以我们决定采取硬件鉴相与 计数的方法来构建测量系统。 3 1 光栅尺计数电路的设计 3 1 1 光电脉冲编码器以及光栅尺测量位移和角速度的原理 光电脉冲编码器又称光电脉冲发生器，现在广泛地被作为数控机床等设备的位 置信息反馈元件。这里要特别强调两点： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 编码器输出的a 、b 两相矩形脉冲波是同一个光电盘上圆周等分明暗条纹的 空间位置通过两个处在不同位置的光敏三极管检测后在时间轴上的映射。 ( 2 ) a 、b 两相矩形脉冲波是正交的，且共同携带光电盘角度位置信息和转动方向 信息。假设光电盘上的圆周等分条纹数为n ，则被测对象旋转一周( 即3 6 0 。) ，光电 脉冲编码器的a 、b 两相分别发出n 个脉冲。那么，a 、b 两相的脉冲当量p 可以写 为： p = 3 6 0 。n ( 3 - 1 ) 通过一时钟脉冲触发计数器记下p 的数量，假定p 的数量为n ，则被测对象旋 转的角度o 可写为： 0 = n p ( 3 - 2 ) 再假设在时间t 内p 的增量为am ，则被测对象旋转的角速度m 可以写为： 5 a m p a t ( 3 - 3 ) 通过上面的分析，可知光电脉冲编码器工作在数字形式，可直接用于测量角位 移和角速度，间接用于测量直线位移和直线速度。因此，要将编码器作为位置反馈元 件，其关键是要有记录( 3 一1 ) 式和计算( 3 2 ) 、( 3 3 ) 式的解码计数电路。 对解码计数电路的要求是： ( 1 ) 能够根据a 、b 相脉冲的相位自动判别光电脉冲编码器的旋转方向。 ( 2 ) 要有倍频功能，以便充分利用a 、b 两相脉冲波共同携带的位置信息。 ( 3 ) 计数器应是可逆的，且计数器的计数长度要有一定容量。 ( 4 ) 能实时以数字形式或模拟形式输出位移或速度值，以适应不同的需要。 3 1 2 倍频和辨向的理论基础 a 、b 脉冲( 波形见图1 ：明条纹对应1 ，暗条纹对应0 ) 共同编码携带光电盘的转 向和位置信息，要将这两种信息识别出来，其前提是要充分注意a 、b 是光电盘的空 间位置在时间轴上的展开。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 a 1 二! 司ll厂：j p ， ；i i 川i | l + jh ； 姐z 厂 酮_ jl 一一e 一+ 图3 - 1 光电编码器脉冲信号分析图 f i 9 3 - 1a n a l y s e dc h a r to f p h o t o e l e c t r i ce n c o d e rp u l s es i g n a l 3 1 2 1 倍频 由图3 - 1 可知，由于a 、b 脉冲波对应码盘明暗条纹的空间位置，其脉冲的上升和 下降沿( 这里，上升还是下降是由编码盘的转动方向决定的，正转时的上升沿在反转 时就变成下降沿，反之则反) 的相对位置是固定不变的，将a 、b 进行逻辑异或，可以 看出a 0b 的边沿永远不能重叠。该边沿携带了码盘的等分位置讯息，在一个p 的距 离之内，包含有4 个边沿，且边沿之间的空间距离是相等的，也就是说一个p 的距离 被4 等分了。这个距离的等分是由如下事实决定的：码盘的明条纹宽度和暗条纹宽度 是相等的；a 、b 光敏三极管之间的距离是明暗条纹宽度的和1 4 ，即p _ 4 。 由以上的讨论可以得出以下结论： 结论1 ：拾取a o b 脉冲的边沿并计数，计数值代表了码盘转过的角度，此时的 计数角度的脉冲当量为p 4 。 结论2 ：在码盘等分条纹数不变的前提下，要想提高分辨率，即减小计数角度 的脉冲当量，唯一的途径是增加检测元件光敏三极管的个数，即增加编码器输出讯号 的数量；若输出讯号的数量为m ，则要求有1 i 1 个光敏三极管，这m 个光敏三极管之间 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的排列距离是p ( 2 x m ) ；这时，其角度计数当量为p ( 2 历) 。显然，对于只有a 、b 两 个讯号输出的光电脉冲编码器，m = 2 ，故其最小角度计数当量为p 4 。这就是所谓的 倍频，即通过电路处理可使计数器频率为其中一路讯号输出频率的m 倍。 3 1 2 2 倍频时鉴向的理论 设光电编码盘的输出信号经过倍频后的最小脉冲当量为j ，则对于圆周上均布有 n 条条纹、i l l 相输出信号的编码盘有： j = 2 石( 2 n m )( 3 4 ) 以上讨论的量，如p 、0 、u 、j 都是矢量，即都是有方向的量，那么以“+ ” 表示码盘正转，以“一”表示码盘反转。下面以m = 2 时为例，讨论j 的符号取出问 题：在图3 - l 中，假设码盘初始位置时a 、b 输出的讯号为a 。、b 。，且以= l ，b 。= 0 ； 当码盘正转一个j 当量时，a o b 有一个边沿发生，即j 的绝对值增l ，这时 以“= 1 ，e + l = 1 ，依次往下正转，4 + 2 ：o ，最+ 2 = l ；以+ 3 = 0 ，e + 3 = 0 ；a n “= 以= l ， b n “= 最= o 。同样，当码盘反转时，对应的a 、b 状态变化为：彳柑= o ，= 0 fa 。- 2 = o ， e 一2 = 1 ；以- 3 = l ，见d = 1 ； 以4 - a n = l ，b n 一4 = 只= o 。综上分析，码盘在转动时， 其a 、b 讯号状态是按图3 2 所示的状态循环嘲。 、 图3 - 2 光电编码器状态转换图 f i 9 3 2s t a t et r a n s i t i o ng r a p ho f p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r 图3 - 2 中，s 。( i - 0 123 ) 表示编码盘输出信号a 、b 的组合状态：s o 表示a = i ， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 b = i ；s 1 表示a = 0 ，b = i ；s 2 表示a = 0 ，b = o ；s 3 表示a = i ，b = 0 ；i 主t 此可知所谓转向， 就是a 、b 讯号状态的转换，且状态之间的转换是唯一的。当a = i ，b = i 时，若正 转，其下一个a 、b 讯号状态肯定是a = 0 ，b = i ：若反转，其下一个a 、b 讯号状 态肯定是a = i ，b = 0 。因此，根据a 、b 讯号状态循环图就可以决定j 的符号。为 方便起见，重新规定：无论正转还是反转，a 、b 的当前状态( 即现态) 为以，b ， a ，b 的下一个状态( 即次态) 为以+ l ，尾+ 。对照图3 - 2 ，列出各种情况下j 的符号如 下表3 1 ： 表3 - 1 光电编码器状态转换表 t a b l e 3 一ls t a t et r a n s i t i o ns h e e to f p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r 以b 。以“b “ j 的符号 1l0 l+ ol00+ ool 0+ l0l l+ lllo l0o 0 0o ol 01ll 结论3 ：为了辨向，必须有m 2 2 ；脉冲倍频是辨向信号的副产品； 结论4 ：为了避免误计数，j 必须是单位矢量。在进行倍频和辨向后，将矢 量脉冲当量j 进行简单代数累加，即得增量式编码盘的绝对转动位移量，这个位移量 的取得是使用编码盘的唯一目标，由结论4 可知，当码盘在某一位置发生振幅为阻i 的抖动时，其累加和不变。 3 2 光电编码器脉冲计数电路的设计 比起光栅尺计数电路光电编码器计数电路由于不需要倍频电路，电路相对简单， 主要分两个步骤： 首先要对编码器输出的两路脉冲进行鉴向，即判别车轮或光栅尺是正向移动还是 反向转动。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 其次是进行加减计数，正转时加计数，反转时减计数。这样才能保证测量系统能 够实时的记录铁轨检测过程中的原始数据，为下一步对铁轨参数的分析计算提供最原 始的数据。 用硬件实现脉冲的鉴向和计数，硬件计数在执行速度上有软件计数不可比拟的优 势，通常采用多个可预置4 位的加减计数器7 4 l s l 9 2 级联组成的加减计数电路。 3 2 1 元器件选用说明 0 7 4 l s 7 4 是一种含有两个相互独立的d 触发器的双列直插型芯片，它是由脉冲上 升沿来触发的，它的真值表如下表3 2 所示： 表3 2d 触发器7 4 l 8 7 4 真值表 1 曲l e 3 - 2f u n c t i o nt a b l eo f 7 4 l s 7 4 i n p u t s0 u t p u t s 朋 c rc kdq q 上h xx h三 h三 xx 工h 工 xx h ( n o t e l )h ( n o t e o 日hthh三 hh 个 三上h hh上 x 蜴q o 7 4 l s l 9 2 是一种可预置输入的1 0 进制b c d 码加减计数器。采用双联直插式封 装。最高计数频率为4 m h z ，图3 3 为其引脚说明图。 c u 为加脉冲输入端，c d 为减脉冲输入端。p 0 、p l 、p 2 、p 3 为计数器的4 位 预置数据端，与数据输入锁存器相接，q 0 、q 1 、q 2 、q 3 为计数器的4 位数据输出 端，在电路中与数据缓冲器7 4 l s 3 7 3 数据输入端相连；m r 为清零端，凡为预置允 许端，t c u 为进位输出端，t c d 为借位输出端，v c c 接+ 5 v 电源： 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 37 4 l s l 9 2 引脚说明图 f i 9 3 3c o n n e c t i o nd i a g r a mo f7 4 l s l 9 2 当c u 和c d 中一个输入脉冲时，另一个必须处于高电平，才能进行计数工作。而 从编码器直接输出的a 、b 两路脉冲不符合要求，不能直接接到计数器的输入端， 但可以利用这两路脉冲之间的相位关系对其进行鉴相后再计数。 3 2 2 光电编码器硬件计数电路设计 由图3 - 4 ( b ) 中编码器输出波形可以看出，编码器正转时a 相超前b 相9 0 。，在 a 相脉冲的下降沿处，b 相为高电平，而在编码器反转时，a 相滞后b 相9 0 。， 在a 相脉冲的下降沿处，b 相输出为低电平。这样，编码器旋转时通过判断b 相电 平的高低就可以判断编码器的旋转方向。 图3 4 ( a ) 给出了光电编码器实际使用的鉴向与双向计数电路，鉴向电路用1 个 d 触发器d m s 7 4 l s 7 4 a 和2 个与非门d m 7 4 l s 0 3 如图组成，计数电路用3 4 片 7 4 l s l 9 2 组成。对于计数光电编码器用4 片7 4 l s l 9 2 组成，计数范围为0 9 9 9 9 。对 于光栅尺它的原始脉冲是5 1 2 ，经过四倍频以后输出脉冲可达2 1 3 5 ，所以光栅尺的计 数电路也有四片7 4 l s l 9 2 组成，计数范围为0 9 9 9 9 。初始预置数为4 0 0 0 。当光电编 码器顺时针旋转时，a 相超前b 相9 0 。，d 触发器输出q ( w 1 ) 为高电平，q ( w 2 ) 为 低电平，与非门n 1 打开，计数脉冲通过( w 3 ) ，送至双向计数器7 4 l s l 9 2 的加脉冲 输入端c u ，进行加法计数；此时，与非门n 2 关闭，其输出为高电平( w 4 ) 。当光 电编码器逆时针旋转时，a 相比b 相延迟9 0 。，d 触发器输出q ( w 1 ) 为低电平， q ( w 2 ) 为高电平，与非门n 1 关闭，其输出为高电平( w 3 ) ；此时，与q h 3n 2 打开， 1 2 t f 一 一一“一x ， 1 叫， * + 哪r + n # 太原理工大学硕士研究生学位论文 a 丌 0 u t 8 o u r c 0 l ，r a o l ，r - b w 1 w 2 w 3 w 4 厂 厂 几 厂 厂 厂 iilill o l ，r a o l ，r b w 1 w 2 w 3 w 4 z m 工1 啦 nn 厂。 r 厂 厂 _ 7 几几 顺时针旋转逆时针旋转 ( ” 图3 - 4 计数电路原理图 f i 9 3 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o u n t i n gc i r c u i t 1 3 a 口 太原理工大学硕士研究生学位论文 计数脉冲通过( w 4 ) ，送至双向计数器7 4 l s l 9 2 的减脉冲输入端c d ，进行减法计数a 第一片的进位输出端接第二片的加脉冲输入端，借位输出端接减脉冲输入端，依次级 连扩展，可以组成任意位的加减计算电路【4 j 。 由于光电编码器l ，2 每转有3 0 0 0 个脉冲。光栅尺最大脉冲计数范围为2 3 1 5 个 脉冲。而且考虑到量具正反向位移都有可能发生的情况，所以光电编码器计数电路2 初始置数为4 0 0 0 ，4 只光栅尺初始置设为4 0 0 0 。数据初始值置位端p l 。 3 2 3 光栅尺四倍频兼鉴向电路设计 在本测量系统的设计过程中，开始采用的光栅尺传感器是鉴于工控机p c i 接口 的，