基于单片机的光电编码器位置检测系统设计.pdf

陌而网芝器量 姜 兰0 诫1 9 帅 1 文章编号 t 6 7 1 4 5 9 8 l2 0 1 1 o l 一0 0 1 7 一0 3中田分类号 T P 2 7 4文献标识码 B 基于单片机的光电编码器位置检测系统设计 代杰1 樊瑜瑾1 张学丽2 孙宏德3 1 昆明理工大学机电 T 程学院 云南昆明 6 5 0 0 9 3l2 云南科技信息职业学院 云南昆明6 5 0 2 2 4I 3 昆明昆开专用数控设备有限责任公司 云南昆明 6 5 0 1 0 6 摘要 为了实现对机床设备运行状态的实时监测 设计了一种基于单片机的光电编码器位置检测系统l 系统采用高性能的A V R 单 片机对编码器的两相位置信号进行鉴相及四倍频处理 然后通过M C S 一5 2 单片机的T 2 计数器进行硬件计数 同时使用M C S 一5 2 单片机 的串行端u 将位置数据传送至上位P C 机中I 采用V B 6 0 软件设计上位机的监控界面 实时动态显示各种编码器的位置数据I 试运行结 果表明 该设计不仪电路简单 且计数精度高 响应速度快 达到1 5 0 k H z 适用于各种位置及角度检测场合 关 词 光电编码器 四倍频IA V R 单片机lM C S 一5 2 单片机I 串行靖口IV B 6 0 D e s i g no fP h o t o e l e c t r i cE n c o d e rP o s i t i o nM e a s u r i n g S y s t e mB a s e do nS i n g l e c h i p D a iJ i e l F a nY u j i n l Z h a n gX u e l i 2 S u nH o n g d e 3 1 K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y K u n m i n g6 5 0 0 9 3 C h i n a 2 Y u n n a nS c i e n c ea n dI n f o r m a t i o nC o l l e g e K u n m i n g 6 5 0 2 2 4 C h i n a 3 K u n m i n gK u n k a iS p e c i a l i z e dC N CE q u i p m e n tC o L t d K u n m i n g6 5 0 1 0 6 C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt or e a lt i m em o n i t o r i n go ft h er u n n i n gs t a t eo fm e c h a n i c a le q u i p m e n t ap h o t o e l e c t r i ce n c o d e rp o s i t i o nm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do ns i n g l e c h i pi sd e s i g n e d T oa c h i v eh i g h e s tc o u n t i n gr e s o l u t i o na n df a s t e rc O u n t i n gs p e e d t h es y s t e mu s eA V Rs i n g I e c h i pt o a c c o m p l i s ht h ep h a s ed e t e c t i o na n dq u a d r u p l ef r e q u e n c yi nt h ef r o n t e n dc i r c u i t u s et h e1 6 一b i tc o u n t e rT 2o fM C S 一5 2s i n g l e c h i pt o c o u n t M e a n w h i l e t h ep o s i t i o nd a t ai sb e i n gs e n tt ot h eu p p e rP Ct h r o u g ht h es e r i a lp o r to fM C S 一5 2s i n g l e c h i p U s eV B 6 0s o f t w a r et o d e v i s et h em o n i t o r i n gi n t e r f a c et h a tc a nd y n a m i c a l l yd i s p l a yt h ep o s i t i o nd a t ao fe n c o d e r T h ed e s i g ni sv e r ys i m p l e a n dh a sh i g hm e a s u r i n g a c c u r a c y f a s ts p e e d w h i c ha c h i e v e1 5 0 K H z a n di ss u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o no fp o s i t i o na n da n g l em e a s u r m e n t K e yw o r d a p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r q u a d r u p l ef r e q u e n c y tA V Rs i n g l e c h i p M C S 一5 2s i n g l e c h i p s e r i a lp o r t O 引育 目前 对光电编码器的位置检测方法主要有两种 1 硬件分频鉴相 软件判断计数 23 2 软件分频鉴相 软 件判断计数 3 4 这两种方法在原理上都大致相同 首先通 过对增量式编码器输出的两相脉冲信号进行分频检相处理 经过分频鉴相处理后分别输出一相正向脉冲与一相负向脉 冲 然后将这两相脉冲接到单片机的计数器端口用程序进行 判断计数 虽然方法一通过硬件来完成分频检相的工作具有 高速可靠的优点但与用软件分频鉴相的方法相比 其硬件电 路的结构却相对复杂 同时 最终这两种方法还是要通过软 件用程序进行判断计数 因此 最终还是对单片机的性能提 出了较高的要求 结合上述两种编码器位置检测方法的优点 现介绍一种新 的编码器位置检测系统 该设计采用软件分频鉴相与硬件计数 相结合的方法 在前端采用高性能的A V R 单片机对编码器信 号进行鉴相及4 倍频处理以达到最高精度的计数分辨率 在计 收稿日期 2 0 1 0 一0 5 1 4 I 修回日期 2 0 1 0 一0 6 2 4 作者简介 代杰 1 9 8 1 一 男 重庆永川人 硕十研究生 主要从 事自动控制技术及控制系统的研究与开发方向的研究 樊瑜瑾 1 9 6 2 一 男 云南昆明人 教授 硕七生导师 主要从事自 动控制技术 C A E 及计算机模拟技术方向的研究 数端通过M C S 一5 2 单片机的1 6 位T 2 计数器进行硬件计数以 实现较高的响应速度 最后 将采集到的位置数据通过串行端 口传送至上位P C 机中通过用V B 6 0 软件开发的监控程序进行 实时动态显示 1系统总体框架设计 该系统的设计思路是要实现对机床设备中的各种光电编码 器输出的位置脉冲信号进行高速 高精度的计数 然后将得到 的计数值传送至上位P C 机中进行实时动态的显示 所以系统 主要由数据采集与数据传送两大部分组成 而在数据采集部 分 为了同时满足数据采集精度与速度的要求 系统采样用了 软件分频鉴相与硬件计数相结合的方法 软件分频鉴相即是通 过高性能的A V R 单片机对光电编码器输出的的A B 两相位 置脉冲信号进行4 倍频与辨向处理I 硬件计数则利用了M C S 一 5 2 系列单片机T 2 计数器的计数脉冲与计数方向端口进行硬件 计敦 在数据传送部分 同样利用了M C S 一5 2 单片机的串行 蝴口通过R S 2 3 2 端口向上位P C 机传送位置数据 系统的总体 结构框图如图1 所示 2 编码器工作原理 2 1 编码器输出信号 通常情况下编码器的输出波形如图2 所示 当编码器动作 时将产生A B 两栩脉冲信号 且A B 两相信号的波形完全 相同 仅是存在9 0 相位差 编码器的运动方向分为正负两个 中华测控圈 c h i n a m c a c o m 万方数据 1 8 计算机测量与控制第1 9 卷 午H 脉冲几几 B 相脉冲几几 气晶光橱尺一7 l 凸d 旋紫船 自d 困刊圆 图1 系统总体结构框图 位置计数值 R S 2 3 2 上位P c 机 方向 正方向运动时对应的脉冲输出波形对应图1 从左向右的 波形 负方向运动时对应的脉冲输出波形对应图1 从右向左的 波形 2 2 鉴相及四倍频计数原理 鉴相及四倍频计数原理图如图3 所示 在编码器单方向运 动过程中 每个周期A B 两相信号总存在四次电平状态的改 变 并且 A B 两相电平状态改变的顺序总为 1 0 一1 1 一o l O O l O 因此 在一个周期的信号中可根据A B 两相的4 种电平状态的顺序变化对位置脉冲进行细分计数及四倍频计 数 同时 根据A B 两相电平的变化顺序来判断编码器的运 动方向 H 相L H 嘲L 图2 编码器输出波形图3 鉴相及四倩频计效原理图 3 位置检测系统的实现与应用 系统中一路编码器位置检测电路的硬件电路图如图4 所 示 编码器输出的A B 两相位置脉冲信号首先接人A V R 单 片机A T m e g a l 6 的P B 端口 在A V R 单片机中通过鉴相及四 倍频程序将A B 两相位置脉冲信号转换为一相计数脉冲信号 中华测控罔 c h i n a m c a C O I l r l 与一相计数方向脉冲信号 然后冉将这两相信号接入到M C S 一 5 z 单片机的T 2 计数器的相应端口 最后将位置数据通过 R S 2 3 2 串口传送至上位P C 机中 由于M C S 一5 2 单片机的串 行端口工作在1 v r I 电平与R S 2 3 2 端口电气性能不匹配 所以 系统采样了M A X 2 3 2 E P E 芯片来完成电平信号的转换 3 1 鉴相 四倍频程序设计 为了达到较高的计数频率 系统采用了A t m s e 公司生产 的A t m e g a l 6 单片机作为鉴相及四倍频处理芯片 A T m e g a l 6 单片机是基于增强的A V RR I S C 精简指令集计算机 结构的 低功耗8 位C M O S 微控制器 s 由于其先进的指令集以及单 时钟周期指令执行时间 其数据吞吐率高达1M I P S M H z 与 传统的M C S 一5 1 系列单片机相比 采用相同的外部时钟时 A V R 单片机的指令执行速度是其1 0 倍以上 对编码器的A B 两相信号进行鉴相及四倍频处理的方法 为 在硬件连接上 将A t m e g a l 6 单片机的P B 端口的P 0 及 P B 1 端口分别与编码器的A B 两相信号线相连 而P B 端口 的其余端口则全部通过下拉电阻接地 由此 P B 端口的读数 值便能直接反应出A B 两相电平的4 种组合状态值 即A B 两相电平的 l0 l1 0l 00 状态分别对应P B 端口的值为2 3 1 0 在软件程序上 则是不断采样P B 端 口的值 通过P B 端口值的变化顺序来判断进行加计数或减计 数操作 鉴相及四倍频程序流程图如图5 所示 3 2I 2 计数器计数设计 系统利用了M C S 一5 2 单片机的T z 计数器端口对A V R 单 片机发出的计数信号进行硬件计数 芯片选用了A t m e l 公司 生产的A T 8 9 S 5 2 单片机 A T 8 9 s 5 2 单片机是一种低功耗 高 性能 C M O S 8 位微控制器 6 使用A t m e l 公司高密度非易 失性存储器技术制造 与工业8 0 C 5 1 产品指令和引脚完全兼 容 当A T 8 9 S 5 2 单片机的T 2 计数器作工作在上下计数模式 时可直接对A V R 单片机输出的计数信号进行硬件计数 其计 数原理为 A T 8 9 5 2 芯片的T 2 E X 引脚 P 1 1 端口 控制着 计数的方向 T 2 E X 上的一个逻辑1 使得T 2 计数器向上计数 T 2 E X 上的一个逻辑0 使得T 2 计数器向下计数 由于 A T 8 9 S 5 2 单片机的计数脉冲来自单片机内部 由振荡器经1 2 分频后提供且检测一次跳变最少需要两个机器周期 所以其计 数的最高频率为振荡器频率的1 2 4 在该系统中为了同时满 足串行通信时钟频率的要求 选用了震荡频率为2 2 1 1 8 4 M H o 图4 系统硬件电路图 万方数据 第1 期代杰 等 基于单片机的光电编码器佗置榆测系统设计 1 9 二次采样P B 峭口k 一 l 初次采样值为2 初次采样值为3f 初次采样值为lI 初次果样值为 商离南翻去商离离 肉肉向姗訇肉高肉 J r工J r上上上上J r 豳5 鉴相及四倍频程序流程图 的外部晶振 因此T 2 计数器的理论最高计数频率约 为9 0 0 k H z 在硬件接口电路上 把A t m e g a l 6 单片机的P C 0 口 作为控制T 2 计数器的计数方向信号与A T 8 9 S 5 2 单片机的 P 1 1 口相连 将A t m e g a l 6 单片机的P A 0 口作为计数脉 冲信号的发生端与A T 8 9 S 5 2 单片机的P I 0 口相连 采样用T 2 计数器的优点在于 1 T 2 计数器为硬件 计数 其计数频率较快 Z 在其计数过程中不占用C P U 程序扫描执行周期 因此 在T 2 计数器工作的同时可利 进行数据传送等其他工作而不会影响T 2 计数器的计数 3 3 单片机与上位P C 机通信设计 单片机与上位P C 机的通信通过M C S 一5 2 单片机的串 行端口来实现 在硬件连接上将各路数据采集电路中的 A T 8 9 S 5 2 芯片的串行数据接收端口 R X D 与上位P C 机 R S 2 3 2 的数据发送端口 T X D 相连 将A T 8 9 S 5 2 芯片 的串行数据发送端口 T X D 与上位P C 机R S 2 3 2 的数据 接收端口 R X D 相连 在通信方式上系统采样了 主机一从机 模式的通 信方式 及将上位P C 机作为发出通信命令的主机端 而 A T 8 9 S 5 2 作为响应主机命令的从机螭 上位P C 机的监控程 序启动后以1 0 m s 为周期循环向各路数据采集电路的 A T 8 9 s 5 2 单片机发出数据读取命令 在通信中 主从机都采 用了长度为6 字节的通信数据报文 通信数据报文格式如图 6 所示 尘婴工塑 匝匠乜 工堑妇 报文1 Il 报文I 固定 三 T 2 计数量 和校验 固定 固定lI 和校验I 固定l 格式I 字节f 计敛值I 格式l 3 4 位置测量系统的软件实现 系统中采用V B 6 0 作为编程软件开发位置检测系统的监 控程序 7 如图7 所示 是应用该位置检测系统为昆明昆开专 用数控设备有限公司开发的液压母线折弯机动态监控系统的上 位P C 机监控界面 监控界面左边的两块扇形图能动态地反应 母线折弯加T 中两支旋转编码器采集到的母线折弯角度的变 化 同时监控界面中间的条状图形能反应出光栅尺采集到的凸 模的当前位置值 4 结语 该编码器位置检测系统采用软件分频鉴相 硬件计数的方 式 不仅使电路极为简化 而且实现了较高的精度与响应速 度 在A V R 单片机外部振荡器频率为1 6 M H z 的情况下 其 鉴相及四倍频处理程序在A V RS t u d i o4 软件下调试结果表明 程序执行一次计数判断的周期为6 3 3 u s 及理论上系统的四 倍频计数响应频率约为1 5 0 k H z 实际运行结果表明 该设计 不仅电路简单 且计数精度高 响应速度快 适用于各种位置 及角度检测场合 图7 检测系统的动态监控界面 考文 1 金锋 卢杨 王文松 等 光栅四倍频细分电路模块的分析 与设计 J 北京理T 大学学报 2 0 0 6 2 6 1 2 t1 0 7 3 1 0 7 6 2 郭耀华 马军爽 李连山 光电编码器在钢板宽度剪切系统中的 应用 J 传感器与徽系统 2 0 0 7 2 6 6 8 7 8 9 3 王子博 编码器四倍频电路的单片机高速算法设计 刀 控制与检 测 2 0 0 7 1 1 l7 3 7 8 F 4 黄向慧 基于W 7 7 E 5 8 单片机无抖动误差深度测量系统 J 煤 矿机械 2 0 0 6 2 6 7 l1 3 3 1 3 5 5 张军 宋涛 A V R 单片机c 语育程序设计实例精粹 M 北京t 电子工业出版杜 2 0 0 9 6 宋浩 田丰 单片机原理及应用 M 北京 清华大学出版 社 2 0 0