基于增量式光電編碼器位移傳感器研究

王 興，賈曉虎，郝春麗

（1. 太原科技大學 山西 太原 030024；2.北方自動控制技術研究所 山西 太原 030006；3.陽泉市第16中學 山西 陽泉 045000）

傳統的拉線式位移傳感器大多采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加與減小則表明了位移的方向。通常在電位器上給定電源電壓，把電阻變化轉換為電壓輸出。由于其電刷移動時電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統中用作位移反饋元件的時，則過大的階躍電壓會引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。同時，電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導致測量精度下降。

本項目基于增量式光電編碼器原理研制的數字顯示式拉線式位移傳感器，一方面對目前拉線式位移傳感的改進和完善，其動態范圍大，具有溫度修正功能，最大量程大，測量精度高。儀器成本低廉，安裝、調試與定標方便，系統運行功耗低，抗干擾能力強，適用于野外長時間自動監測。一方面與傳統拉線式位移傳感器相比，不僅具有數字顯示功能，良好的人機交互界面，而且可以與計算機實現交互，具有遠程控制的優點。

1 增量式光電編碼器簡介

編碼器廣泛用于位置和角度的測量，可分為絕對式編碼器與增量式編碼器。絕對式編碼器其特點是輸出信號與旋轉位置一一對應，但其精度不高，而且成本較高。而增量式編碼器其輸出信號為脈沖信號，其脈沖個數與相對旋轉位移有關，而與旋轉的絕對位置無關，其精度較高，而且其成本相對較低。如果預先設定一個基準位置，則可以利用增量式編碼器實現絕對式編碼器的功能，也即可以測出旋轉的絕對位置。

增量式編碼起按其輸出可分為差分式和非差分式，他們的輸出信號均為脈沖信號，非差分信號輸出一般有AB兩相脈沖信號，其高電平接近編碼起的工作電壓。而差分式信號輸出A相、A非相、B相、B非相，其高電平只有編碼起工作電壓的一半，不管差分還是非差分的編碼器，A相和B相信號波形完全相同，僅存在90度的相差。

2 位移傳感器結構

位移傳感器采用鋁合金結構設計，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、測量范圍修改靈活、儀器成本低廉、安裝、調試與定標方便等特點。同時具有良好的人機交互界面，使用直觀方便。外觀結構圖見圖1。

圖1 傳感器外形圖Fig.1 Outline pictur of the sensor

3 位移傳感器設計

感器硬件主要由光柵編碼電路、信號處理電路、單片機和顯示屏等組成，系統硬件原理框圖結構圖如圖2所示。光柵編碼電路主要將外部的位移轉化為數字脈沖信號；功放電路信號處理電路主要將脈沖信號進行濾波整形放大；單片機組要完成信號的采集，同時將計算數字脈沖對應的實際位移；顯示屏組要完成測試數據的實時顯示。

圖2 系統組成原理圖Fig.2 Skeleton diagram of the system

位移傳感器正常工作時，外部線形位移通過光柵信號編碼器轉化為數字脈沖信號，傳感器調整電路將接收此脈沖信號，經過阻抗匹配和信號驅動放大，然后送往信息處理電路，通過計算脈沖個數將外部線形位移換算成對應的數字量保存在動態RAM中，最后信息處理電路將驅動液晶顯示屏將RAM中的數據顯示在屏中。

3.1 光柵信號編碼器

光電式拉線位移傳感器[1]的結構主要由調制盤、紅外線發光二極管（SFH485，發散角為 40°）和紅外接收二極管組成。儀器通過一鋼絲拉線與待測位移物體相連，拉線采用線膨脹系數小、化學性能穩定的銦鋼絲。當待測物體相對于光柵信號編碼器的固定軸發生位置變化時，則位移量由拉線傳動到光柵信號編碼器上，調制盤的邊緣均勻分布著透光孔，紅外線發光二極管和接收管分別安置在調制盤的上下兩邊。用恒壓源給紅外線發光二極管供電，當調制盤轉動時，發光二極管發出的光線將周期性的被遮擋，接收二極管上將出現周期的脈沖電壓信號，每一個電壓峰值即表示一個透光孔掃過接收二極管。將信號濾波、放大與整形后輸出。

設機械放大倍數為n，物體運動的位移量為△x，兩相鄰透光孔中心相距的弧長為L，則信號輸出端的脈沖個數N可由下式表出：N=△x·n/L，記下脈沖的個數即可計算出位移變化量了。

為了提高光柵信號傳感器的抗干擾能力，光柵傳感器采用24 V直流電源供電，經過后續電路將信號處理為幅值為5 V的脈沖信號。供信號處理電路采集處理。

3.2 調理電路

調理電路將光柵信號編碼器裝置輸出的信號進行濾波、放大與整形輸出。調理電路將對傳感器輸出的信號進行以下處理：

1）阻抗匹配：提高信號的輸出阻抗，有效地減少信號在傳輸過程中的反射；

2）提高信號的驅動負載能力：由于傳感器輸出信號的驅動能力很弱，連接負載時信號容易畸變。

3.3 信息處理電路

信息處理電路首先將光柵信號編碼器輸出的數據進行采集，然后將數據進行運算處理，最后驅動液晶顯示屏，將需要的數據顯示。

為了提高測長裝置的抗干擾能力，尤其是光柵編碼器輸出脈沖的抖動，信息處理電路的接口與光柵編碼器輸出之間采用隔離耦合的方式通信。通過隔離耦合使信息處理電路接收信號不受光柵編碼器輸出抖動的影響。

信息采集電路接收到從紅外接收管輸出的電壓信號經濾波后由運放進行放大，使其峰值達到TTL電平，然后由施密特觸發器進行整形，將信號變成一定脈寬的方波，如圖3所示，然后單片機記下脈沖數。

同時信息采集電路接收到外部計算機的指令后，可以控制其運行狀態，具有遠程控制的特點。

圖3 紅外線二極管輸出信號Fig.3 Output signal of infrared diode

3.4 液晶顯示模塊

本設計中采用JHD161A液晶顯示屏。JHD161A具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到廣泛的應用。

JHD161A是一種用5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，是武漢博控科技有限公司生產的1行16個字符的LCD顯示模塊，控制芯片為三星電子公司生產KS0066驅動芯片。它采用16腳單排接口。

液晶顯示模塊與信息處理電路通過扁平電纜連接，信息處理電路根據顯示的需要，首先模擬液晶顯示屏的讀寫時序，將數據寫入液晶顯示屏的控制芯片RAM中，然后控制顯示屏的顯示與清屏，從而達到顯示屏數據的刷新和與外部線性位移的同步顯示。

4 傳感器的辨向識別設計

光柵信號編碼器是通過驅動裝置驅動柵輪轉動。柵輪輪沿為格柵狀。緊靠柵輪格柵兩側為發光管和接收管，一側是一紅外發光管，另一側是紅外接收組件。紅外接收組件為一三端器件，其中包含甲乙兩個紅外接收管。柵輪轉動時，柵輪的輪齒周期性遮擋紅外發光管發出的紅外線照射到接收組件中的甲管和乙管，從而甲和乙輸出端輸出同周期的數字脈沖信號。柵輪輪齒夾在紅外發射與接收中間的部分的移動方向為上下方向，由于紅外接收組件中甲乙兩管與紅外發射管的夾角不為零，于是甲乙管輸出的數字信號有一個相位差。

信息處理板上單片機通過此脈沖相位差判知柵輪的轉動方向，同時計算出柵輪的轉動速度和牽引繩的移動位移。

為了提高傳感器的可靠性，本設計中借鑒了差分式增量編碼器的設計特點，即設計中引用了A相非信號，極大地提高了傳感器辨向的可靠性。同時通過信息處理板上單片機對采集信號的處理，有效地提高了傳感器的穩定性。由于單片機相應中斷信號具有一定的優先級，將兩路外部中斷通過同一路信號源通過一定的處理控制，從而確保中斷響應的正確可靠，中斷程序中對另一路信號的特征進行判斷，從而實現傳感器的辨向識別。

5 無誤差測量的原理及其實現

5.1 無誤差測量的原理

檢測A相一個周期中的同一個邊沿位置，如果在此邊沿位置檢測到一個上升沿，則對應編碼器的一個旋轉方向；如果在此邊沿位置檢測到一個下降沿，則對應編碼器的另一個旋轉方向。B相為高電平時，若檢測到A相為上升沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運動方向為從左向右，即編碼器為逆時針方向旋轉；若檢測到A相為下降沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運動方向為從右向左，即編碼器為順時針方向旋轉；B相為低電平的情況可類推[2]。

5.2 無誤差測量的軟件實現

無誤差測量的軟件實現[3]原理：當A相出現一個上升沿（即A非相出現一個下降沿），若檢測到B為高電平，則用軟件令計數器加1；當A相出現一個下降沿，若檢測到B為高電平，則用軟件令計數器減1.這樣，兩個計數器之差，則對應了編碼器實際的角位移，而其正負對應了旋轉方向。設置單片機外部中斷的觸發方式為下降沿觸發，當INTO產生中斷，判斷B為高電平，則令計數器減1；當INT1產生中斷，判斷B為高電平，則令計數器加1。

這種方法的優點是：其硬件簡潔，程序簡單，測量精確；其缺點是：其旋轉速度要受到單片機響應速度的限制。其對計數器的加減都是通過運行指令實現的，這也要花費一定的時間，使得其響應頻率降低，其響應條件為編碼器的輸出脈沖周期要大于單片機的中斷響應時間與中斷服務時間之和，而輸出脈沖周期又與編碼器的旋轉速度有關，旋轉越快，輸出脈沖周期就越小。

5.3 無誤差測量的硬件電路實現

如前原理所述，使用A相的沿觸發（上升沿或下降沿）作為計數脈沖，而用B相的電平作為計數起停控制。方法1：利用單穩態觸發器實現；方法2：利用定時計數器8253實現。

8253計數器的計數脈沖為下降沿計數.這樣將A相接至8253兩個計數器的時鐘信號輸入端（CLK），同時將B相接至8253的兩個計數器的門控信號輸入（GATE），選擇模式0，其特點為B相為低電平時，計數停止；B相為高電平時，進行計數，而具體哪個計數器計數以及何時計數取決于A相的下降沿，這時只有一個計數器計數。

綜合上述測量原理和特點，本設計中采用軟件的測量方法，設計方法簡單，設計靈活。

6 系統軟件設計

軟件[5-6]是系統工作的核心，軟件有兩部分組成，一部分為斷相應程序，一部分為循環處理程序，循環處理程序中調用了大量的子程序，為了提高系統的實時性，軟件全部采用標準的匯編程序設計，充分利用硬件系統的資源。中斷程序比較簡單，結構如圖4所示。循環程序結構如圖5所示。

圖4 中斷處理程序流程圖Fig.4 Flow chart of the interrupt software design

7 結束語

與傳統的位移傳感器相比，本設計具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、測量范圍修改靈活、儀器成本低廉、安裝、調試與定標方便等特點。尤其低功耗的設計，由于其功耗較低，尤其適用于長期野外自動監測；抗干擾能力強，適用于野外長時間自動監測。比如山體滑坡、鐵路路基、礦山巖體和隧道等的位移監測。同時具有良好的人機交互界面，使用直觀方便。

圖5 傳感器軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the sensor software design

本設計中采用的軟件辨向法，使設計電路結構簡單，加上單片機本身的高品質，所構成的位移傳感器電路體積小、價格低、反應靈敏、使用靈活可靠，實用性很高。既保證技術準確外，還具有降低設計難度，縮短研制時間，提高設計效率。對于其他傳感器的設計具有一定的參考價值。

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