光電編碼器輸出脈沖可逆計(jì)數(shù)方法的對(duì)比與改進(jìn)

鄧兆翠 張鳳登

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

在高精度位置控制場(chǎng)合，光電增量式編碼器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)編碼器)是一種常用的位移檢測(cè)傳感器。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象的直線位置或者角位置發(fā)生變化時(shí)，帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器便會(huì)發(fā)出A、B兩路相位相差±90°的、規(guī)則的數(shù)字脈沖信號(hào)。位移量與脈沖個(gè)數(shù)成正比，而A、B兩路脈沖的相位關(guān)系則表示編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，即位移量的變化方向。編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A脈沖相位相對(duì)B脈沖超前90°;而編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，A脈沖相位相對(duì)B脈沖滯后90°。因此，通過(guò)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的可逆計(jì)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的可逆計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出被檢測(cè)對(duì)象的精確位移。

由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合存在物理或電路干擾，會(huì)對(duì)A、B兩路脈沖輸出產(chǎn)生抖動(dòng)和毛刺，影響兩路脈沖相位關(guān)系的判斷和脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，從而影響計(jì)數(shù)結(jié)果。因此，必須在實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)的同時(shí)，在不降低計(jì)數(shù)速度的前提下，最大限度地降低毛刺和抖動(dòng)干擾，提高計(jì)數(shù)精度。

1 單中斷計(jì)數(shù)法

編碼器輸出的脈沖波形如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)A相處于下降沿、B相為高電平時(shí)，表示編碼器正轉(zhuǎn);當(dāng)A相處于下降沿、B相為低電平時(shí)，表示編碼器反轉(zhuǎn);無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A、B輸出皆為低電平。

圖1 編碼器輸出脈沖波形圖Fig.1 Waveforms of the output pulse of encoder

單中斷計(jì)數(shù)法的原理如下［1－2］。將 A 相接到INT0，將中斷0觸發(fā)方式設(shè)置為下降沿觸發(fā);B相接到普通的I/O口。在中斷0的中斷服務(wù)程序中，讀取B相電平，如果B相電平為高電平，則表示正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)。同時(shí)在中斷服務(wù)程序中計(jì)一次脈沖數(shù)，根據(jù)判斷出的轉(zhuǎn)動(dòng)方向加1或者減1。

對(duì)應(yīng)的單中斷計(jì)數(shù)法C51程序如下。

通過(guò)圖1所示脈沖波形可以觀察到，理想狀態(tài)下，位移量與A相脈沖個(gè)數(shù)和B相脈沖個(gè)數(shù)均成正比，這是因?yàn)锳相脈沖與B相脈沖一一對(duì)應(yīng)。但是利用單中斷計(jì)數(shù)方法，即只以A相一路脈沖個(gè)數(shù)作為計(jì)數(shù)依據(jù)時(shí)，A相上的毛刺會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)數(shù)結(jié)果。如在沒(méi)有位移變化的情況下，A相出現(xiàn)毛刺;而B(niǎo)相正常、為低電平時(shí)，那么A相上的每一毛刺都會(huì)致使計(jì)數(shù)減1，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果比實(shí)際位移量偏小。因此，采用單中斷計(jì)數(shù)方法雖然軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但計(jì)數(shù)精度不可靠，只能用于計(jì)數(shù)精度較低的場(chǎng)合［3－4］。

2 雙中斷計(jì)數(shù)方法

由圖1可知，當(dāng)B相為高電平時(shí)，A相正跳變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，負(fù)跳變?yōu)檎D(zhuǎn)，A、B脈沖成對(duì)出現(xiàn)。鑒于此，雙中斷計(jì)數(shù)方法僅當(dāng)B相為高電平時(shí)才對(duì)A相脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)A相電壓的跳變方向判斷編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向。相對(duì)于單中斷計(jì)數(shù)法，采用雙中斷計(jì)數(shù)法，當(dāng)B相為低電平時(shí)，A相出現(xiàn)的毛刺并不會(huì)引起計(jì)數(shù)誤差;而僅在A相、B相同時(shí)出現(xiàn)毛刺的情況下才可能導(dǎo)致計(jì)數(shù)誤差，精確度明顯提高［5－6］。

雙中斷計(jì)數(shù)法硬件連接圖如圖2所示。

圖2 雙中斷計(jì)數(shù)法硬件連接圖Fig.2 Hardware connections for double interrupt counting method

圖2中，INT0和INT1都分別設(shè)為以下降沿觸發(fā)。當(dāng)DIR由高到低跳變時(shí)，觸發(fā)INT0，表示正轉(zhuǎn)，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行加1計(jì)數(shù);當(dāng)DIR由低到高跳變時(shí)，觸發(fā)INT1，表示反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行減1計(jì)數(shù)［7－8］。

在圖2所示的硬件連接圖的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)的雙中斷計(jì)數(shù)法的C51程序如下。

當(dāng)然，雙中斷計(jì)數(shù)法也有它的不足之處。它占用了兩個(gè)外部中斷，在一個(gè)完整的控制系統(tǒng)中，這是十分占用資源的;同時(shí)，一次計(jì)數(shù)引發(fā)一個(gè)外部中斷和計(jì)數(shù)器中斷，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，這將影響其他控制部分的實(shí)時(shí)性。因此，雙中斷計(jì)數(shù)法不適用于高速計(jì)數(shù)兼需實(shí)時(shí)控制的場(chǎng)合。

3 掃描計(jì)數(shù)法

為了解決雙中斷計(jì)數(shù)法占用過(guò)多中斷資源、影響控制程序的實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，掃描計(jì)數(shù)法將編碼器的A、B相分別連接到80C51的普通I/O口，采用固定時(shí)間間隔同時(shí)掃描A、B兩相電平，結(jié)合A、B兩相的相位次序，同時(shí)完成計(jì)數(shù)和辨向。

根據(jù)圖1所示輸出脈沖波形，每隔1/4周期采樣一次A、B脈沖序列。由采樣得到的脈沖序列可以觀察到:正轉(zhuǎn)時(shí) A 路 ={1，0，0，1，1}、B 路 ={1，1，0，0，1};反轉(zhuǎn)時(shí) A 路 ={1，1，0，0，1}、B 路 ={1，0，0，1，1}。

為了分析A、B脈沖的相位關(guān)系，固定地將A相作為高位、B相作為低位，并將同時(shí)刻采樣值相加，得出反轉(zhuǎn) 的 數(shù) 組 為 {3，2，0，1，3}、正 轉(zhuǎn) 的 數(shù) 組 為{3，1，0，2，3}。以下是基于8051、晶振頻率為12 MHz、掃描間隔為1 ms的掃描計(jì)數(shù)法的C51程序。

若掃描間隔為1 ms，則最快4 ms掃描一個(gè)完整的計(jì)數(shù)數(shù)組，這樣便完成一次可逆計(jì)數(shù)。以ALPS(阿爾卑斯)的EC11E型號(hào)編碼器為例，編碼器旋轉(zhuǎn)360°發(fā)出18個(gè)脈沖，掃描計(jì)數(shù)法采用1 ms的掃描間隔，可以完成角速度5°/ms以下的位移控制場(chǎng)合的計(jì)數(shù)。如果該控制系統(tǒng)中與編碼器連接的轉(zhuǎn)輪的半徑為0.5 m，則由V=ωr，可得V=(5 000°/180°)×π ×0.5≈43.6 m/s=157 km/h，即掃描計(jì)數(shù)法可完成線速度在157 km/h以下速度場(chǎng)合的計(jì)數(shù)［9－10］。

若要用于更高計(jì)數(shù)速度的場(chǎng)合，可以適當(dāng)減小掃描周期。掃描計(jì)數(shù)法硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件掃描時(shí)間固定，不影響其他控制程序的實(shí)時(shí)性。此外，該方法同時(shí)掃描兩列脈沖序列作為計(jì)數(shù)和辨向依據(jù)，減小了單一相位上毛刺的干擾，提高了計(jì)數(shù)精確度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從軟硬件結(jié)合的角度，分別分析與介紹了利用一個(gè)外部中斷和兩個(gè)外部中斷以及掃描脈沖序列對(duì)編碼器進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)的方法。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用一個(gè)外部中斷時(shí)，軟硬件容易實(shí)現(xiàn)，但是計(jì)數(shù)誤差偏大，不適合精確位置控制系統(tǒng);使用兩個(gè)外部中斷的方法時(shí)，會(huì)影響其他控制功能的實(shí)時(shí)性，因此其比較適合高速、純位移檢測(cè)的場(chǎng)合;而掃描方法嚴(yán)格依據(jù)脈沖相位關(guān)系進(jìn)行同步辨向和計(jì)數(shù)，能很好地消除毛刺干擾，且該方法可根據(jù)適用的速度適當(dāng)調(diào)整掃描周期，能適應(yīng)一般高速計(jì)數(shù)的場(chǎng)合。

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