基于DSP的絕對式光電編碼器設(shè)計

趙 波

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

光電編碼器又稱為光電角位移傳感器，其采用光、機、電組合方式實時輸出被測物的角度信息。采用光柵元件作為角度傳感器，通過光電變換，將轉(zhuǎn)動角度信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信息，用數(shù)字信息可以實現(xiàn)角度、位置、速度、加速度的精確測量。

光電編碼器隨著精度的極大提高具有廣闊的應(yīng)用前景，其主要民用應(yīng)用領(lǐng)域為精密加工機床、機器人及高精度閉環(huán)調(diào)速等。軍用應(yīng)用領(lǐng)域為雷達測量和光電經(jīng)緯儀等。

20世紀90年代以后，隨著計算機技術(shù)及圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，光電編碼器技術(shù)得到了極大提高，向著體積跟小、精度高方向發(fā)展。目前的光電編碼器大多采用DSP芯片作為主處理器，利用DSP芯片的強大運算能力計算角度數(shù)據(jù)，時時輸出目標角度信息。

1 系統(tǒng)組成原理

光電編碼器的組成原理如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，2812為光電編碼器功能核心。光電編碼器各部分完成功能如下。

1）2812負責接收圖像傳感器的數(shù)字口圖像數(shù)據(jù)，實時存入外部存儲器中；當DSP芯片和D/A轉(zhuǎn)換器需要圖像數(shù)據(jù)時，實時將圖像數(shù)據(jù)從外部存儲器中取出提供給DSP芯片和D/A，V5 FPGA完成整個圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸。

2）光柵碼盤是編碼器的核心元件，它是一塊具有若干同心圓碼道的玻璃盤，每條碼道由若干等周期的透明與不透明的線條組成。

3）串行接口采用標準422A格式接口，采用差分傳輸模式。

4）外采樣提供需要的輸入脈沖模式。

5）D/A轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

2.1 電路原理圖

圖2 電路原理圖1

圖3 電路原理圖2

2.2 光電接收電路

采用硅光電二極管作為光電接收器件，它有三個電極：前極（信號極），后極（正偏壓極），環(huán)極（接地）。工作電路見圖4。

圖4 光電接收器件工作電路圖

2.3 DSP處理器

在整個系統(tǒng)中，TI公司的TMS320F2812型號芯片是相對常用的DSP處理器，該型號的數(shù)字信號處理器隸屬于32位定點DSP處理器產(chǎn)品簇，相對而言在DSP領(lǐng)域中處于領(lǐng)先位置。TMS320F2812芯片的頻率，在理想的狀態(tài)下可以高達150 MHz，對于有效提升控制系統(tǒng)的整體精度和芯片處理能力有著積極意義。同時該芯片基于C/C++高效32位TMS320C28x DSP內(nèi)核展開工作，能夠支持浮點數(shù)學函數(shù)庫，因此對于實現(xiàn)在定點處理器上展開浮點運算能夠呈現(xiàn)良好的勝任狀態(tài)。

DSP程序是設(shè)計中重要的組成部分，主要為DSP和A/D采集芯片之間的數(shù)據(jù)交換。當DSP接收到外采樣信號進行外采時，就啟動A/D進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并進行采集，根據(jù)要求設(shè)置采樣頻率和采樣通道數(shù)目，每一次數(shù)據(jù)采樣完成后，將采集到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，進行角度計算，送外部顯示及串口輸出。

圖5 2812小系統(tǒng)框圖

2.4 軟件設(shè)計

為了滿足采樣速度的要求，軟件設(shè)計采用C語言，軟件主要由五部分工作流程組成。首先需要對程序展開初始化，主要工作內(nèi)容為設(shè)置堆棧并且系統(tǒng)復(fù)位。而后展開數(shù)據(jù)采集，即對精碼、中精碼及粗碼分別進行采集，并且采集預(yù)制零位差。隨后展開細分，包括象限判別，除法運算，查表程序等方面的工作。進一步展開第一、第二次校正及對徑相加程序。最后，將粗碼格雷碼進行編譯，形成自然二進制碼及第三次精粗校正，并輸出總代碼。

3 實驗結(jié)果與結(jié)論

本文以DSP 2812為核心，設(shè)計了絕對式光電編碼器。給出了具體的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)實時性好、穩(wěn)定可靠，在實際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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