基于單片機的引俄雷達光電編碼器試驗檢測平臺設計?

柳 穎

（海軍七〇二廠 上海 200434）

1 引言

光電編碼器是一種旋轉式位置傳感器，在現代伺服系統中廣泛應用于角位移或角速率的測量，它的轉軸通常與被測旋轉軸連接，隨被測軸一起轉動，能將被測軸的角位移轉換成二進制編碼或一串脈沖【1】。光電編碼器分為絕對式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器具有結構簡單、體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩定等優點，應用更為廣泛。某引俄雷達傳動裝置分機中就是使用了增量式光電編碼器。該編碼器將天線指向的角度信號轉換成四路脈沖信號提供給中央控制分機的天線轉角增量組件，用來控制掃描裝置和中央處理器。實際使用過程中，由于光電編碼器工作環境差、作業時間長，出現的故障頻率較高且部件脫離系統后修理難度大。因此提出研制某引俄雷達光電編碼器試驗檢測平臺的需求。待測試的光電編碼器能便捷地安裝在檢測平臺中，檢測平臺能模擬雷達天線的正常運轉工況，提供待測件所需的工作電源，通過液晶屏直觀顯示每路輸出信號在一個周期內的脈沖個數。

2 光電編碼器的原理及其在雷達中的運用

2.1 增量式光電編碼器的工作原理

增量式編碼器是指隨轉軸旋轉的碼盤給出一系列脈沖，然后根據旋轉方向用計數器對這些脈沖進行加減計數，以此來表示轉過的角位移量。增量式光電編碼器結構示意圖如圖1所示。它由主碼盤、鑒向盤、光學系統和光電變換器組成［1］。在圖形的主碼盤（光電盤）周邊上刻有間距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區和不透明區。鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉軸一起轉動，光源發出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當主碼盤上的不透明區正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為小；當主碼盤上的透明區正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為大。當光電碼盤隨工作軸一起轉動時，光線透過光電碼盤和光欄板狹縫，形成忽明忽暗的光信號。光敏元件把此光信號轉換成電脈沖信號，通過信號處理電路后，向系統輸出脈沖信號［6］。

2.2 增量式光電編碼器在雷達中的應用

增量式光電編碼器送出的四路脈沖信號經控制分機中的天線旋轉角增量部件處理得到粗略的、中等的和精確的脈沖序列，用來控制掃描裝置和中央處理器。天線轉動一周，精確方位產生器輸出4096個增量脈沖，該增量脈沖由掃描裝置脈沖計數器計數，大約每隔4分根據計算結果形成一個地址單元，用于從只讀存儲器相應單元提取掃描轉角正余弦代碼，從而形成掃描的角度增量。

該型雷達光電編碼器的碼盤用不銹鋼薄板制成，圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。透光槽在碼盤圓周上等分，數量固定為n。假如光電碼盤的編碼數位1，在時間t內測量到的脈沖數為N，則轉速n=60N（/t*1）［11］。碼盤上的編碼數量越多，測量精度也隨著越高。光電編碼器的工作電源為12V，工作時輸出的四路脈沖信號（A，B，C，D），使用雙蹤示波器測試的波形圖如下：圖2中黃色波形為C路，藍色波形為D路；圖3中黃色波形為A路，藍色波形為C路；圖4中黃色波形為A路，藍色波形為B路。

分析上述波形圖，可得出以下結論：

1）D路脈沖頻率最低，天線一分鐘轉10圈，D路一分鐘內有10個脈沖輸出，脈寬400ms±40ms；

2）在兩個D路脈沖之間，C路脈沖有32個輸出，脈寬2.5ms±0.5ms；

3）在兩個C路脈沖之間，A路脈沖有32個輸出，脈寬2.5ms±0.5ms；

4）A路和B路的輸出脈沖個數路同，相位差為90°。

3 光電編碼器檢測平臺設計

通過對光電編碼器的安裝和轉動方式的研究，以雷達正常工作時采集的信號為依據，理清光電編碼器輸出各波形間的工作原理及特征關系。研制的光電編碼器檢測平臺能實現如下功能：

1）在檢測平臺中，光電編碼器的安裝方式與實際裝備相同；

2）檢測平臺能模擬雷達天線的正常運轉速度；

3）檢測平臺能提供電機工作及光電編碼器工作所需的多路直流電源；

4）檢測平臺能直接顯示四路脈沖信號在一個周期內的脈沖個數。

3.1 系統方案

引俄雷達專用光電編碼器檢測平臺的系統方案如圖5所示。主體部分為試驗臺架，有2個試驗筒，可同時安裝2個光電編碼器，以便于進行信號比對；齒輪及直流電機、減速箱組成的傳動部件；電源部件；脈沖計數及顯示電路部分。

3.2 硬件組成

1）試驗臺架

試驗臺架材質選取鋁合金；機械結構減速比16：1，直流電機采用齒輪減速傳動。檢測裝置設計兩個光電編碼器安裝試驗筒，每個試驗筒以軸套連接的方式固定光電編碼器。

2）電源部件

電源部件將輸入的交流220V電壓轉換成光電編碼器檢驗檢測裝置所需的三路直流電壓。24V直流電壓用于直流電機；12V直流電源供光電編碼器工作；5V電壓供單片機計數及顯示電路。

3）脈沖計數電路

選用用低功耗單片機MSP430F169為該部分電路的核心。該電路能對光電編碼器的四路輸出脈沖信號在天線轉動一周的時間周期進行脈沖計數并上傳給頂蓋板上安裝的液晶顯示屏，直觀顯示。MSP430系列單片機是TI公司推出的一種16位的單片機【2】。由于它具有較高的集成度，豐富的片內外設、超低功耗等優點，在許多領域都得到了廣泛的應用。

MSP430F169型單片機含有定時器A（Timer_A）和定時器B（Timer_B），它們是檢測裝置程序設計的核心。定時器有3個相同的捕獲/比較模塊為實時處理提供了靈活的控制手段。每個模塊都用于捕獲事件發生時間或產生定時時間間隔【3】。每發生一次捕獲或定時時間間隔，捕獲/比較模塊寄存器將產生中斷。

檢測平臺需要對每路輸出脈沖進行計數，在設計中采用定時器的捕獲/比較模塊。又因為信號間兩兩相對關系明確，因此只需要單片機同時計兩次脈沖數，便能將四路信號正確與否判別出來。如D路信號與C路信號的測量：D路信號頻率慢，C路信號頻率快。可以使用Timer_A的捕獲/比較通道1來實現。定時器的結構圖如圖6所示，因為定時器時鐘源可以選擇來自內部時鐘（ACLK、SMCLK）或外部時鐘源，所以將外部的頻率快的C信號作為捕獲/比較模塊的時鐘源，將頻率慢的D信號作被捕獲信號，即用C信號捕獲頻率慢的D信號。在硬件連接中，將C路信號接至MSP430F169的P2.1口，將D路信號接至Timer_A的捕獲/比較輸入端P1.2口。

中斷服務程序的流程圖如圖7所示。而另一對信號的測量可以采用定時器B（Timer_B）來實現，選A路信號和C路信號為一組，其中頻率快的A路信號為捕獲/比較模塊的外部時鐘，頻率慢的C路信號為被捕獲信號。

4）顯示電路

串口屏是一種集成化的顯示器件，不僅集成了彩色TFT液晶顯示屏，同時自帶CPU處理器、數據存儲器以及觸摸屏等輸入器件，具備液晶顯示功能、數據存儲、串口通信及觸控輸入等多種功能［5］。計數值的顯示采用串口TFT彩屏實現，顯示內容為：A相（B相）脈沖個數，C相脈沖個數，D相脈沖個數。串口屏使用方便，無需更改核心控制代碼，只需在原來的代碼基礎上增加串口發送和接收函數，即可實現彩屏顯示。單片機MSP430F169與串口顯示屏的硬件連接關系見圖8所示。所有串口屏都必須先將所要顯示的圖片按一定的順序或編號保存到串口屏的內部存儲器中。圖片的編排設計是在串口屏廠家提供的編輯軟件中進行，編排好后生成相應的配置文件并下載到串口屏中［5］。

MSP430F169的通用串行同步/異步（USART）是一個串行通信接口，它允許7位或8位串行位流以預設的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出MSP430。USART接口支持兩種不同的串行協議：通用異步協議（UART協議）和同步協議（SPI協議）［2］。在檢測平臺的設計中采用異步（UART）協議方式發送脈沖數值給串口屏［12］。發送脈沖數值時需要將脈沖數值分解為個位和十位，并轉換為字符發送出去［8］。

4 結語

研制引俄雷達專用光電編碼器檢測試驗平臺，解決了雷達光電編碼器無法脫離系統獨立維修的困難。該試驗檢測平臺設計小巧、操作簡便、顯示直觀，適合內場對更換下來的光電編碼器故障件及生產備件進行檢測及修理。推廣及使用該光電編碼器試驗檢測平臺將大大提高光電編碼器故障件的維修效率。