基于CAN總線的旋轉編碼器采集模塊設計

本文針對旋轉編碼器在工業(yè)現(xiàn)場中的應用，基于LPCI768硬件平臺，設計出一種旋轉編碼器采集模塊，該模塊內部具有高精度分析、整形、解碼電路，可同時對2路編碼器輸入信號進行分析、解碼。經(jīng)過處理的旋轉信號通過高性能處理器進行采集及數(shù)字濾波。旋轉編碼器同時還對2路編碼器信號進行角速度計算，最終模塊通過CAN總線將采集到的旋轉位置值以及角速度值發(fā)送到DPU(分散處理單元)，以供工業(yè)現(xiàn)場使用。

1 旋轉編碼器

旋轉編碼器是一種測量轉動部件運動情況的傳感器，是將旋轉的機械位移量轉換為電氣信號，對該信號進行處理后檢測位置、速度等的傳感器。所謂編碼，其實就是將旋轉角度的信息轉換為單片機可讀的電信號的過程。旋轉編碼器根據(jù)工作原理可以分為接觸式、光電式和電磁式三種}根據(jù)輸出信號的形式又可以分為增量式和絕對值兩種，其中增量式編碼器是工業(yè)中最常用的編碼器。

增量編碼器包括碼盤、發(fā)光元件、接收元件和信號處理部分。當軸旋轉時帶動碼盤旋轉，這樣刻線處透光，問隔處不透光，透過的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分，產生脈沖信號輸出，輸出信號一般包括A、B兩相(相位差90°)，有些編碼器每轉一圈還會輸出一個零位脈沖Z，作為機械參考零位。當主軸以順時針方向旋轉時，A通道信號位于B通道之前；當主軸逆時針旋轉時，A通道信號則位于B通道之后，從而可以由此判斷主軸是正轉還是反轉。

2 CAN總線

CAN總線(ControllerArea Network)，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線最初是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發(fā)的，它是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡，屬于現(xiàn)場總線(Field Bus)的范疇。隨著CAN總線的不斷完善和發(fā)展，它目前已被國際化標準組織采納為國際標準。

CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有較高的位速率和高抗干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。信號傳輸距離達到10 km時，仍然可提供高達5kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN協(xié)議經(jīng)lSO標準化后有IS011898標準和IS011519標準兩種。它們兩者的區(qū)別在于對物理層的定義不同。ISOll898是通信速度為125 kb/s---1 Mb/s的CAN高速通信標準，而ISOll519是通信速度為125 kb/s以下的CAN低速通信標準。

3 硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，本文選用NXP公司生產的LPCI768處理器，該處理器是一款基于ARMCortex--M3內核的32位處理器，它具有3流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設的稍微低性能的第三條總線，同時還包含一個支持隨機跣轉的內部預取指單元，工作頻率可達100MHz。LPCI768處理器的外設組件包含高達512 kB的Flash存儲器、64 kB的數(shù)據(jù)存儲器、4個通用定時器、8通道的12位ADC、10位DAC、電機控制PWM、4個UART、2條CAN通道、帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達70個的通用I/0管腳．圖1為旋轉編碼器采集模塊總體框圖。

圖1 旋轉編碼器采集模塊總體框圖

3.1 CPU部分

由芯片手冊可知，LPCI768可以選擇內部RC振蕩器或者主振蕩器作為系統(tǒng)時鐘源，而由于內部RC振蕩器精度無法滿足CAN總線通訊的要求，而主振蕩器可以工作的頻率范圍為1 MHz～25 MHz，故選取12 MHz的晶振加上22 pF的電容構成Pierce振蕩器，作為主振蕩器的時鐘源。由于本系統(tǒng)未使用芯片的A/D模塊，故VDDA可以跟VDD一起連接到3．3V，每對VDD、GND引腳間需連接一個0.1uF的去耦電容。同時JTAG及通訊引腳均通過10k的上拉電阻連接到VDD，以提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.2 旋轉編碼器采集部分

旋轉編碼器應用于角度定位或測量時，由于旋轉軸的晃動可能引起編碼器輸出波形的抖動，從而引發(fā)誤計數(shù)現(xiàn)象，在這種情況下就不能對波形進行正確計數(shù)，本系統(tǒng)通過一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來消除旋轉編碼器輸出脈沖信號的抖動。圖2為旋轉編碼器采集電路中的一路。

圖2 旋轉編碼器采集電路中的一路。

分析電路可知，當旋轉編碼器正轉時，F(xiàn)1輸出脈沖序列，當旋轉編碼器反轉時，R1輸出脈沖序列閉，電路仿真波形見圖3。